番茄采摘机器人机械结构设计.doc

1、题 目： 番茄采摘机器人机械结构设计 摘 要摘要近年来，大量的机器人应用于农业生产中，特别是在农业生产过程，是农业向自动化和智能化发展的标志。同时，世界各国面临着人口老龄化问题，劳动力不足将逐渐变为现实，更重要的是收获作业劳动强度大，研究果实收获机器人具有重要意义1。亟待研发一种全自动的智能化采摘机器人，并且此机器人能够这正实现投入农业劳作中，适应农业环境复杂的环境，为果农减轻负担提高采摘效率。番茄采摘机器人的采摘系统主要由机械臂、末端执行器、移动机构（行走系统）、视觉系统以及控制系统构成2。本课题通过研究国内外农业采摘机器人技术状况，确定番茄采摘机器人手腕和末端执行器的结构尺寸，设计螺旋回转

2、型型平移式夹持器，使其具有良好的夹持和包络性能，机械手臂自由度的确定使其能满足达到空间任意一点，并进行组成整体的关键部件的选择和强度校验。包括电机、轴承、蜗轮蜗杆、直齿锥齿轮、丝杠的选型以及它们的校验。最终在满足设计要求和采摘效率的情况下，进行番茄采摘机器人的制造成本经济性分析，尽量满足达到量产化的要求，争取早日实现番茄采摘机器人商业化。关键词：采摘机器人；机械臂；末端执行器AbstractIn recent years, a large number of robots have been used in agricultural production, especially in the

3、process of facility agricultural production, which is a sign of the development of agriculture towards automation and intelligence. At the same time, countries all over the world are facing the problem of aging population. The shortage of labor force will gradually become a reality. More importantly

4、, the harvesting operation is of great labor intensity. It is of great significance to study fruit harvesting robots. There is an urgent need to develop a fully automatic intelligent picking robot, and this robot can be put into agricultural work, adapt to the complex environment of agriculture, red

5、uce the burden of fruit farmers and improve picking efficiency. The picking system of Tomato Picking Robot is mainly composed of manipulator, end effector, mobile mechanism (walking system), vision system and control system. Through studying the technical status of agricultural picking robots at hom

6、e and abroad, the structural dimensions of wrist and end-effector of tomato picking robots are determined, and a spiral rotary translational gripper is designed to make it have good gripping and envelope performance. The determination of the degree of freedom of the manipulator arm can satisfy any p

7、oint in space, and the selection and strength of the key components constituting the whole are made. Degree check. Including the selection of motor, bearing, worm, spur bevel gear, screw and their calibration. Finally, under the condition of meeting the design requirements and picking efficiency, th

8、e cost-economic analysis of Tomato Picking Robot was carried out to meet the requirements of mass production as far as possible, so as to achieve the commercialization of Tomato Picking Robot as soon as possible.Key words: picking robot; manipulator; end effectorI目 录目 录摘 要IAbstract II第1章 绪 论11.1 研究背

9、景及意义11.2 国内外采摘机器人的发展现状及趋势21.2.1 国外采摘机器人的发展21.2.2 国内采摘机器人的发展21.3 本课题研究的主要内容3第2章 机械手的设计方案42.1机械手设计的要求及相关参数42.2 机械手的总体方案设计52.3 机械手结构及传动方案的确定52.3.1 番茄采摘机械臂类型的确定52.3.2 驱动方案的确定72.3.3 传动方式92.4 采摘机器人的组成102.4.1 末端执行机构方案的设计102.4.2腕部结构方案的设计132.4.3 臂部结构方案的设计152.5 本章小结15第3章 采摘机器人各部分的设计与计算163.1 末端执行器的基本要求163.2 末端

10、执行器的设计与计算163.2.1 手指的设计163.2.2末端执行机构整体的设计173.3 腕部的设计183.4 小臂及伸缩装置的设计193.5 大臂的设计203.6 底座的设计223.7 本章小结23第4章 关键零部件的设计与计算244.1电动机的选择244.2 传动轴的设计264.2.1传动轴的工作分析264.2.2传动轴的计算和校核的设计264.3 键的校核284.4 蜗轮蜗杆的设计284.5 锥齿轮精度等级材料及齿数的确定314.6番茄采摘机器人的总体质量及经济性分析324.7 本章小结33总 结34致 谢35参考文献36 III第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 研究背景及意义 据了

11、解，我们国家的果蔬产量早已超过占全球产量的一半，在世界蔬菜产量排名俨然已成为首位，番茄作为最常见的果蔬之一，全球的番茄种植面积约为500万公顷，其全球产量约为1.77亿吨。整个生产过程中，采摘过程极为重要，因为在采摘过程中会耗费大量的人力物力，果蔬市场的竞争力取决于生产成本，直接影响到番茄的市场价值。我们都知道我国的老年人人口占比加剧，干农活的人口也随之加剧减少，低效率的人工采摘势必导致采摘成本越来越高，并且随着规模化、工厂化种植业的盛行，以往的人工采摘作业费时耗力效率低3，这也致使农业机器人成为农业自动化研究主要方向。因为设计出的农业机器人它能提高农作物采摘的效率，同时解决劳动力人口欠缺问题

12、，减轻劳动工人的工作重担，降低作物生产成本，而且可以改变农业生产模式，实现农业生产精准而高效的因此开发农业机器人是非常有必要的。但是，我国的农业采摘机器人还未实现真正的工业化，批量化生产，大都停留在实验阶段，要想实现规模生产还需一定的努力进行科研在技术上取得有效的突破。与欧洲等一些国家相比，他们具有大片平原地区，人均用地大大超过我国，多为大片相连种植地区，实现规模化采摘较容易。而我国地形相对复杂，在研究和采摘机器人时需要加大考虑对环境适应的要求，进而在研究成本和能符合要求的机器人极其为困难。在这种大环境下，需要我们国家的科研团队追求卓越，争取在研究上取得成功。目前，我国对于农业机器人研发主要从

13、两个方面进行发展。其中一个方向是研究类似于机械手的机器人，此种机器人不会移动，但它被地形限制影响程度较低，在采摘作业时需要考虑作业对象的的受力情况，生物情况等因素;比如说通常以植物果实、秧苗等质量较轻的个体作为作业对象，另一种是大力发展较为智能的采摘机器人，此类采摘机器人能够自动行走并进行采摘作业，但是这将需要设计的机器人系统能够独立进行路径规划、智能避障、精准定位和稳定的系统控制等一系列功能4。比如说，投入生产的机械产品有插秧机，施肥种植等大型设备。不管是哪个方面在产品研发和设计成型并投入生产的道路上，它都需要我们的科技人员投入大量心血，尽早打破科研瓶颈，只有攻克了技术方面的问题，我们的农业

14、机器人发展才会向前进走一大步。同时我们的农业设备也会更加简洁效率更高，出售价格也会相对便宜，最终让农业机器人在我国得到广泛应用。番茄采摘机器人采摘番茄大都是在排式种植园为作业环境，并且采摘的成熟番茄大都比较脆弱，采摘过程必须精准定位识别果实，采摘机器人自主导航移动系统移动、机械手需要能够自动控制等智能化操作。这需要大量的机械原理、图像识别与处理、电子技术、机械设计，机器人学等多学科领域专业知识的交叉，考虑到我国的具体情况，在番茄采摘机器人技术研究方面，将会为我国智能化番茄采摘作业提供理论支撑具有重要的理论价值和实际意义5。1.2 国内外采摘机器人的发展现状及趋势1.2.1国外采摘机器人的发展

15、随着技术的不断进步，像日本和一些其他发达国家（荷兰、美国等）早就在80年代开始对机器人进行了一系列的研究，比如有：苹果、草莓、黄瓜等。并且也一定的成就，在1984年这些国家就研发了番茄采摘机器人，它是机械手的类型为关节型机器人。发展到90年代，这个团队又研发一种总体结构具有七个自由度的番茄采摘机器人，这是机器人功能比较完备，具有如下几个装置:行走装置、采摘伸缩装置、视觉系统、控制系统。行走装置是采用四轮传动结构，它的功能实现过程就是通过光电传感器检测整个装置是否需要避障，它的视觉装置采用彩色摄像机进行识别番茄，彩色摄像机可以识别番茄红色和青色从而进行系统反馈；采摘装置它是由机械臂和手爪两部分组成，并且它设计了带有软衬垫似的手爪就是为了避免在采摘过程中避免果实损伤。在2004这一年，美国一家机械公司生产了一款大型整串农业机械设备，它的工作过程先将番茄枝蔓切割然后送入它的一个分选装置，装置里包含光谱识别能检测成熟的番茄，这样就能将成熟的番茄和没有成熟的番茄