機械工程學院2018畢業設計答辯一種水果采摘機械手設計

指導教師：

答辯人：班級：機械卓越141班主要內容選題的背景及意義課題研究的方案與問題課題研究的成果設計的可行性課題研究的結論1選題的背景及意義

我國作為世界上最大的水果產地，蘋果作為比較常見的水果之一，在國內的種植比較普遍，但是大多數的果農依然對蘋果進行人工采摘，既費時又費力。選題的背景1選題的背景及意義選題的意義機器人作為當下較火的一個研究課題，采摘機器人的研究也是很有必要的，對于實現水果產業鏈自動化有著重要的影響。節省勞動力，提高采摘效率，推動水果產業的發展。2課題研究的方案與問題總的思路與方法通過查閱相關文獻，參考前人所設計的采摘機械手與采摘機器人，結合果樹的生長環境，提出自己的設計方案。設計結果要求能夠達到采摘的基本要求，且結構簡單、操作方便、運行穩定、價格經濟實惠。2課題研究的方案與問題設計問題1設計問題3設計問題4設計問題2采摘機器人最重要的就是能夠摘到目標果實，對目標果實的定位方式和采摘方式是哪種？采摘機械手的作業范圍能否覆蓋果實整個生長范圍？機械手采摘果實時是否會損傷果實和果樹？采摘機器人的工作效率如何？采摘周期的長短和機械手的路徑規劃與結構設計密切相關。2課題研究的方案與問題利用雙目識別攝像機對目標果實進行識別。QUESTION1QUESTION2QUESTION3QUESTION4解決方案通過圖解法對采摘機械手的機械臂長度進行設計。利用傳感器和反饋控制系統對末端執行器進行控制。對機械手的主要動作和動力裝置進行設計以提高效率。3課題研究的成果

通過調查和學習，首先確定了采摘機械手的總體自由度和基本的結構方案，采用5自由度的關節型機械手。一般的，要使機械手能夠達到空間的任意位置，需要6個自由度，而本設計中，為了簡化結構，在滿足要求的前提下，配合采摘機器人的行走機構，足以達到水果采摘的要求。采摘機器人結構簡圖3課題研究的成果機械臂尺寸綜合

通過對果樹生長狀況的分析，建立了如圖的果樹橫截面與機械手工作空間模型，利用CAD進行圖解，得到了滿足工作空間要求的各機械臂基本長度。根據此長度設計各機械臂的尺寸。3課題研究的成果末端執行器設計

首先從機械手的末端執行器設計開始。在參考文獻資料后選擇了兩爪抓取的方式，通過電機驅動齒輪并由齒輪傳動實現兩爪的對稱動作。齒輪傳動結構簡單，損壞之后易于更換。爪由金屬材料和橡膠配合設計，橡膠的功能主要是保護蘋果，避免果皮與金屬接觸，還可以增加摩擦力，提高果實采摘成功率。3課題研究的成果末端機械手結構

為保證能夠靈活的抓取果實，在末端機械手部分分配了另外兩個自由度，可以通過兩個旋轉實現多方位的抓取，還能通過旋轉方式實現擰斷采摘。此外，在爪中還加有電阻式應變片，用來測量并穩定抓取力的大小。3課題研究的成果伸縮桿設計

自動伸縮桿的設計能夠讓末端執行器通過直線直接運動到目標果實的附近，而不是只能弧線運動過去，提高了機械手的避障能力，增加了成功率。伸縮的范圍為400mm。3課題研究的成果大臂和最低臂設計

根據圖解尺寸設計出其余的關節長度，由于大臂過長，在設計上加了兩桿和動力源輔助大臂，可減輕大臂電機的負載，增加電機和零件壽命。降低對零件的強度等的要求。大臂設計為中空結構，減輕零件本身的重量。3課題研究的成果目標識別系統設計

為使得機器人能夠順利地識別并采摘到果實，采用了雙目識別攝像機來進行目標識別，計算出的三維坐標來控制機械手的同時，還控制整個采摘機器人的行走。3課題研究的成果機器人行走機構

簡單設計了機器人的行走機構，采用四輪驅動，保證了車行走和采摘過程中的穩定性。設計了彈簧減震結構，增加了采摘機器人的越野能力。前輪實現轉向，后輪驅動。3課題研究的成果各驅動電機型號

在設計完成后，根據設計情況，對每個動力源進行了選型，具體的選型數據如表。4設計的可行性機械手的整個采摘流程圖4設計的可行性該采摘機器人不僅能實現平穩的在果園中采摘蘋果，對于其他如桃子，梨等果皮較硬的果實均可采摘，且作業范圍廣，能覆蓋大多數果樹的生長空間。采摘機器人整體設計圖5課題研究的結論本設計完全能夠實現采摘蘋果的要求，雙目識別系統能夠精確的識別出目標的空間位置。CAD圖解對機械臂的長度求解和末端執行器的兩個自由度保證了機械手能夠完全覆蓋果實的生長范圍。橡膠材料和力敏傳感器以及反饋控制系統能雙重保證采摘時機械手不會破壞果實。選擇電機驅動且優化了機械臂的避障能力，能夠很好地減小機械手的采摘周期，提高采摘效率。5課題研究的結論本設計的特點1.利用伸縮桿提高避障能力。2.利用彈簧減震提高整個機構越野能力。3.大臂采用了雙電機驅動四桿機構，降低了機構對零件的要求，延長了零件壽命。本設計的缺點1.對于電源