番茄采摘自动装置设计及仿真-采摘机械手【三维PROE模型】.zip

I目 录摘 要.IIAbstract.III第 1 章 绪论.11.1 研究背景及意义.11.2 国内外研究及发展现状.1第 2 章 总体方案设计.22.1 设计参数.22.1.1 设计技术参数.22.2 方案选定.22.2.1 车体方案设计.22.2.2 手臂方案设计.22.2.3 手抓方案设计.32.2.4 驱动方案的选择.32.3 工作原理分析.42.3.1 车体传动机构工作原理.42.3.2 手臂工作原理.42.3.3 手抓工作原理.5第 3 章 零部件的设计与选择.63.1 行驶小车设计.63.1.1 主电机的选择.63.1.2 驱动齿轮传动设计.83.1.3 驱动轴及轴承、键的设计.123.1.4 车轮设计.163.2 手臂部分设计.163.2.1 电机的选择.163.2.2 大臂的静力学分析.203.2.3 小臂的静力学分析.213.2.4 尺寸结构设计.243.2.5 回转底座的设计.243.3 手抓设计.253.3.1 电动机的选择.253.3.2 末端夹持器设计.273.3.3 手抓结构设计.28II3.3.4 手抓支架的设计.29第 4 章 基于 SolidWorks 的三维设计.304.1 SolidWorks 三维设计软件概述.304.2 三维设计.314.2.1 车体.314.2.2 主驱动轮.314.2.3 臂部回转机构.314.2.4 手臂、手抓.324.2.5 三维装配.32第 5 章 基于 MATLAB 的仿真分析.345.1 MATLAB 软件概述.345.2 MATLAB 仿真分析.34总 结.35参考文献.36致 谢.37III摘 要番茄种植业的发展提高了果园机械市场的需求，为了节约人力物力，提高果农的经济效益，开展采摘器械的研究有重要的意义。番茄采摘机是一种极具研究价值和应用前景的农用地面移动采摘装置， 本论文对具有移动功能的采摘机进行了总体技术的研究，并主要对其车体结构部分、手臂部分、手抓部分进行了详细的设计。本文首先，通过功能和设计任务的分析，确立了番茄采摘机总体功能构架 ； 接着，对本采摘机车体结构部分、手臂部分、手抓部分进行了详细设计与校核并采用SolidWorks 软件进行三维设计；然后，采用 MATLAB 进行仿真分析，确保番茄采摘机结构最优，效率最高，性能最优；最后采用 AtuoCAD 软件绘制了采摘机的装配图及主要零件图。通过本次设计， 对大学所学专业知识在理论结合实际的锻炼下加深了知识的理解，对今后的工作必定带来很大帮助。关键词：关键词：番茄；采摘；手臂；手抓；车体IVAbstractThe development of tomato planting industry has increased the demand of orchard machinery market. In order to save manpower and material resources and improve the economic benefits of fruit growers, it is of great significance to carry out research on harvesting instruments. Tomato picker is a kind of farmland mobile picking device with great research value and application prospect. In this paper, the overall technology of the picking machine with mobile function is studied, and its body structure, arm and hand grasp are designed in detail.Firstly, through the analysis of functions and design tasks, the overall functional framework of tomato harvester is established; secondly, the structure, arm and grasp parts of the picking locomotive are designed and checked in detail, and the three-dimensional design is carried out by SolidWorks software; secondly, the simulation analysis is carried out by using MATLAB to ensure the optimum structure, the highest efficiency and the best performance of the tomato harvester. Finally, the assembly drawings and main parts drawings of the picking machine are drawn by using Atuo CAD software.Through this design, we can deepen the understanding of knowledge under the practice of combining theory with practice, which will certainly bring great help to the future work.Key words: Tomato; Picking; Arm; Grasp; Car Body1第 1 章 绪论1.1 研究背景及意义番茄种植业的发展提高了果园机械市场的需求。在整个生产中，由采摘果实所耗费的劳动力占据整个生产过程的 5070。采摘作业季节性相对强，传统人工采摘的方式不仅仅易造成果实损伤。同时，采摘不及时将会导致经济上的损失。农业劳动力向其他行业转移，人员缺乏，随着老龄化的增长，生产成本不断提高，降低了人们的种植积极性，果园种植业的发展受到了制约。为了节约人力物力，提高果农的经济效益，开展采摘器械的研究有重要的意义。1.2 国内外研究及发展现状采摘装置是二十世纪人类最伟大的发明之一。人类对于机器入的研究由来已久，但直到上世纪 50、60 年代，随着机构理论和数控伺服技术的发展才真正进入实用化。上世纪 70 年代后，计算机技术、控靠 q 技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，采摘装置技术也随之进入高速发展阶段，并发展成为集机械、电子、控制和计算机技术的一项综合技术。番茄和蔬菜的采摘采摘装置的研究始于 20 世纪 60 年代，在 20 世纪的美国，用于收割方法主要是机械和气动摇晃摇晃风格。缺点是番茄的脆弱性，效率不高，是不是特别有选择性的收获， 存在很大的局限性采摘柔软， 新鲜番茄和蔬菜方面。 但此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是在工业采摘装置，日益成熟的计算机图像处理技术和人工智能技术，采摘采摘装置的研究和技术开发得到了快速发展。目前，日本，荷兰，法国，英国，意大利，美国，以色列，西班牙等国相继推出的番茄和蔬菜采摘采摘装置方面的研究相关的研究主要橘子， 番茄， 西红柿， 樱桃西红柿， 芦笋，黄瓜，甜瓜，葡萄，甘蓝，菊花，草莓，蘑菇等，但这些收益还没有真正商业化经营的采摘装置。研究农业采摘装置领域起步相对较晚，但近几年的快速发展，也已经有很多的研究。张剑峰，董剑，张志勇，如自适应鲁棒跟踪控制算法采摘采摘装置设计;采摘装置视觉传感器设计立体的中国农业大学，刘兆祥，刘刚，谁捡到了番茄方面江苏大学蔡健荣三维信息，例如恢复的障碍，为柑橘采摘采摘装置障碍识别技术的研究;南京农业大学工学院和夺权的番茄和蔬菜研究技术姬长英王学林外环控制。在国内，番茄采摘由人工来完成，采摘效率低、采摘人员劳动强度大、工作环境差。目前对番茄采摘机的报道比较少，最近国内也有一些采摘机具的专利，如坚果采摘机， 这些专利能在一定程度上减轻采摘人员的劳动强度， 改变采摘人员的工作环境 ；但大多结构简单，所以未从根本上解决采摘难度，效率低等问题。2第 2 章 总体方案设计2.1 设计参数2.1.1 设计技术参数设计一可用于地面栽培方式的番茄采摘自动装置，主要技术指标包括：采摘空间约 600mm1000mm1200mm，行走速度最大 3Km/h，具有灵活性和可操作性。2.2 方案选定2.2.1 车体方案设计本次设计的番茄采摘机车体结构采用的四轮结构，总体设计方案如图 2-1 所示。采摘装置的车体的驱动轮作为移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了采摘装置运动灵活性。采摘装置车体左右两边驱动轮各有永磁式直流电机驱动， 通过控制系统协调配合，控制前轴和后轴的速度、力矩，可实现原地 360转向，前进时的自由转向，随时调解爬坡时的力矩大小。在车体主驱动轮前端是惯性轴，与主动轴配合，保证采摘装置运动的平稳。图2-1 番茄采摘机车体结构组成2.2.2 手臂方案设计本次设计的机械手要求：机械手臂可实现五个自由度，分别是腰部回转，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕摆动和手腕回转，并且采用关节式结构，因此选定的设计方案如下：其由三个电机驱动关节转动实现机械手臂上下移动， 手臂整体回转有底部回转电3机实现；机械手爪具有 2 个自由度，分别是手爪回转，手爪夹持；手爪回转由电机驱动，手爪夹持由电动推杆的正反接实现。2.2.3 手抓方案设计目前，实现采摘的主要途径有以下几种：（1）采用吸盘牢牢地吸住了番茄，然后用剪刀等工具切割茎秆这种方法需要一个很好的位置来检测和准确的调整端部执行器的姿态， 从而增大控制系统和机制的复杂性的困难。（2）使用剪刀剪开茎，秆这个方法需要一个好的位置，以检测并精确地调节到致动器的姿势的末端，从而增加了系统的复杂性和控制机构的难度。（3）用激光切割，该方法还要求具有良好的检测秆制成的高要求的视觉系统中的位置。（4）人工采摘番茄，轻轻握住番茄，食指按住秆，然后向上提起，使果柄与果枝部位从离层断开，轻轻取出番茄。为了确保番茄采摘后完好无损，采用剪开茎的方式较理想，因此通过剪刀剪开茎的方式，并且把剪刀刃口设置在手抓开口部位，手抓合上包裹住西红柿的同时把番茄柄剪断，这种方法简单，视觉系统要求也不高。2.2.4 驱动方案的选择目前这类机械手的驱动源主要是采用气压驱动、电驱动、液压驱动这三种10。（1）气动压力是一个压缩空气驱动系统来驱动致动器的运动，空气压缩机通常被用作动力源。气动驱动器过载安全，结构简单，污染少，成本低，通过调节空气流量，可以实现无级变速，但大尺寸设备的运行速度不稳定，定位精度不高，抓小举行力。（2）液压驱动系统来驱动流体压力致动器的输出力来驱动系统的稳定，固有的高效率，响应速度快，速度很简单，可以在很宽的范围内无级调速，便于适应不同的工作要求，顺利实现传输，可以吸收冲击力可以实现更加频繁和换向平稳，但容易漏油，污染，高成本，高定位精度比空气，但比电机低，流体温度和粘度变化影响传输性能。（3）电动驱动模式包括步进电机，直流伺服电机，交流伺服电机和步进电机和力矩电机等驱动器类型。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或开环控制元件的线性位移，具有控制简单，响应速度快，可靠，无累积误差等。伺服电机转子惯量，良好的动态特性， 采摘装置由一个伺服电机驱动系统的构成与运行精度高， 调速范围广，速度快，运行平稳，可靠性高，易于控制等特点。基于步进电机的这些优点本设计中采用步进电机驱动。综合上述 2.2.12.2.4 提出的方案可以得到本次设计的番茄采摘自动装置总体方4案如下图 2-2 所示。其五个自由度分别通过 1、2、3、4、5 各机构实现：1、腰部回转；2、大臂俯仰；3、小臂俯仰；4、手腕俯仰；5、手腕回转。其中 2