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水果采摘辅助装置的设计及思维方式
目录
一、背景.................................................................................................. 错误！未定义书签。 二、水果采摘机械手研究目的和意义.................................................. 错误！未定义书签。 三、柑橘采摘机械手的结构设计.......................................................... 错误！未定义书签。
3.1结构示意图 ................................................................................ 错误！未定义书签。 3.2机械手大小臂长度的确定 ........................................................ 错误！未定义书签。 四、基于果园环境的机械手CAD模拟 ................................................. 错误！未定义书签。 五、思维方法及思维过程...................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ................................................................................................................................... 6
水果采摘辅助装置的设计及思维方式
水果采摘机械手装置设计及思维方式
一、背景
近年来，随着全国经济的持续发展，人们对果蔬的需求越来越大。在我国的果蔬生产中，柑橘生产所的占比重日益增大。而在整个柑橘生产活动中，柑橘的采摘所占的工作量十分巨大。除此之外，水果采摘质量的好坏还将直接影响到水果的保鲜储藏，运输配送等后续工作，并最终将严重影响到经济效益。如果继续延续原始的手工采摘，不仅工作环境十分的艰苦，效率低下，而且水果采摘质量也得不到保障，更甚至时有采摘工作者在采摘过程中因为环境的复杂不小心从树上摔下而受伤的事故发生。为了适应当代果蔬经济的发展，设计一种多自由度，满足工作空间的小型柑橘采摘机械手对实现农业自动化和提高经济效益具有重要意义。
二、水果采摘机械手研究目的和意义
在当今日新月异的社会浪潮中，社会生产种类日益多样化。为了适应时代的发展，实现生产自动化，各种机械手已经逐渐替代人工劳动力出现在不同的工作岗位上。其目的和意义:
一、将人类从枯燥单调的社会生产活动中解放出来。长时间的单一重复的工作不仅很容易使人疲劳，而且长就的往往会给人带来一定的身体伤害，用机械手代替劳动力，可以将人类从枯燥单调的社会生产活动中解放出来。
二、代替人类劳动力从事危险的社会生产活动。水果采摘作为一项户外生产活动，往往会存在着一些不可预知的危险，实施人工采摘容易发生意外事故。而机器人机械手的投入使用可以提前将那些隐藏的危险提前触发或者发现，更甚者可以提前排除那些隐藏的危险，为工作人员的进一步工作提供良好的环境。
三、极大的提高生产效率。生产效率的保证是一项社会生产活动健康进行的重要指标。机械手用可以长时间精准的运转，不仅极大的提高了效率，而且采摘质量也得到了保证。
水果采摘辅助装置的设计及思维方式
三、柑橘采摘机械手的结构设计
3.1结构示意图
为了实现柑橘果实采摘活动，并在满足工作条件的情况下有尽可能大的工作空间，机械手必须满足俯仰，旋转等运动，所以机械手必须是多自由度的。图1为其简易结构示意图。
图1 柑橘采摘机械手简易结构示意图
在图1中，1是控制计算机；2是底座；3是腰部；4是大臂；5是小臂。在采摘过程中，机械手在伺服电机的带动下，通过腰部的旋转，大小臂的俯仰将机械手的末端定位到所需要采摘的柑橘位置，然后通过末端的执行机构实现果实的采摘。
3.2机械手大小臂长度的确定
柑橘作为南方特有的一种常绿小乔木，树高通常在近两米左右。在果园种植时，一般采取4×6m的种植间距，且经过科学修剪，果实一般都结在距地面一米到两米的范围之内，如图 2-2。在使用机械手实施采摘生产活动者，为了能成功采摘到树上的果实，机械手必须满足一定的尺寸要求。参考国内外果实采摘机械人的成功案列，先大致确定机械手大臂长度L1=600mm,小臂长度L2=500mm
水果采摘辅助装置的设计及思维方式
四、基于果园环境的机械手CAD模拟
模拟原则：假设机械手是安装在履带式的行走机构上，在采摘过程中，当行走机构带着机械手靠近果树边沿时，要使机械手能成功采摘到果树上的所有成熟果实，在腰部旋转机构固定时，必须使其工作空间能够覆盖其半剖面，如图2-1。
图 2-1果实分布图
根据柑橘树的径冠具体参数，确定图 2中，A点坐标(1100，1000)，B点坐标(100，0)，C点坐标(1100，0)。（单位：mm）
模拟过程：
（1）在CAD工作空间内，先假设机械手的初始位置，大臂与横坐标轴的初始夹角为零，小臂与纵坐标的初始夹角为60°。
（2）初步假设关节处电机的转角范围均为180°，并以各关节处为原点，先以大臂长为半径画半圆即大臂的运动范围。
（3）在大臂运动范围，让大臂绕原点（关节1）逐次均匀转动一定角度，然后在各个角度让小臂绕关节2画半圆(小臂运动范围)，最后得出机械手末端的运动范围。
（4）将步骤三得出的机械手工作空间向上移动一定高度(h=1000mm)，得出机械手最终的总工作空间，图 2-2