水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄒永+郭艦+袁澤辰+邱家興+徐昊+謝佳旗

摘 要：在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展極具迅速的時(shí)代，對(duì)水果的分類和采摘也成為了熱議的話題，利用先進(jìn)的技術(shù)，減少人力和物力，對(duì)多種水果進(jìn)行分類及采摘。我們提出了水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車的初步設(shè)計(jì)。了解水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車的設(shè)計(jì)背景、結(jié)構(gòu)及工作流程，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，并進(jìn)行設(shè)計(jì)。水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車不僅提高了采摘效率，而且降低了損傷率，節(jié)省了人工成本，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，因此，提高采摘作業(yè)機(jī)械化程度具有重要意義。隨著農(nóng)業(yè)從業(yè)者的減少及老齡化趨勢(shì)的不斷加大，水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車的開發(fā)利用具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景，水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車對(duì)未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展將起到積極作用。

關(guān)鍵詞：水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車；自動(dòng)采摘識(shí)別；機(jī)械臂識(shí)別；初步設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）01-0119-02

Abstract： In the era of rapid development of modern society， the classification and picking of fruits has also become a hot topic. Using advanced technology， reducing manpower and material resources to classify and pick a variety of fruits， we put forward the preliminary design of the small mechanical vehicle for automatic fruit picking. To understand the design background， structure and work flow of the fruit automatic picking small mechanical vehicle， the structure of the movement analysis and design. Automatic fruit picking small mechanical vehicles not only improve the picking efficiency， but also reduce the damage rate， save labor costs， improve the economic benefits of fruit farmers， so it is of great significance to improve the degree of mechanization of picking operations. With the decrease of agricultural practitioners and the increasing trend of aging， the development and utilization of small mechanical vehicles for automatic fruit picking has great economic benefits and broad market prospects. Automatic fruit picking small mechanical vehicles will play a positive role in the future development of agriculture.

Keywords： small automatic fruit-picking mechanical vehicle； automatic picking identification； mechanical arm identification； preliminary design

1 概述

水果種植業(yè)的迅速發(fā)展提升了果園機(jī)械的市場(chǎng)需求。采摘作業(yè)所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過程所用勞動(dòng)力的33%～50%，采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強(qiáng)，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動(dòng)量大，而且容易造成果實(shí)的損傷，直接影響到水果的品質(zhì)。因而要實(shí)現(xiàn)水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車對(duì)水果的收獲，關(guān)鍵是要從果樹中識(shí)別出水果并確定水果的準(zhǔn)確空間位置，以便為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)提供參數(shù)，完成水果的采摘。

隨著社會(huì)的發(fā)展，自動(dòng)化應(yīng)用更加接近于我們的生活，在生活中，對(duì)于水果的分類和采摘就成為熱議的話題。水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車不僅僅要能夠從背景中檢測(cè)出樹上的水果，而且要能夠?qū)σ晥?chǎng)中的水果進(jìn)行空間定位，從而指導(dǎo)自身的末端執(zhí)行器件完成水果采摘作業(yè)。樹上水果通常采用雙目相機(jī)和多目相機(jī)，通過多視幾何方法和立體匹配技術(shù)進(jìn)行空間定位；也有一些工作通過結(jié)合相機(jī)和其他距離傳感技術(shù)來進(jìn)行空間定位。

2 水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車基本結(jié)構(gòu)及履帶設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1 性能指標(biāo)

（1）水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車設(shè)計(jì)用于采摘水果，機(jī)械手臂可以180度旋轉(zhuǎn)，摘取距離260mm直徑≤70mm的物體。（2）可以自動(dòng)避開前方大型路障，并能輕松跨越路面坑洼，車身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。（3）可以持續(xù)工作3h。（4）正常工作載重2kg，最大載重2.5kg。

實(shí)現(xiàn)行走的部件是履帶，履帶適應(yīng)各種復(fù)雜路況，快速準(zhǔn)確地判斷路況信息，從而實(shí)現(xiàn)行走，機(jī)械手臂能夠主要通過顏色傳感器和紅外線傳感器進(jìn)行位置判斷識(shí)別。

2.2 水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)分為二部分，履帶輪和機(jī)械手臂。兩部分的組合完成對(duì)水果的準(zhǔn)確識(shí)別摘取。作為水果自動(dòng)分采的主要組成部分，履帶輪的主副輪及其配件均采用鋁制，具有材料輕韌性好便于加工等諸多好處，履帶采用橡膠材質(zhì)，具有韌性并具有較大摩擦力。并裝配了傳感器和紅外線傳感器，能通過傳感器反饋信息，通過數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)做出相應(yīng)反應(yīng)。我們之所以選擇履帶而沒有選擇輪式，因?yàn)槁膸Ц軌蜻m應(yīng)復(fù)雜路況，動(dòng)力相對(duì)較大，比較穩(wěn)定，水果采摘可能在不同環(huán)境，不同路況，履帶對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。endprint

2.3 履帶輪輪距以及履帶尺寸的確定

我們?cè)O(shè)計(jì)的水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車的一對(duì)底部履帶輪各使用了一個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用電動(dòng)機(jī)與主動(dòng)輪之間直接使用聯(lián)軸器的方式將動(dòng)力從電機(jī)軸傳遞給主動(dòng)輪。采用電動(dòng)機(jī)與主動(dòng)輪之間直接使用聯(lián)軸器的目的是動(dòng)力輸出大，之間的損耗小并且履帶輪在工作時(shí)可能需要翻越小石子等小型障礙物，需要足夠的輸出馬力才能完成。而平地行走時(shí)則依靠自身馬力完成運(yùn)動(dòng)。

2.4 水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車受力分析及電機(jī)選擇

預(yù)計(jì)水果采摘車車體重量6.5kg～7kg，設(shè)水果采摘車的最大載荷為7kg。

水果采摘車的底座履帶輪關(guān)于水平中心軸線對(duì)稱，因而它負(fù)重的一半能通過計(jì)算推斷出來。水果采摘車一半的自由體受力在如圖1表示。

2.5 水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車電動(dòng)機(jī)選擇及其計(jì)算

Fn和G分別是單側(cè)履帶輪的支撐力與重力。f是履帶輪與地面之間的摩擦力，速度方向v與牽引力F方向一致都是水平向右，單側(cè)履帶輪總體平衡方程的推導(dǎo)如下：

其中m是水果采摘車質(zhì)量的一半。

此外，我們需要使小車在最大負(fù)載時(shí)的速度保持為0.02m/s，所以其功率的計(jì)算公式為：

摩擦力：f=？滋mg=1×3.5×10=35N

牽引力：F=f=35N

功率：P=FV=35N×0.06m/s=2.1w

主動(dòng)輪所需的最大扭矩為

T=■=■=0.6685Nm

齒輪傳動(dòng)效率分別為η=0.96，聯(lián)軸器的效率為η=0.98

則電動(dòng)機(jī)輸出功率為Pd=■=2.23W

那么，該水果自動(dòng)采摘小型機(jī)械車的履帶驅(qū)動(dòng)所需的電動(dòng)機(jī)功率為2.23W，對(duì)已有電機(jī)進(jìn)行篩選，可選擇的電動(dòng)機(jī)如表1所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)顯示，以及我們所需參數(shù)我們最后選擇“GM25-37-24140-75-14.5D10”為我們所用履帶傳動(dòng)電機(jī)。

2.6 機(jī)械手臂理論設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂整體為鋁合金，同樣是質(zhì)量輕工藝性好，整個(gè)手臂分為三段，可以實(shí)現(xiàn)180度旋轉(zhuǎn)。機(jī)械手臂采用Arduino控制器，對(duì)手臂動(dòng)作進(jìn)行編程。手臂通過顏色傳感器識(shí)別物體，由紅外線傳感器進(jìn)行距離的分析，從而準(zhǔn)確無誤的摘取。

材料選擇：機(jī)械手臂材料使用亞格力板；手臂以及旋轉(zhuǎn)底座使用鋁合金材料完成。

電源選擇：7.4V直流電源。

電機(jī)選擇：因機(jī)械手臂設(shè)計(jì)重量為3kg～3.5kg，抓取最大物體后重量約為4kg，所以我們需使用大扭矩以及旋轉(zhuǎn)范圍在0°～180°之間，所以我們選擇了型號(hào)為L(zhǎng)D-20MG的舵機(jī)進(jìn)行運(yùn)作機(jī)械臂。下圖為舵機(jī)分布圖，1、2、3、4、5、6分別為舵機(jī)標(biāo)號(hào)。

控制系統(tǒng)：舵機(jī)控制板以及Arduino LEONARDO控制器進(jìn)行控制機(jī)械臂識(shí)別運(yùn)作。

傳感器選擇：顏色傳感器和紅外測(cè)距傳感器。

3 結(jié)束語

在分析現(xiàn)在水果采摘行業(yè)的優(yōu)缺點(diǎn)情況下，該水果采摘機(jī)器人操作容易、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。可適用于各種場(chǎng)地的采摘，采用履帶可以使用山地、坡地等各種復(fù)雜環(huán)境，提高效率、減少勞動(dòng)量，保護(hù)果實(shí)的完整性。大部分由簡(jiǎn)單部件組成，易于生產(chǎn)。履帶輪的主副輪及相對(duì)應(yīng)配件均是鋁制，履帶材料為橡膠，車體為亞格力板，機(jī)械臂同樣是鋁制，機(jī)械手為亞格力板，車身整體都采用輕質(zhì)材料，便于攜帶且車身不大，可形成產(chǎn)業(yè)大批量生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)低成本制造，經(jīng)濟(jì)合理，適合普及推廣。

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