机械手在苹果采摘中的应用设计

机械手在苹果采摘中的应用设计

邓月雄

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摘要  在设计初期，需要进行深入的市场调研，考察市场现状、产品水平以及应用前景。此外，还需要实地调查市场中现有的苹果采摘机械手，评估其性能和结构，为后续的设计和研发工作打下坚实的基础。这款采摘机械手由电动机控制，具备剪断树枝和抓拽树枝的功能，并能根据实际情况自动调整与目标的距离。接下来，我们对主要零部件进行强度校验，以确保设计的可行性和可靠性。最后，面向大规模生产，我们利用CAD绘图软件制作了该产品的零件图纸和装配图纸，以完成整个设计过程。

关键词：苹果，手持式，机械手，电机驱动，强度校核

第一章 引言

1.1 课题研究背景及来源

随着经济的发展和社会的发展，人民的物质生活质量和对健康的要求也随之提升，以水果为主要的健康食物已经成为当前我国食物的主要组成部分。近年来，果树的发展逐渐成了很多农户的第二个主要的选择，因此，我国的果树面积和各种品种的果实数量都出现了明显的增加，因此，果树生产也逐渐繁荣起来。特别是1978年以来，随着中国农村经济的快速发展，中国的果品生产从一九九七年跃居全球首位。而苹果的发展也让人欢欣鼓舞，在2012，苹果种植的土地面积达23万亩，年产苹果380万吨，占据了世界上一半的苹果，几乎占据了世界上苹果的一半，也就意味着中国将会是世界上最大的苹果生产、出口和消费市场。目前，中国的苹果生产区域分布在渤海地区，黄土高原地区，黄河古道地区，西南冷凉高原地区。

1.2 国内外研究进展

日本冈山大学于一九九三年开发出番茄采集机械手，追随美国的步伐。在1-1中可以看到。与美国的第一款相比，这款采集机械手使用了一个七个自由度的更加精密的机械手臂。这种采集机械手使用了 CCD相机，能够精确地感知到果实的成熟期，并且能够根据眼睛的角度来精确地确定果子的位置，并根据果子的大小来确定果子的大小，最后用手指将果子的尖端给固定住，再用手腕将其扭下来。该采集机械手从认出到采集只需要15秒钟，成功率为75%。这种采集机械手的最大问题是：一是无法分辨出树叶后面的番茄，二是因为它的机械手很难将被遮蔽的果实摘下来。

陆怀民在东北林学院进行了树形果实采集系统的实验。因为球果的特殊生长环境，所以它的收获机和一般的收获机都不一样，它的收获量可以达到6米，相比手工采收，它的收获量要高出30~50倍。为便于大型机器主体的步行，使用液压动力的履带行走装置。其主要缺陷：由于使用了手动操作，使得其自动化程度低，体积庞大，造成了高能量消耗。

1.3 研究内容及意义

在国内，苹果的种植和生产占有很大比例，在国内的产量和产值中名列第四，全球每年的苹果产量和面积都占到了全球50%以上。由于全球各地的果树栽培迅速发展，带动了果树产业对采收机器的需求量，带动了市场的发展，带动了果树采收设备的发展。在我国的果树种植中，人工劳动是最重要的一种，根据有关部门的数据，在整个果树的产量中，人力所造成的损失约为50%至70%。另外，由于人力的限制，工作的时间越长，果实受损的概率也就越大，另一方面，随着经济的发展，国家的发展，人口的大量减少，劳动力的大量外流，使得现有的劳动力的价格越来越高，使得果树的成本越来越高，公司和农民的压力越来越大，而水果的发展也越来越慢，所以，想要持续发展，提高盈利空间、市场份额，大力促进研发新型采摘机械手已成为行业刚需。

第二章 苹果采摘机械手总体方案设计

2.1 设计内容

(1)采收设备：快速、精确、可靠地采集苹果；

(2)可伸缩的机械手：可使胳膊伸展；

(3)手持式装置：提高采集机械手的稳定性，减少操作人员的腕部的疲劳。

苹果树的生理特性和有关资料

在采集机械手的设计中，应充分利用其生物特性，例如：大小、高度等。

我国的苹果生产区域分为渤海、中原、西北三大区域。本文将对上述三个地区的苹果栽培状况进行统计与统计。

2.2 采摘机械手末端执行器的选择

终端操纵杆是一种与苹果的采收机械手进行操作的执行器，其结构的好坏对整个采收机械手的工作和品质有很大的关系，所以必须要有一种可以大幅度提高采收作业的速度，减少作业时间，从而减少生产费用，提高利润，从而达到以下的作用：

(1)采用挠性加工工艺，以防止对苹果的表层造成损害，减少对苹果的破坏；

(2)对命令做出反应，减少工作时间，增加工作的生产力；

(3)适用范围广，可适用于各种大小的苹果；

目前，苹果采收机械手的终端操作机构可分为三类：

(1)牵引采集机

当前市面上销售的终端收获机多为两个或三个手指的机械式。该系统采用人工仿生技术，具有结构简便、易于实现的特点。不过，由于采用拖拉的方法，所带来的牵引力会与苹果的正面碰撞，很可能会对苹果的表皮造成伤害。

(2)吸收型尾矿机

吸收型尾收机对对象的生物特性有一定的限制，仅适合于外形比较平滑、质地比较硬的苹果。按其工作机理，可将其分成两类：磁性和真空。因为材质的缘故，我们在摘果时采取了真空法，它的工作原理是通过将与其接触面的气体排出，从而使其吸收，所以必须配备一台体积大的真空泵，它的可移性和制作费用都很高。

(3)剪断型截割机

最简易的剪断机的主体部件为：用于苹果的紧固机构和用于对果梗进行切割加工的剪断机。该夹紧机构将该苹果紧贴在其上，以避免其脱落，再将其放入储物设备中，该剪刀机构便可将该苹果从枝条中分开，也就是该过程。

根据以上三种类型的操作方式及优点，本文设计了一种手持型采收机械手，该机械手采用了一种新型的操作方式，该操作方式采用了一种新型的操作方式。工作时，用半圆形的采收钳将苹果包好，用刀把切掉。这种组合结构不仅能防止夹紧型末端操纵杆对树枝和幼芽造成损伤，而且还能减少其对位置的高精度、工作效率低下的缺陷。

2.3 采摘机械手驱动方式的选择

当前，采集机械手的驱动方式有三种：气压驱动、电动驱动和液压驱动。

(1)气压传动是一种用于推动传动装置动作的压缩空气传动装置，一般采用空压机作动力。空气动力具有许多优势，比如超载，安全性高，操作简便，对周围的环境影响小，成本低，速度快，但也有一个弊端，那就是使用大型机械时，不太稳定，容易造成位置偏差。

(2)本发明的优点是：效率高，响应快，速度简单。具有大面积的无级变速功能。更好的适应能力，可以在多种情况下工作。这种发动机具有很强的抗冲击能力，可以实现更频繁、更稳定的方向转换，定位精度比气压要差得多，但也有可能造成泄漏，造成水源、土壤等环境的污染，而且一旦泄漏，维护费用也会很大，因为工作媒介是石油等液体，工作的时间越久，就会导致介质的温度和黏性的改变，从而对传动系统的运行产生不利的作用。

(3)在电机类型的电控方面的选择余地较大，基本上可以选用五种不同类型的电机，它们的工作原理和方法各有不同，它们是：步进电机，直流伺服电机，交流伺服电机，步进电机，力矩电机。步进电动机在动力性能上要优于同类产品，它具有更高的精确度、更大、更小巧、更平稳、更可靠、更易于操作。

参考文献

[1]孙浩. 六自由度苹果采摘机械臂路径规划与仿真分析[J]. 南方农机,2021,52(23):47-50.

[2]祝前峰,陆荣鉴,李奉顺. 苹果采摘机械的研究现状与发展趋势[J]. 林业机械与木工设备,2021,49(05):4-9+15.

[3]朱容芳,朱煜华. 基于UG的苹果采摘机械臂与末端执行器的结构设计[J]. 农机使用与维修,2021,(04):21-22.