方形物件液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)

基于液壓驅(qū)動(dòng)的果實(shí)采摘裝置的設(shè)計(jì)目錄目錄11 緒 論21.1 課題研究意義21.1.1課題研究意義21.2果實(shí)采摘機(jī)器人發(fā)展概況21.2.1國(guó)外研究成果及現(xiàn)狀21.2.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展71.2.3研究中存在的問題72 果實(shí)采摘裝置機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)102.1采摘裝置結(jié)構(gòu)選型102.2.1采摘裝置的選型原則102.2.2采摘裝置的選型定論112.2采摘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)112.2.1地面運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)122.2.2腰部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)122.2.3升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)142.2.1伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)163 果實(shí)采摘裝置末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)173.1 果實(shí)采摘裝置末端執(zhí)行器研究進(jìn)展173.1.2國(guó)內(nèi)研制的末端執(zhí)行器概述183.2 果實(shí)采摘裝置末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)193.2.1果實(shí)采摘裝置末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)選型原則193.2.1果實(shí)采摘裝置末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)選型定論193.2.2果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)204 液壓傳動(dòng)部分和傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)224.1 液壓系統(tǒng)224.1.1液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介224.1.2液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)234.1.3液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)234.2換向閥的設(shè)計(jì)234.4液壓缸的設(shè)計(jì)244.4.1液壓缸類型的選擇244.4.2液壓缸尺寸的選擇254.4.3液壓的分流設(shè)計(jì)274.5 傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)28總 結(jié)29致 謝30參考文獻(xiàn)311 緒 論1.1 課題研究意義1.1.1課題研究意義我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)裝備的機(jī)械化、智能化是發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人已逐步進(jìn)入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。農(nóng)業(yè)機(jī)器人不同于工業(yè)機(jī)器人，它對(duì)生產(chǎn)作業(yè)的要求較高，都是勞動(dòng)密集型作業(yè)，再加上季節(jié)的要求，保證作業(yè)質(zhì)量就成為關(guān)鍵的問題。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，世界各國(guó)均面臨人口老齡化問題，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力逐漸向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，勞動(dòng)力不僅成本高而且還不容易得到。果實(shí)采摘作業(yè)是果實(shí)生產(chǎn)中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)，采摘作業(yè)的季節(jié)性強(qiáng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)用高。其收獲又屬于勞動(dòng)密集型作業(yè)，果實(shí)收獲期間需投入的勞力約占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的50%一70%。而且在果實(shí)收獲作業(yè)過(guò)程中，人工收獲經(jīng)常需要彎腰或借助梯子登高。因此果實(shí)收獲作業(yè)不僅是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、消耗時(shí)間長(zhǎng)，而且是具有一定危險(xiǎn)性的勞動(dòng)作業(yè)。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們也急需要從這種高強(qiáng)度高危險(xiǎn)性的勞動(dòng)中解脫出來(lái)。因此實(shí)現(xiàn)果實(shí)收獲的機(jī)械化變得越來(lái)越迫切，研究農(nóng)業(yè)果實(shí)采摘機(jī)器人具有重要的意義。在我國(guó)，果實(shí)栽培有著悠久的歷史，種類繁多，產(chǎn)量巨大，但截止目前，果實(shí)的采摘作業(yè)都要靠人工來(lái)完成。因此，研究開發(fā)蘋果采摘機(jī)器人不僅可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，而且具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。1.2果實(shí)采摘機(jī)器人發(fā)展概況果實(shí)機(jī)械化收獲技術(shù)已有30多年的研究歷史，最早的收獲方式主要是機(jī)械振搖式和氣動(dòng)振搖式，其缺點(diǎn)是果實(shí)易損，效率不高，尤其無(wú)法進(jìn)行有選擇性的收獲。隨著果樹栽培方式的改變，人們開始用梯子、升降臺(tái)等設(shè)備輔助采摘水果，但勞動(dòng)密集型的特點(diǎn)依然存在。因此，應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行水果的自動(dòng)化采摘得到了快速的發(fā)展。1.2.1國(guó)外研究成果及現(xiàn)狀最早的機(jī)械采摘方法是采用機(jī)械振搖式和氣動(dòng)振搖式，但果實(shí)容易損壞，效率不高，而且容易摘到不成熟的果實(shí)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人在國(guó)外迅速發(fā)展起來(lái)。自從20世紀(jì)60年代（1968年）美國(guó)人Schertz和Brown提出用機(jī)器人采摘果實(shí)之后，對(duì)采摘機(jī)器人的研究受到廣泛重視，但采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式,其缺點(diǎn)是果實(shí)易損,效率不高,特別是無(wú)法進(jìn)行選擇性的收獲。20世紀(jì)80年代中期以來(lái),隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟,以日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家,包括荷蘭、美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、以色列、西班牙等國(guó)家,在收獲采摘機(jī)器人的研究上做了大量的工作。1983年第一臺(tái)采摘機(jī)器人在美國(guó)誕收獲作業(yè)自動(dòng)化和生，在以后20多年的時(shí)間里，日本及歐美等國(guó)家相繼研究了采摘蘋果、柑橘、番茄、葡萄和西瓜等的智能機(jī)器人。我國(guó)采摘機(jī)器人的研究起步雖然比較晚，但目前也逐步發(fā)展起來(lái)。如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人對(duì)草莓收獲機(jī)器人進(jìn)行了試驗(yàn)性的研究，東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人，上海交通大學(xué)正在進(jìn)行黃瓜采摘機(jī)器人的研究等。目前，比較典型的有番茄采摘機(jī)器人、草莓采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人及林木球果采摘機(jī)器人等。（1）西紅柿采摘機(jī)器人日本近藤(KONTO)等研制的番茄采摘機(jī)器人,由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器、移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成(如圖1-1所示)。該采摘機(jī)器人采用了7個(gè)自由度機(jī)械手。用彩色攝像機(jī)作為視覺傳感器,尋找和識(shí)別成熟果實(shí),并采用雙目視覺方法對(duì)果實(shí)進(jìn)行定位,利用機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)把果實(shí)擰下。移動(dòng)系統(tǒng)采用4輪機(jī)構(gòu),可在壟間自動(dòng)行走。該番茄采摘機(jī)器人采摘速度大約是15 s/個(gè),成功率在70%左右。主要存在的問題是當(dāng)成熟番茄的位置處于葉莖相對(duì)茂密的地方時(shí),機(jī)械手無(wú)法避開葉莖障礙物完成采摘。 圖1-1日本的番茄采摘機(jī)器人在2004年2月10日美國(guó)加利福尼亞州圖萊里開幕的世界農(nóng)業(yè)博覽會(huì)上,美國(guó)加利福尼亞西紅柿機(jī)械公司展出2臺(tái)全自動(dòng)西紅柿采摘機(jī)(如圖1-2所示)。如果西紅柿單位面積產(chǎn)量有保證的話,那么這種長(zhǎng)12.5m、寬4.3m的西紅柿采摘機(jī)每分鐘可采摘1 t多西紅柿,1 h可采摘70 t西紅柿。這種西紅柿采摘機(jī)首先將西紅柿連枝帶葉割倒后卷入分選倉(cāng),倉(cāng)內(nèi)能識(shí)別紅色的光譜分選設(shè)備挑選出紅色的西紅柿,并將其通過(guò)輸送帶送入隨行卡車的貨艙內(nèi),然后將未成熟的西紅柿連同枝葉一道粉碎噴撒在田里作肥料。圖1-2美國(guó)的番茄采摘機(jī)器人（2）茄子采摘機(jī)器人日本國(guó)立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學(xué)聯(lián)合研制了茄子采摘機(jī)器人。機(jī)器人由CCD機(jī)器視覺系統(tǒng)、5自由度工業(yè)機(jī)械手、末端執(zhí)行器以及行走裝置組成,作業(yè)對(duì)象是溫室中按照V形生長(zhǎng)方式種植的Senryo-2號(hào)茄子。該機(jī)器人的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)復(fù)雜,包括4個(gè)手指、2個(gè)吸嘴、2個(gè)誘導(dǎo)桿、氣動(dòng)剪子和光電傳感器(如圖1-3所示)。在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了試驗(yàn),采摘成功率為62.5%,工作速度為64.1 s/個(gè)。影響成功率的主要原因是機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)采摘位置的判斷不正確;同時(shí),視覺系統(tǒng)占用了72%的工作時(shí)間(46.1 s),也是影響整個(gè)機(jī)器人采摘效率的主要因素。 圖1-3美國(guó)的番茄采摘機(jī)器人（3）甘藍(lán)采摘機(jī)器人日本國(guó)立農(nóng)業(yè)研究中心的Murakami等研制了甘藍(lán)采摘機(jī)器人,由極坐標(biāo)機(jī)械手、4個(gè)手指的末端執(zhí)行器、履帶式行走裝置和CCD機(jī)器視覺系統(tǒng)組成,整個(gè)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)(如圖1-4所示)。系統(tǒng)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN算法)提取果實(shí)的二值圖像,采用模板匹配的方法識(shí)別合格的甘藍(lán)。試驗(yàn)表明,采摘的成功率為43%,工作速度為55 s/個(gè)。影響成功率的主要原因是光照條件的不穩(wěn)定、超聲波測(cè)距傳感器的誤差、葉子的遮擋以及機(jī)械故障等。圖1-4日本的甘藍(lán)采摘機(jī)器人（4）葡萄采摘機(jī)器人日本岡山大學(xué)研制出一種用于果園棚架栽培模式的葡萄收獲機(jī)器人,機(jī)械部分是一個(gè)具有5個(gè)自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手,具有4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(其中腰部1個(gè)、肩部1個(gè)、腕部2個(gè))和1個(gè)棱柱型的直動(dòng)關(guān)節(jié)(如圖1-5所示)。這種結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人在葡萄架下行走時(shí)能夠有效地工作,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以以不同的速度旋轉(zhuǎn),直動(dòng)關(guān)節(jié)可以采用簡(jiǎn)單的控制方法來(lái)獲得較高的速度。為了提高使用率,更換不同的末端執(zhí)行器,還可以完成噴霧、套袋和剪枝等作業(yè)。圖1-5日本的葡萄采摘機(jī)器人（5）黃瓜采摘機(jī)器人日本的近藤直等研制的黃瓜采摘機(jī)器人,采用三菱MITSUBISHIRV-E2型六自由度工業(yè)機(jī)器人,利用CCD攝像機(jī),根據(jù)黃瓜比其葉莖對(duì)紅外光的反射率高的原理來(lái)識(shí)別黃瓜、葉莖(如圖1-6所示)。 圖1-6日本的黃瓜采摘機(jī)器人黃瓜、果梗的連接與番茄不同,采用剪斷方法,先把黃瓜抓住,用接近覺傳感器找出柄,然后剪斷,采摘速度為16 s/個(gè)。由于黃瓜是長(zhǎng)條形,受到莖葉的影響更大,所以采摘的成功率較低,大約60%。同樣,需要改進(jìn)該機(jī)器人機(jī)器手的結(jié)構(gòu)、采摘工作方式和避障規(guī)劃功能,以提高采摘成功率,提高采摘速度。1996年,荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所(IMAG)研制出一種多功能黃瓜收獲機(jī)器人(如圖1-7所示)。該研究在荷蘭2 hm2的溫室里進(jìn)行,黃瓜為高拉線纏繞方式吊掛生長(zhǎng)。該機(jī)器人利用近紅外視覺系統(tǒng)辨識(shí)黃瓜果實(shí),并探測(cè)其位置。機(jī)械手只收獲成熟黃瓜。末端執(zhí)行器由手爪和切割器構(gòu)成。機(jī)械手有7個(gè)自由度,采用三菱(Mitsubishi) RV-E2六自由度機(jī)械手。該機(jī)器人視覺系統(tǒng)的黃瓜檢測(cè)效率大于95%,采摘成功率約80%,采摘速度約為54 s/個(gè),在實(shí)驗(yàn)用溫室中作業(yè)效果良好。但由于采收時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不能滿足商用要求。圖1-7荷蘭的黃瓜采摘機(jī)器人（6）蘑菇采摘機(jī)器人英國(guó)Silsoe研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人(如圖1-8所示)。它可以自動(dòng)測(cè)量蘑菇的位置、大小,并且選擇性地采摘和修剪。它的機(jī)械手包括2個(gè)氣動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié);末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器;視覺傳感器采用TV攝像頭,安裝在頂部用來(lái)確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在75%左右,采摘速度為6.7個(gè)/s,生長(zhǎng)傾斜是采摘失敗的主要原因。圖1-8 英國(guó)的蘑菇采摘機(jī)器人（7）柑橘采摘機(jī)器人西班牙科技人員發(fā)明的這種柑橘采摘機(jī)器人主體裝在拖拉機(jī)上,由摘果手、彩色視覺系統(tǒng)和超聲傳感定位器3部分組成。它能依據(jù)柑桔的顏色、大小、形狀來(lái)判斷柑桔是否成熟,決定是否采摘。采下的桔子還可按色澤、大小分級(jí)裝箱。這種采桔機(jī)器人采摘速度為1個(gè)/s,比人工提高效率6倍多。（8）甜瓜收獲機(jī)器人以色列和美國(guó)科技人員聯(lián)合開發(fā)研制了一臺(tái)甜瓜采摘機(jī)器人。該機(jī)器人主體架設(shè)在以拖拉機(jī)牽引為動(dòng)力的移動(dòng)平臺(tái)上,采用黑白圖像處理的方法進(jìn)行甜瓜的識(shí)別和定位,并根據(jù)甜瓜的特殊性來(lái)增加識(shí)別的成功率。在2個(gè)季節(jié)和2個(gè)品種的田間試驗(yàn)證明,甜瓜采摘機(jī)器人可以完成85%以上的田間甜瓜的識(shí)別和采摘工作。(9)蘋果收獲機(jī)器人韓國(guó)慶北大學(xué)研制了蘋果采摘機(jī)器人,具有4個(gè)自由度,包括3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器,內(nèi)有壓力傳感器避免損傷蘋果。利用CCD攝像機(jī)和光電傳感器識(shí)別果實(shí),從樹冠外部識(shí)別蘋果的識(shí)別率達(dá)85%,速度達(dá)5個(gè)/s。該機(jī)器人無(wú)法繞過(guò)障礙物摘取蘋果;對(duì)于葉莖完全遮蓋的蘋果,也沒有給出識(shí)別和采摘的解決方法。1.2.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期,相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚。但不少院校、研究所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)的研究。在國(guó)內(nèi),果實(shí)采摘機(jī)器人的研究剛剛起步。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人,主要由5個(gè)自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成(如圖1-9所示)。采摘時(shí),機(jī)器人停在距離母樹35 m處,然后單片機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械手大、小臂同時(shí)柔性升起達(dá)到一定高度,采摘爪張開并擺動(dòng),對(duì)準(zhǔn)要采集的樹枝,大小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng),使采摘爪沿著樹枝生長(zhǎng)方向趨近1.52 m,然后采摘爪的梳齒夾攏果枝,大小臂帶動(dòng)采集爪按原路向后返回,梳下枝上的球果,完成一次采摘。這種機(jī)器人的效率是500 kg/d,是人工的3050倍。而且,采摘時(shí)對(duì)母樹的破壞較小,采凈率高。圖1-9林木球果采摘機(jī)器人原理圖另外,曹其新等運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,開發(fā)了草莓揀選機(jī)器人,采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同的等級(jí)方向。周云山等研究了蘑菇采摘機(jī)器人。該系統(tǒng)主要由蘑菇傳送帶、攝像機(jī)、采摘機(jī)器手、三自由度氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)、機(jī)器手抓取控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)為蘑菇采摘機(jī)器提供分類所需的尺寸、面積信息,并且引導(dǎo)機(jī)器手準(zhǔn)確抵達(dá)待采摘蘑菇的中心位置,防止對(duì)不準(zhǔn), 以致影響吸盤的密封,造成抓取失敗或損傷蘑菇的現(xiàn)象。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中等在草莓、黃瓜、西紅柿、茄子等果實(shí)采摘機(jī)器人方面做了較深入地研究,研制出了試驗(yàn)樣機(jī)。1.2.3研究中存在的問題法國(guó)是研究果實(shí)采摘機(jī)器人較早的國(guó)家之一,但由于技術(shù)、市場(chǎng)和價(jià)格等因素的影響,甜橙、蘋果采摘機(jī)器人已停產(chǎn),采摘機(jī)器人的研究工作基本陷于停頓。美國(guó)在自動(dòng)化收獲機(jī)器人的研究方面沒有一個(gè)清晰的戰(zhàn)略,研究工作也基本停了下來(lái)。日本近年來(lái)開展了大量的收獲機(jī)器人研究項(xiàng)目,進(jìn)展很快,但還未能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。荷蘭收獲機(jī)器人的研究工作走在很多國(guó)家的前面,但研究的果實(shí)種類并不多。我國(guó)的研究則處在逐漸上升的階段,但大部分研究都是針對(duì)采摘機(jī)器人的某一個(gè)部分進(jìn)行的,如視覺、機(jī)械手、末端執(zhí)行器等。（1）果實(shí)的識(shí)別率不高或識(shí)別后定位精度不高目前識(shí)別果實(shí)和確定果實(shí)位置主要采用灰度閾值、顏色色度法和幾何形狀特性等方法。其中,前兩者主要基于果實(shí)的光譜反射特性,但在自然光照情況下,由于圖像中存在噪聲和各種干擾信息,效果并不是很好。采用形狀定位方式,要求目標(biāo)具有完整的邊界條件。由于水果和葉子等往往容易重疊在一起,很難真正區(qū)別出果實(shí)。此外,由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的果實(shí)形狀沒有工業(yè)品規(guī)則,因此需要提高各種形狀果實(shí)的定位精度,才能保證采摘機(jī)械手可靠抓取。（2）部分重疊或遮蔽的果實(shí)無(wú)法采摘即使對(duì)于單獨(dú)的果實(shí)識(shí)別定位達(dá)到要求,但往往還有大部分的果實(shí)處在被果實(shí)或枝葉遮蔽的位置。這給采摘帶來(lái)更大的難度。采摘機(jī)器人為采摘到這部分果實(shí)既需要將這部分果實(shí)識(shí)別出來(lái),又需要有靈巧手來(lái)實(shí)現(xiàn)避障采摘。這給機(jī)器人的視覺、機(jī)械、控制系統(tǒng)都增加了難度。（3）果實(shí)的損傷率較大目前末端執(zhí)行器執(zhí)行抓取果實(shí)有切斷果柄和直接抓下果實(shí)2種。對(duì)于切斷果柄類果實(shí),稍有果實(shí)形狀不規(guī)則易被切刀損傷;而對(duì)于果柄短、無(wú)法切斷果柄類的果實(shí)需要直接抓取果實(shí)。這難免由末端執(zhí)行器造成抓取傷痕,即使在末端執(zhí)行器上安裝傳感器感知抓取力度也不可避免。另外,2種類型都存在被機(jī)械手或其他金屬部位碰傷的情況。（4）果實(shí)的平均采摘周期較長(zhǎng)生產(chǎn)實(shí)際中的采摘作業(yè)要求機(jī)器人不僅減輕勞動(dòng)強(qiáng)度而且提高作業(yè)效率。而目前的果實(shí)收獲機(jī)器人由于視覺、結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)等原因,大多數(shù)采摘機(jī)器人的效率不高。例如,采摘機(jī)器人收獲1個(gè)柑橘約37 s,收獲1個(gè)甜瓜約15 s,摘取1個(gè)黃瓜需要10 s,收獲1個(gè)茄子需64 s。為使果實(shí)采摘機(jī)器人實(shí)用化,提高作業(yè)效率是關(guān)鍵問題之一。（5）采摘機(jī)器人的制造成本較高與工業(yè)機(jī)器人相比,農(nóng)業(yè)上使用的采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)更加復(fù)雜,制造成本更高。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有周期性、收獲時(shí)間短等特點(diǎn),設(shè)備利用率低,設(shè)備使用和維護(hù)都需要相當(dāng)高的技術(shù)水平和費(fèi)用。目前,果實(shí)采摘機(jī)器人的研究正在成為機(jī)器人的新興領(lǐng)域,而采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿?。日后的果?shí)采摘機(jī)器人的研究工作必須朝以下方向發(fā)展:（1）必須能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和定位成熟果實(shí),并且引導(dǎo)末端執(zhí)行器準(zhǔn)確接近目標(biāo);（2）研制靈巧、不傷果實(shí)的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器;（3）采摘機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)田間的復(fù)雜環(huán)境;（4）視覺系統(tǒng)要迅速識(shí)別定位果實(shí),控制系統(tǒng)和機(jī)械手臂系統(tǒng)必須做到迅速摘取;（5）增強(qiáng)機(jī)器人系統(tǒng)的通用性。相信在不久的將來(lái),在不斷克服種種技術(shù)的阻礙后,采摘機(jī)器人會(huì)更廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。2 果實(shí)采摘裝置機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1采摘裝置結(jié)構(gòu)選型2.2.1采摘裝置的選型原則由于農(nóng)業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性、不確定性和果實(shí)分布的隨機(jī)性，采摘裝置的選型既要遵循工業(yè)機(jī)械手的基本原則。工業(yè)機(jī)械臂主要有如圖2-1所示的四種形式，其具體功能特點(diǎn)如下:(l)直角坐標(biāo)型:該型機(jī)械臂前三個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有藕合，不會(huì)產(chǎn)生奇異位形，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。(2)圓柱坐標(biāo)型:該型機(jī)械臂前三個(gè)關(guān)節(jié)為兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。(3)極坐標(biāo)型:具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。(4)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型:前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。 a.直角坐標(biāo)型 b.圓柱坐標(biāo)型 c.極坐標(biāo)型 d.關(guān)節(jié)坐標(biāo)型圖2-1 工業(yè)機(jī)械臂形式就工業(yè)機(jī)器人而言，機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)型式的選擇取決于對(duì)機(jī)器人的活動(dòng)范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制的難易的要求。通常以直角坐標(biāo)型至圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型的順序來(lái)看，同一手臂尺寸綜合的機(jī)器人，其活動(dòng)范圍和靈活度由小到大，控制難易的程度由易到難，而位置精度由高到低，負(fù)荷能力由大到小。2.2.2采摘裝置的選型定論本設(shè)計(jì)力求實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可控制性強(qiáng)，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，在保證采摘要求的基礎(chǔ)上，盡量減少自由度的數(shù)目。對(duì)于采摘機(jī)器人機(jī)械手來(lái)講，增加自由度數(shù)目，的確可以從理論上增加機(jī)械手的避障能力，但增加一個(gè)自由度相當(dāng)于增加了一級(jí)驅(qū)動(dòng)，這使得機(jī)器人成本會(huì)上升一個(gè)等級(jí)，對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人而言，成本高將會(huì)大大的減緩其商品化實(shí)用化的進(jìn)程。同時(shí)增加自由度會(huì)相應(yīng)增加機(jī)器人的控制難度，降低機(jī)器人的可靠性，所以對(duì)于農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人人而言，在自由度選型時(shí)不能盲目追求自由度的數(shù)量，應(yīng)考慮具體的采摘對(duì)象的生物學(xué)特性，盡量減少自由度的數(shù)目，降低控制難度和成本。加快農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的商品化實(shí)用化進(jìn)程。通過(guò)比較分析，對(duì)于果實(shí)采摘裝置形式而言，得到如下選型結(jié)論：采摘裝置結(jié)構(gòu)基體選擇圓柱坐標(biāo)機(jī)械臂形式最為合適，采摘裝置結(jié)構(gòu)基體主要包括地面運(yùn)動(dòng)部分、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)，伸縮機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)共五個(gè)部分。其動(dòng)作靈活，工作空間大、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)很適合果實(shí)的采摘作業(yè)。采摘裝置的最終選型示意圖如圖2-2所示。圖2-1 采摘裝置的最終選型示意圖2.2采摘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 液壓果實(shí)采摘裝置結(jié)構(gòu)基體選擇圓柱坐標(biāo)機(jī)械臂形式，采摘裝置結(jié)構(gòu)基體主要包括地面運(yùn)動(dòng)部分、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、縮機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)共五個(gè)部分。圖2-2所示為液壓實(shí)采摘裝置。以下將分別對(duì)地面運(yùn)動(dòng)部分、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分將在下一章節(jié)進(jìn)行介紹。圖2-2 液壓果實(shí)采摘裝置選型2.2.1地面運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì) 液壓果實(shí)采摘裝置地面運(yùn)動(dòng)部分，即為采摘機(jī)器人承載設(shè)備?？梢酝ㄟ^(guò)自做車架，電機(jī)驅(qū)動(dòng)等裝置組裝完成，也可以采用小型機(jī)車作為承載設(shè)備，在這里就不多作介紹，圖2-3所示為地面運(yùn)動(dòng)機(jī)車示意圖。圖2-3 液壓果實(shí)采摘裝置地面運(yùn)動(dòng)部分示意圖2.2.2腰部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 液壓果實(shí)采摘裝置以圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂為基體，為擴(kuò)大機(jī)械臂的工作空間和增強(qiáng)機(jī)械手多路徑采摘的能力，在腰部添加了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，在圓周方向上增加了機(jī)器人的作業(yè)空間，使得機(jī)器人擁有了采摘不同方向處果實(shí)的能力。果實(shí)采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)裝置采用液壓缸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)器人基體旋轉(zhuǎn)，齒輪齒條傳動(dòng)原理如圖2-4所示。圖2-4 齒輪齒條傳動(dòng)原理圖 果實(shí)采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于齒輪水平放置，故需用角推力軸承作為縱向支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，考慮到運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)的受力情況，決定采用兩個(gè)軸承上下平行放置。液壓果實(shí)采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)裝配情況如圖2-5所示。圖2-5 果實(shí)采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)裝配圖果實(shí)采摘裝置能夠?qū)崿F(xiàn)采摘機(jī)器人在采摘方向上180度的旋轉(zhuǎn)，由于采用齒輪齒條傳動(dòng)，故運(yùn)動(dòng)滿足齒輪齒條傳動(dòng)嚙合條件，即齒輪分度圓上的點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的距離與齒條直線運(yùn)動(dòng)的距離相等。液壓果實(shí)采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)示意圖如圖2-6所示。圖2-6 液壓果實(shí)采摘裝置腰部旋轉(zhuǎn)示意圖取齒輪分度圓直徑為D=300mm齒輪旋轉(zhuǎn)180度所走過(guò)直線長(zhǎng)度L=0.5D （2.1）=0.5 x 3.14 x 300=471 mm 由齒輪齒條傳動(dòng)嚙合條件可知，齒條要實(shí)現(xiàn)齒輪的180度旋轉(zhuǎn)，需要的長(zhǎng)度為 L(齒條)=471 mm2.2.3升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 為擴(kuò)大機(jī)械臂的在高度空間采摘能力，在腰部添加了升降結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，在高度方向上增加了機(jī)器人的作業(yè)空間，使得機(jī)器人擁有了采摘不同高度處果實(shí)的能力，代替了人們用梯子或登高采摘果實(shí)。果實(shí)采摘裝置升降機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，液壓缸驅(qū)動(dòng)滑塊沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人在不同高度作業(yè)。 液壓果實(shí)采摘裝置升降機(jī)構(gòu)如圖2-7所示。圖2-7 果實(shí)采摘裝置機(jī)構(gòu)液壓果實(shí)采摘裝置執(zhí)行元件采用各種液壓缸，它是將氣油液的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并將其輸出的裝置。液壓缸只要是輸出各種直線運(yùn)動(dòng)和力，他用液壓油作為工作介質(zhì)，其工作壓力大，所以輸出力和扭矩較大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可靠性高，因此在自動(dòng)化生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。此升降機(jī)構(gòu)所采用的液壓缸長(zhǎng)度和直徑都較大，不易從市場(chǎng)購(gòu)得，故根據(jù)需要加工而成。液壓果實(shí)采摘裝置升降所用液壓缸如圖2-8所示。圖2-8 液壓果實(shí)采摘裝置升降所用液壓缸 液壓采摘裝置升降所用液壓缸裝配情況如圖2-9所示。1-液壓缸后蓋 2-活塞 3-液壓缸壁筒 4-活塞桿 圖2-9 采摘裝置升降所用液壓缸鑒于采摘裝置升降機(jī)構(gòu)活塞桿較長(zhǎng)，考慮到其受彎矩等影響嚴(yán)重，故本采摘裝置采用導(dǎo)軌來(lái)引導(dǎo)滑塊的上下運(yùn)動(dòng)，從而降低活塞桿所受彎矩，增加采摘裝裝置的使用壽命。為了降低采摘機(jī)器人的自身重量，使運(yùn)動(dòng)更靈活，應(yīng)用更廣泛，而且經(jīng)濟(jì)耐用，故導(dǎo)軌的材料選擇為鋁合金材料。 液壓采摘裝置升降所用導(dǎo)軌如圖2-10所示。圖2-10 采摘裝置升降所用導(dǎo)軌2.2.1伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為擴(kuò)大機(jī)械臂的在水平圓周空間范圍的采摘能力，添加了伸縮結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在水平方向上增加了機(jī)器人的作業(yè)空間，使得機(jī)器人擁有了采摘不同距離處果實(shí)的能力，對(duì)提高機(jī)器人的采摘效率有重要作用。液壓果實(shí)采摘裝置伸縮機(jī)構(gòu)如圖2-11所示。圖2-11 采摘裝置伸縮機(jī)構(gòu)3 果實(shí)采摘裝置末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)3.1 果實(shí)采摘裝置末端執(zhí)行器研究進(jìn)展末端執(zhí)行器是果實(shí)采摘機(jī)器人的重要組成部分，與工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器相比，由于其作業(yè)對(duì)象和環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復(fù)雜多變性特征，采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有明顯的特殊性和更高的智能化要求。一般果實(shí)果實(shí)的表皮和果實(shí)本身通常都比較脆弱和柔軟，這對(duì)采摘果實(shí)的抓取力度控制提出了比較高的要求，同時(shí)對(duì)于枝葉比較繁茂的果實(shí)來(lái)說(shuō)，還要求末端執(zhí)行器具有較高的避障能力?？傊┒藞?zhí)行器研制的成敗直接關(guān)系到采摘作業(yè)的成功率和采摘效率的高低，以至于末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)成為農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。3.1.1國(guó)外末端執(zhí)行器研制進(jìn)展情況從上世紀(jì)80年代開始，日本、荷蘭、美國(guó)等國(guó)都曾開發(fā)了各種末端執(zhí)行器，取得的不少研究成果，同時(shí)也普遍存在采摘效率和成功率偏低，輕便性差，通用性較差等缺點(diǎn)。下面介紹幾種國(guó)外果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，以借鑒國(guó)外在研制過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)總結(jié)不足，吸取教訓(xùn)。（1）番茄采摘末端執(zhí)行器Kondo等人基于番茄的物理特性設(shè)計(jì)了一種帶有軟襯墊吸引器的雙手指末端執(zhí)行件。它由兩個(gè)平行板手指和吸引器組成，當(dāng)吸引器把果實(shí)吸住后，用手指板固定，利用機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)把果實(shí)在果柄連接處擰下。該末端執(zhí)行件兩個(gè)手指板內(nèi)側(cè)均附有一個(gè)10mm的橡膠襯墊，以防止果實(shí)的損傷。由真空泵提供吸引器的引力，并安裝一個(gè)觸覺傳感器，在吸引器吸附水果時(shí)，傳感器被打開。其末端裝有兩個(gè)限位開關(guān)，探測(cè)停止位置。用該末端執(zhí)行件進(jìn)行番茄采摘試驗(yàn)，成功率為85%，未采摘的主要原因是番茄在被手指夾住前就與吸引器分離，無(wú)法完成對(duì)短柄番茄的采摘。（2）茄子采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器日本國(guó)立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學(xué)聯(lián)合研制了茄子采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器。該機(jī)器人的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，包括4個(gè)手指、2個(gè)吸嘴、2個(gè)誘導(dǎo)桿、氣動(dòng)剪子和光電傳感器。工作中，利用模糊視覺反饋系統(tǒng)引導(dǎo)末端執(zhí)行器靠近果實(shí)，完成采摘作業(yè)。在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了試驗(yàn)，采摘成功率為62.5%，工作速度為64.15/個(gè)。影響成功率的主要原因是機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)采摘位置的判斷不正確;同時(shí)，視覺系統(tǒng)占用了72%的工作時(shí)間，也是影響采摘效率的主要因素。茄子采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器如圖3-1所示。圖3-1 茄子采摘末端執(zhí)行器（3）柑橘采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)研究員研制了柑橘采摘末端執(zhí)行器。其依靠置于末端執(zhí)行器的內(nèi)部的1個(gè)ccD攝像機(jī)和超聲波傳感器來(lái)探測(cè)水果的位置。柑橘采摘末端執(zhí)行器如圖3-2所示。圖3-2 柑橘采摘末端執(zhí)行器圖（4）蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器JohanBacten和SvenBoedrij等人研制了蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器。其硅樹脂管里裝有微型攝像頭，用于獲取末端執(zhí)行器正前方蘋果圖像。真空泵提供動(dòng)力，吸盤用于吸取蘋果。蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器如圖3-3所示。圖3-3 蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器圖3.1.2國(guó)內(nèi)研制的末端執(zhí)行器概述與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的研究方面起步較晚，成果相對(duì)較少。其中，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)茄子采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行了研制，其采摘成功率達(dá)到92.76%。江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院研制了一種基于多傳感器信息融合和開放式控制的智能控制的番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量?jī)H為1.12kg，末端執(zhí)行器完成采摘?jiǎng)幼鞯臅r(shí)間3s。到目前為止，國(guó)內(nèi)還沒有研制出蘋果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器。因此，開發(fā)一種具有采摘效率和成功率高，具有輕便性，通用性強(qiáng)的蘋果采摘末端執(zhí)行器具有重要的意義。3.2 果實(shí)采摘裝置末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1果實(shí)采摘裝置末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)選型原則基于具體的采摘要求，機(jī)械手要具有較好的采摘能力。包括:(l)最優(yōu)的工作空間。工作空間越大，采摘范圍越廣，通用性也就越好。(2)具有較好的避障能力。果實(shí)采摘過(guò)程中，機(jī)械手能避開障礙物。(3)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。若機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉或驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)法設(shè)置，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)等問題。在滿足要求的前提下，盡量采用特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)，使相鄰運(yùn)動(dòng)副的軸線相互平行或正交。(4)農(nóng)業(yè)機(jī)器人要求操作簡(jiǎn)單，成本低廉，因此盡量采用冗余度少、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的形式。3.2.1果實(shí)采摘裝置末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)選型定論通過(guò)上面的分析，對(duì)于果實(shí)采摘裝置機(jī)械手形式而言，得到一下選型結(jié)論：（1）機(jī)械手基體選擇圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂形式最為合適，其包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降架構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)共三個(gè)部分。其動(dòng)作靈活，工作空間大、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)很適合果實(shí)的采摘作業(yè)。（2）以圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂為基體，為擴(kuò)大機(jī)械臂的工作空間和增強(qiáng)機(jī)械手多路徑采摘的能力，在腰部添加了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，在圓周方向上增加了機(jī)器人的作業(yè)空間，使得機(jī)器人擁有了采摘不同方向處果實(shí)的能力。（3）為擴(kuò)大機(jī)械臂的在高度空間采摘能力，在腰部添加了升降結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，在高度方向上增加了機(jī)器人的作業(yè)空間，使得機(jī)器人擁有了采摘不同高度處果實(shí)的能力，代替了人們用梯子或登高采摘果實(shí)。（4）在水平方向添加了伸縮關(guān)節(jié)，此關(guān)節(jié)不僅可以進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)器人的工作空間而且可以與末端執(zhí)行器配合。（5）末端執(zhí)行器采用液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指加緊果實(shí)，通過(guò)傳感器控制機(jī)械手的夾持力，避免加持力過(guò)大夾傷果實(shí)。本設(shè)計(jì)確定的機(jī)構(gòu)類型如圖3-4所示。圖3-4 果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)所確定的機(jī)構(gòu)類型3.2.2果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（1）果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸計(jì)算機(jī)械手采用液壓控制連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手指的張合運(yùn)動(dòng)。采用這種結(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)預(yù)定動(dòng)作，夾持力可調(diào)節(jié)，易于加工而且加工成本低。液動(dòng)手指結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。圖3-5 果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)假設(shè)所要采摘的果實(shí)直徑為D = 80mm，手指間距開時(shí)為L(zhǎng)1 = 120mm，手指間距閉時(shí)為L(zhǎng)2 = 80mm。則根據(jù)計(jì)算，手指驅(qū)動(dòng)液壓缸缸徑選用30mm，行程20mm單桿雙作用活塞式液壓缸。（2）果實(shí)采摘機(jī)械手夾持力伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)該機(jī)械手指夾持力采用電氣比例/伺服系統(tǒng)控制?？刂破鹘o出控制信號(hào)控制電一氣比例壓力閥的輸出壓力，從而控制氣缸的壓力和輸出位移，最終使氣動(dòng)手指的夾緊力受到控制，當(dāng)有桿腔進(jìn)氣時(shí)手指閉合。PLC與氣壓控制自動(dòng)裝配線氣動(dòng)機(jī)械手夾持力伺服系統(tǒng)原理如圖3-6所示。工作原理為:當(dāng)手指解除到物體時(shí)，觸覺傳感器發(fā)出反饋信號(hào)給控制器，控制器使比例閥打開。手指移動(dòng)很小的位移，以較小的力試著夾起物體，如果物體和手指間有滑動(dòng)，則滑覺傳感器發(fā)出滑動(dòng)信號(hào)給控制器。控制器調(diào)整比例壓力閥壓力，增加手指的夾持力，直到手指和被夾物體間沒有滑動(dòng)為止。夾緊力通過(guò)移動(dòng)手指來(lái)施加，而手指的位移則由手指位移傳感器檢測(cè)。手指的夾緊力通過(guò)壓力傳感器輸出，這樣可以讀出手指夾緊某物體的最適合的力，下次抓取同樣的物體即可直接對(duì)其施加夾緊力。圖3-6 液壓果實(shí)采摘裝置機(jī)械手夾持力伺服系統(tǒng)原理圖4 液壓傳動(dòng)部分和傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 液壓系統(tǒng)4.1.1液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介 一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，即動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。 動(dòng)力元件的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。執(zhí)行元件(如液壓缸和液壓馬達(dá))的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。 輔助元件包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、快換接頭、高壓球閥、膠管總成、測(cè)壓接頭、壓力表、油位油溫計(jì)等。 液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。 1-液壓缸 2-液壓馬達(dá) 3-溢流閥 4- 電磁換向閥 5-液壓缸6-壓力支管 7-測(cè)壓接頭 8-減壓閥 9-壓力繼電器 10-壓力表圖4-1 典型液壓系統(tǒng)4.1.2液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)由信號(hào)控制和液壓動(dòng)力兩部分組成，信號(hào)控制部分用于驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力部分中的控制閥動(dòng)作。 液壓動(dòng)力部分采用回路圖方式表示，以表明不同功能元件之間的相互關(guān)系。液壓源含有液壓泵、電動(dòng)機(jī)和液壓輔助元件；液壓控制部分含有各種控制閥，其用于控制工作油液的流量、壓力和方向；執(zhí)行部分含有液壓缸或液壓馬達(dá)，其可按實(shí)際要求來(lái)選擇。 在分析和設(shè)計(jì)實(shí)際任務(wù)時(shí)，一般采用方框圖顯示設(shè)備中實(shí)際運(yùn)行狀況。 空心箭頭表示信號(hào)流，而實(shí)心箭頭則表示能量流。 基本液壓回路中的動(dòng)作順序控制元件（二位四通換向閥）的換向和彈簧復(fù)位、執(zhí)行元件（雙作用液壓缸）的伸出和回縮以及溢流閥的開啟和關(guān)閉。 對(duì)于執(zhí)行元件和控制元件，演示文稿都是基于相應(yīng)回路圖符號(hào)，這也為介紹回路圖符號(hào)作了準(zhǔn)備。4.1.3液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)（1）液壓的優(yōu)點(diǎn)與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、液壓傳動(dòng)的各種元件，可以根據(jù)需要方便、靈活地來(lái)布置。 2、重量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)慣性小、反應(yīng)速度快。 3、操縱控制方便，可實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速（調(diào)速范圍達(dá)2000：1）。 4、可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。 5、一般采用礦物油作為工作介質(zhì)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)面可自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)。 6、很容易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。 7、很容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)化，當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后，不僅可實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)控制過(guò)程，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。 （2）液壓的缺點(diǎn)1、由于流體流動(dòng)的阻力和泄露較大，所以效率較低。如果處理不當(dāng)，泄露不僅污染場(chǎng)地，而且還可能引起火災(zāi)和爆炸事故。 2、由于工作性能易受到溫度變化的影響，因此不宜在很高或很低的溫度條件下工作。 3、液壓元件的制造精度要求較高，因而價(jià)格較貴。 4、由于液體介質(zhì)的泄露及可壓縮性影響，不能得到嚴(yán)格的傳動(dòng)比。 5、液壓傳動(dòng)出故障時(shí)不易找出原因；使用和維修要求有較高的技術(shù)水平。 4.2換向閥的設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)控制調(diào)節(jié)元件主要是指各類閥。他們的功能是控制和調(diào)節(jié)流體的流動(dòng)方向、壓力和流量，以滿足執(zhí)行元件所需要的啟動(dòng)、停止、運(yùn)動(dòng)方向、力或力矩、速度或轉(zhuǎn)速、動(dòng)作順序和克服負(fù)載等要求，從而使系統(tǒng)按照指定的要求協(xié)調(diào)的工作。換向閥是液動(dòng)控制中很重要的一類閥，用來(lái)改變氣流方向和控制管道中氣流的通斷，從而控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向。電磁換向閥是利用電磁力來(lái)完成閥芯移動(dòng)實(shí)現(xiàn)換向的換向閥。由于它可以借助按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、壓力繼電器等發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)合作用，而且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)配合，因而得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)閥的通徑較大時(shí)，常采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)。由電磁鐵控制換向氣路，用來(lái)推動(dòng)主閥芯換向。本系統(tǒng)使用二位四通直動(dòng)式電磁換向閥，控制液壓缸的進(jìn)油方向。電磁閥選SMC的VQDlooo直動(dòng)式四通電磁閥，該電磁閥具有體積小(閥寬10mm)，重量輕(349)，響應(yīng)快(2 +lms)，流量大等優(yōu)點(diǎn)，二位四通電磁閥如圖42所示。 電磁換向閥的連接采用雙向作用液壓缸缸換向回路連接，如圖43所示。 圖4-2二位四通電磁換向閥 圖4-3雙向作用液壓缸換向回路4.4液壓缸的設(shè)計(jì)4.4.1液壓缸類型的選擇液壓果實(shí)采摘裝置執(zhí)行元件采用各種液壓缸，它是將氣油液的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并將其輸出的裝置。液壓缸只要是輸出各種直線運(yùn)動(dòng)和力，他用液壓油作為工作介質(zhì)，其工作壓力大，所以輸出力和扭矩較大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可靠性高，因此在自動(dòng)化生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。液壓缸有多種形式，按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同它可分為活塞式、柱塞式和擺動(dòng)式三大類；按照作用方式它又可分為單作用和雙作用兩種。本制動(dòng)系統(tǒng)所采用的液壓缸均為單桿雙作用活塞缸，液壓缸如圖4-4所示。圖4-4 液壓缸4.4.2液壓缸尺寸的選擇本制動(dòng)系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單連接形式的單桿雙作用活塞缸，其特點(diǎn)是： 1、 兩腔面積不等，A1 A2 2、壓力相同時(shí)，推力不等 流量相同時(shí)，速度不等即不具有等推力等速度特性。圖4-5所示為雙作用單桿活塞缸。其一端伸出活塞桿，兩腔有效面積不相等當(dāng)向液壓缸兩腔分別供油，且壓力和流量都不變時(shí)，活塞在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度和推力都不相等。 a）無(wú)桿腔進(jìn)油 b）有桿腔進(jìn)油圖4-5 單桿活塞缸單桿雙作用活塞缸的速度、推力計(jì)算：如圖4-5a，當(dāng)無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度v1和推力F1分別為：v1 = qcv /A1 = 4qcv/D2 （4.1） F1 = （p1A1-p2A2）cm = D2 p1/4 -(D2-d2)p2/4cm = D2 （p1 - p2）/4+d2/4cm （4.2） 如圖4-5b，當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度v2和推力F2分別為：v2 = qcv /A2 = 4qcv/(D2-d2) （4.3） F2 = （p1A2- p2A1）cm = (D2-d2) p1/4 -D2 p2/4cm = D2（p1 - p2）/4-d2 p1/4cm （4.4）式中： q 缸的輸出流量； A2 有桿腔的活塞有效作用面積； cv缸的容積效率； D 活塞直徑（即缸筒直徑）； d 活塞桿直徑；p1缸的進(jìn)口壓力；p2缸的出口壓力；A1無(wú)桿腔的活塞有效作用面積；cm缸的機(jī)械效率。 對(duì)于活塞缸，缸的直徑是指缸的內(nèi)徑。缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來(lái)確定。對(duì)于單桿缸，無(wú)桿腔進(jìn)油液時(shí)，不考慮機(jī)械效率，由式（4.5）可得： (4.5)對(duì)于單桿缸，有桿腔進(jìn)油液，不考慮機(jī)械效率，由式(4.6)可得： （4.6）式中：p2背壓，一般選取背壓p2=0.這時(shí)，上面兩式便可簡(jiǎn)化，即無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)： D= （4.7）無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)：D= （4.8）液壓缸的缸筒長(zhǎng)度由活塞最大行程、活塞長(zhǎng)度、活塞桿導(dǎo)向套長(zhǎng)度、活塞桿密封長(zhǎng)度和特殊要求的其他長(zhǎng)度確定。其中活塞長(zhǎng)度B=(0.6 1.0)D，導(dǎo)向套長(zhǎng)度A=(0.6 1.5)d。為減少加工困難，一般液壓缸缸筒長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20 30倍。夾緊定位機(jī)構(gòu)夾持力取F=40 N。則有： 缸徑D = = 52.48 mm ，取D=60 mm； 桿徑d = 0.3D = 15 mm； 活塞長(zhǎng)度B = 0.8D = 40 mm； 導(dǎo)向套長(zhǎng)度A = 1d = 12 mm。經(jīng)計(jì)算，各液壓缸工作行程和活塞缸長(zhǎng)度如表3-1所示。表3-1各氣缸工作行程和活塞缸長(zhǎng)度液壓缸12345工作行程（mm）202000205001060202001060活塞長(zhǎng)度（mm）10002506020060液壓果實(shí)采摘機(jī)的液壓壓回路傳動(dòng)系統(tǒng)主要有空氣壓縮機(jī)、空氣過(guò)濾器、調(diào)壓閥、油霧器、分氣器、4個(gè)二位四通電磁閥及5個(gè)單桿雙作用活塞式氣缸組成，實(shí)現(xiàn)各個(gè)液壓缸的單獨(dú)供氣油，從而保證了裝配線各個(gè)動(dòng)作的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。液壓傳動(dòng)原理如圖3-7所示。用液壓技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，是工業(yè)自動(dòng)化的一種主要技術(shù)手段，是一種低成本的自動(dòng)化技術(shù)，而且氣壓傳動(dòng)擁有諸多顯著優(yōu)點(diǎn)，到目前為止，液動(dòng)技術(shù)倍受工業(yè)界的歡迎，其發(fā)展呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)。4.4.3液壓的分流設(shè)計(jì)液壓果實(shí)采摘裝置的液壓回路傳動(dòng)系統(tǒng)主要有油缸、油泵、調(diào)壓閥、節(jié)流閥、4個(gè)二位四通電磁閥及5個(gè)單桿雙作用活塞式液壓缸組成，實(shí)現(xiàn)各個(gè)液壓缸的單獨(dú)供油，從而保證了采摘裝置各個(gè)動(dòng)作的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。液壓果實(shí)采摘裝置液壓傳動(dòng)原理如圖4-6所示。圖4-6 液壓果實(shí)采摘裝置液壓傳動(dòng)原理4.5 傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)國(guó)外已研制的末端執(zhí)行器傳感控制系統(tǒng)，智能程度在不斷提高，但成本卻越加昂貴，這嚴(yán)重影響了其實(shí)用化的進(jìn)程。為此，設(shè)計(jì)了基于實(shí)用化，智能化的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器傳感控制系統(tǒng)。傳感控制系統(tǒng)主要是由光電位置開關(guān)、壓力傳感器、微型視覺傳感器、觸覺傳感器、限位開關(guān)、數(shù)據(jù)采集卡，電流換向器和便攜式工控機(jī)組成。光電位置開關(guān)由對(duì)射式紅外線光電管組成，在手指前后各安放一對(duì)，當(dāng)有果實(shí)進(jìn)入時(shí)，光源的光被蘋果擋住，接收端接收不到發(fā)射端的紅外線信號(hào)，這時(shí)輸出端輸出高電平信號(hào)，信號(hào)經(jīng)處理后為工控機(jī)提供控制信息，從而起到檢測(cè)果實(shí)位置和開關(guān)的作用。在室外作業(yè)環(huán)境中，簡(jiǎn)單的紅外線光電檢測(cè)器無(wú)法在采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器上應(yīng)用。為解決這個(gè)問題，采用振蕩器產(chǎn)生一定頻率的波形加至光電開關(guān)的發(fā)射端，使紅外線發(fā)射管產(chǎn)生一定頻率脈動(dòng)波，同時(shí)接收端利用集成鎖相環(huán)路解碼器LM567對(duì)接收到的脈動(dòng)波進(jìn)行鑒相、鎖定，從而提高光電位置開關(guān)的抗干擾能力，其電路原理圖如圖4-7所示。圖4-7 位置傳感器電路原理圖壓力傳感器選用的力敏電阻，受到果實(shí)擠壓后，其中的導(dǎo)電粉末電阻變小，其變化可通過(guò)電壓測(cè)出來(lái)，當(dāng)測(cè)出的電壓值達(dá)到或超過(guò)設(shè)定的電壓值后，最終輸出電壓信號(hào)，一可控制抓取蘋果的力度。微型視覺傳感器采用Eye-in-hand安裝方式采集手指前方的圖像，獲取前方蘋果信息，提示末端執(zhí)行器接近蘋果進(jìn)行抓取。觸覺傳感器安放在手指的外廓上，當(dāng)有粗樹枝阻擋末端執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)，觸覺傳感器會(huì)感知到，并提示機(jī)器人改變采摘路徑，進(jìn)行避障。壓力傳感器、光電位置開關(guān)，觸覺傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波等處理后，被數(shù)據(jù)采集卡獲得，連同視覺傳感器采集捕捉的圖像信息共為工控機(jī)所用，工控機(jī)處理這些信息從而控制直流電機(jī)和電磁閥，從而控制末端執(zhí)行器夾持果實(shí)，切割果實(shí)柄?？?結(jié)本文通過(guò)查閱大量相關(guān)資料，對(duì)不同果實(shí)不同類型的采摘機(jī)器人比較、分析和計(jì)算，根據(jù)簡(jiǎn)單，可靠，經(jīng)濟(jì)原則，最后確定采用圓柱