番茄采摘机械手-毕业论文.docx
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摘要
番茄是我们日常饮食中比较常见的一种蔬菜，它具有非常高的营养价值，能为人们提供几种维生素和矿物质的需求。
作为农业大国，番茄的种植已经遍及我国各地，尤其是各种大棚蔬菜的种植，可以说已经大大的提高了番茄的产量，这对于番茄的采摘无疑是一个巨大的劳动量，需要大量的劳动力、并且，番茄的成熟期比较短，所以采摘的时机要及时，不然就会影响番茄的质量和新鲜度。
农业机器人是目前全国各地研究的比较多的机器人之一，以为农业机器人的研究对于某些农业大国来说意义是很大的。
能在一定程度上推动国家的经济发展，尤为重要的是能解决人口老龄化，劳动力缺失的问题。
水果和蔬菜的采摘是生产中的重要环节。
设计研究一种番茄采摘机械手，对提高番茄的生产量有很大的意义。
本文设计了一种采摘机器人的末端执行器，番茄采摘机械手，专门用于番茄的采摘，该采摘机械手结构简单，易于实现采摘，并且该机械手运用了比较前沿的气动软体手指做夹持装置，可以说是一大创新
关键词：
番茄采摘机械手；软体手抓；密封装置；切断装置。
Abstract
Tomatoisacommonvegetableinourdailydiet.Ithasveryhighnutritionalvalueandcanprovidepeoplewithseveralvitaminsandminerals.Asabigagriculturalcountry,tomatocultivationhasspreadalloverChina,especiallythecultivationofvariousgreenhousevegetables.Itcanbesaidthattheyieldoftomatoeshasbeengreatlyimproved.Thisisundoubtedlyahugeamountoflaborfortomatoharvesting,andrequiresalotoflabor.Moreover,theripeningperiodofthetomatoisrelativelyshort,sothetimingofpickingmustbetimely,otherwiseitwillaffectthequalityandfreshnessofthetomato.
Agriculturalrobotsareoneofthemorewidelystudiedrobotsinthecountry.Itisthoughtthattheresearchofagriculturalrobotsisofgreatsignificancetosomeagriculturalpowers.Toacertainextent,itcanpromotethecountry’seconomicdevelopment.Itisparticularlyimportanttosolvetheproblemofpopulationagingandlackoflabor.Thepickingoffruitsandvegetablesisanimportantpartofproduction.Designingandresearchingatomatopickingrobothasgreatsignificanceforimprovingtomatoproduction.
Inthispaper,anend-effectorofpickingrobot,tomatopickingrobot,isspeciallydesignedforthepickingoftomato.Thepickingrobotissimpleinstructureandeasytopick,andtherobotusesarelativelyadvancedaerodynamicsoftfingerasclampingdevice.Sayitisabiginnovation
Keywords:
Tomatopickingrobot;Softwaregrasping;Sealingmeans;Cuttingdevice.
第一章绪论
在当代，机器人在人们的日常生活和生产中起到了越来越重要的地位，在很多方面，机器人取代人，使人从各种危险艰苦的劳动中解放出来。
机器人技术是一种高兴的科学技术，他包含了多方面的科学知识，其中有力学、机构学、自动控制、计算机、人工智能、仿生学、传感技术等等各方面的知识、同时机器人也广泛的应用于国防、农业、科技、制造等个方面。
农业机器人知识广大机器人中的一种，他的出现是当代农业在向着现代的方向发展，世界各国都在开发研究农业机器人，使得机器人在农业中也逐步的占据着越来越重要的地位。
1.1研究的目的与意义
农业机器人的研究与设计能带来很大的经济效益和广阔的市场前景。
我国为农业大国，农业机器人对我国的农业快速发展具有深远的意义。
种植和收获都是水果和蔬菜增加产量的重要的一环。
1983年美国研制出了世界上的第一台番茄采摘机器人。
从那时起，农业机器人的研究一共经过了20多年。
在这期间，日本与欧美的一些国家都在研究采摘机器人。
由此可见，采摘机器人的应用越来越广泛，尤其是在蔬菜和水果的收获过程中，越来越多的水果蔬菜在不久的将来将采用机器人采摘。
这将进一步的推动国家的农业发展，进而带动国家经济的发展。
番茄是一种营养很丰富的蔬菜，在人们的日常生活和饮食中都有很重要的地位。
全球各地的番茄的产量都在逐步的增长，所以研究番茄采摘机器人的意义就变得越来越重大，在研究番茄采摘机器人的过程中。
末端执行器机械手的研究也有很大的意义。
研究该类机器人就能在一定程度上解决劳动力不足的问题，同时还能提高番茄的产量，降低生产番茄的成本，将人们从艰苦的劳动中解放出来。
因此，该研究内容能推动国家和人民的经济发展。
加快实现我国农业的机械现代化，推动我国农业智能化发展。
在采摘机器人的研究中，采摘机械手在采摘过程中占据重要的地位，如何能快速有效，并且在不损坏蔬菜和水果的条件下将果蔬采摘下来成为了采摘机械手首先要实现的任务，所以对采摘机械手的研究和设计对提高果蔬的采摘效率和提高果蔬的品质都有很大的意义。
1.2国内外在该方面的研究现状
农业机器人是农业自动化、机械化、智能化的重要标志。
各国对农业机器人的开发和研究也相当的重视。
特别是某些农业大国，农业机器人的作用就显的尤为重要。
1.2.1国外研究现状
除了我国是农业大国之外，全球也有其他的农业大国，他们对水果和蔬菜收获机器人的研究都经历了很长的时间，并且都取得了一定的成果。
列如美国、日本、荷兰、欧美等发达国家都在这方面做了长足和大量的研究。
目前为止，已经有关于番茄。
苹果、等水果和蔬菜的收获机器人。
日本是在20世纪80年代初开始对农业机器人的研究。
自从1984年Kyoto大学研究的番茄采摘机械手来，日本对于收获机器人的研究可以说是投入了大量的科学技术和资金。
像日本为代表的许多发达国家已经将相关的机器人生产出来并且投入到实际的生产中，用于提高农产品的产量，提高农作物的生产效率。
可以说日本、荷兰、美国、澳大利亚在农业机器人方面的研究都取得了重大的成果，并且已经应用于实际的生产中，向着商品化的方向发展。
图1-1是2015年12月4日，日本松下公司开发出一款番茄采摘机器人，搭载其自产的图像传感器，能够实现番茄的无人采摘。
图1-1日本番茄采摘机器人
1.2.2国内研究现状
相对于欧美、日本、美国等发达国家来说，我国的农业机器人的研究水平还是落后很多的。
虽然我国在农业机器人方面的研究也取得了一定的成果，但是真正用于实际生产中，并且能帮助人们提高作业效率，提高生产量的机器人还是很少的。
当然也取得了一些成就，比如我国的嫁接机器人在世界范围内都是很先进的技术，并且在实际的应用中能提高穗木取苗、结合、固定等过程的效率。
并且该项技术的应用范围也在逐步扩大。
自1995年，我国开始对草莓、黄瓜、番茄等蔬菜的采摘机器人的研究。
该类机器人发展到今天，运用视觉系统区分成熟与未成熟的蔬菜和水果，然后运用导航系统驱动机器人靠近需要采摘的目标，通过末端执行器将需要采摘的蔬果采摘下来。
目前我国的蘑菇采摘机器人能每分钟采70~80个蘑菇。
草莓采摘机器人则为每小时73.6个，成功率为百分之90.由此可见草莓的采摘效率远远低于蘑菇。
这可能和两者的种植方式，以及两者之间的质地差距所导致的，草莓的表皮相对于蘑菇来说要脆弱很多，很容易在采摘时损坏表皮。
番茄采摘机器人在我国也取得了一定的成果，如图所示为苏州博田机器人公司的番茄采摘机器人
图1-2苏州博田番茄采摘机器人正在采摘番茄
吉林工业大学与吉林农业研究所研制出了一种锄草机器人，装有摄像头和图像处理计算机，能快速准确的分辨出蔬菜、杂草和土壤的区别，可以在植被间自动行走。
根据国内外的情况对比我们可以知道，国外在农业机器人方面的研究走在我国的前面，国外的很多技术已经趋于成熟，部分机器人已经投入到实际的生产过程中进行使用，我国也在该方面取得了很大的成果，虽然和发达国家的差距还很大，但是只要我国坚持研究农业机器人，在不久的将来，我国能取得更大的成就。
对于农业机器人的研究是农业生产向着智能、高效、先进化发展的必然趋势。
是推动农业发展的重要工具。
1.3主要内容
1.软体手抓的设计和研究。
通过向手抓内部冲气，以实现手抓的弯曲和放松以实现抓取，以实现对番茄的夹持和固定。
2.手抓连接部分的密封装置的设计。
软体手抓的动力源是气泵，需要良好的密封性，尤其是在连接部分。
3.切割装置的设计。
将番茄夹持固定后需要完成采摘，在不损伤番茄的前提下需要将连接番茄的茎捡断，以保证番茄的新鲜度。
1.4设计采摘机械手的要求
1.机构简单轻巧，制作成本较低，能良好的实现番茄的采摘。
2.尽可能的提升采摘的速度，机构比较灵活，反应快。
3.最大程度的降低采摘过程对番茄的损伤，以及对番茄植被的损伤。
第二章切割装置的设计
2.1采摘方式的选择
当机械手探寻到成熟西红柿的准确位置后，通过软体手指对成熟的西红柿进行夹持和固定，怎样在不损坏西红柿和利于保存的情况下将西红柿采摘下来就涉及到了采摘方式的选择。
1.当手指将西红柿夹持固定后直接利用手臂将西红柿拉扯下来或者通过手臂的旋转将西红柿采摘下来。
这种方式虽然比较简单，并且只需要夹持手指就行不需要再设计另外的切割装置，但是这样容易损坏西红柿茎与果实的连接处，不利于采摘后对西红柿的保存。
这种方式比较适合像苹果、橘子、橙子等表皮比较坚硬的果蔬。
2.当手指将西红柿坚持固定后，再利用另外的切割装置将连接西红柿的茎剪短。
这种方式能最大程度的确保西红柿的完整，并且也利于后期的保存。
这种方式需要另外的切割装置，末端执行器的结构比较复杂。
本文设计的末端执行器采用的是第二种方式。
2.2切割装置的结构设计
如下图2-1所示，为本文设计的用于切断连接西红柿的茎的切断装置，其工作的原理和滑槽杠杆式回转型夹持器的工作原理基本相同，当伸缩杆向后移动时，带动切割刀片闭合完成对番茄茎的切割，伸缩杆向前移动时，带动切割刀片展开。
通常，切割刀片处于展开状态，当机械手靠近番茄时，软体手抓会将番茄固定在两个手指之间进行夹持，同时番茄的茎也会进入两个切割刀片的中间，当番茄被固定夹持后，驱动伸缩杆向后移动，剪短番茄的茎，完成对西红柿的采摘
图2-1切割装置
2.2.1切割刀片的设计
如下图2-2与图2-3所示是本切割装置的切割刀片，采摘番茄时需要将连接西红柿的茎剪断，而番茄的茎的直径比较小，一般在2.5mm~3mm。
若采用滑槽杠杆式回转型夹持器的夹持手指，则两个手指的间距达不到番茄茎的直径距离，即不能将番茄的茎剪断。
所以我将滑槽杠杆式回转型夹持器的手指改装成了如下图所示的切割刀片
图2-1切割刀片关键尺寸图2-3切割刀片
如图2-1所示，将滑槽杠杆式回转型夹持器的手指设计为图二所示的结构后，能达到完全闭合的状态，当番茄茎伸入两个刀片之间时，完全能实现将番茄茎切断的功能
如图2-4所示，是切割刀片处于完全开合的状态，两个刀片间的角度为90度，最近点的间距为9.08mm，最远点之间的间距为44.44mm，远大于番茄茎的直径。
所以，在机械手靠近番茄时，番茄的茎能无障碍的进入到两个切割刀片之间。
番茄的形状类似于直径为60~70mm的球体，连接番茄的茎位于球体的中间，该切割刀片的切割面长度为25mm，切割面的中间位置与夹持装置的中间位置在同一条直线上，即当加持装置夹持固定番茄时，番茄的茎也处于切割刀片的中间位置。
图2-4切割刀片完全张开图
2.2.2驱动方式的选择
1.电机驱动：
该驱动方式比较简便，运动惯量小，有多种不通电流的电机，能实现不同的功能。
而且该驱动方式的可选的范围比较大，可以根据不同的要求选择不同的电机。
2.气压缸驱动：
该驱动方式的相应速度快，气缸的结构比较简单，并且成本比较低，当气缸损坏后，维修和更换都比较方便，对于生产线这类小负载的系统的比较实用，对于比较复杂的控制和操作中比较难以实现。
3.液压缸驱动：
具有动力大，惯量大，迅速响应，易于完成直接驱动等特色，适用于承载能量大，防爆环境中工作的机械手。
对比以上的驱动方式，本文设计的切割装置采用的驱动方式为气压缸驱动。
番茄的茎，质地比较嫩，不需要很大的压力就能将其剪断。
同时为了提高番茄的采摘速度，需要切断装置能快速的闭合和展开同时又不需要太高的稳定性和精确性，所以气压缸能很好的满足这个要求。
最后，本文设计的番茄采摘机械手的夹持部分采用的是气动软体手指，也需要动力源气泵，两者可以共用一个动力源
2.2.3切割装置的受力分析
如图2-5所示，为切割装置的受力图，图2-6为切割刀片的受力分析简图.分析该装置的受力，根据得出的结论选择气缸的缸径以及相关的重要参数。
图2-5切割装置受力分析图2-6切割刀片受力简图
通过分析两个的受力状态，我们可以得出驱动力F的大小，以及该驱动力使得切割刀片产生的切割力F3的大小，因此，通过图（6）我们可以知道
F=2F1=2F2F1=F2F3=F4（2.1）
通过图（7）我们可以得知
F1=2F1x=2F1yF3=F1xF5=F1y（2.2）
通过以上两式我们可以得出驱动力F与切割力F3的关系式为
F3=12F（2.3）
2.2.4气压缸与基本参数的确定
气缸是一中采用气压驱动的动力元件，根据气缸的作用方式以及不同的场合的所需要的功能有很多的分类，本文设计的切割装置结构简单，动作形式单一，不需要太复杂的功能。
通过对比不同缸的作用和功能最终，本文设计的切割装置采用的是双作用缸。
对于实现本文的切割装置的基本功能基本可行。
普通双作用缸的实际输出推力Fe和实际输出拉力Fo符合如下公式
Fe=π4D2pμ（2.4）
Fo=π4（D2-d2）pμ（2.5）
式中D——缸径，m；
d——活塞杆直径，m；
p——工作压力，Pa；
μ——气缸效率
一般双作用缸的工作效率在0.7~0.95之间。
由图2-1和图2-4可知，当切割刀片从闭合到完全张开，伸缩杆的行程为15.91mm，当切割刀片完全张开时的两个刀片的间距远远大于番茄茎的直径，所以可以选择行程为15mm的气缸。
本文设计的切割装置是针对于番茄茎来设计的，番茄茎质地比较嫩，直径较小。
同时切割装置的切割面比较小，所以只需要很小的拉力就能将茎剪断。
根据不同缸径的气缸对比和选择，最终确定选择缸径为10mm的气缸。
如下图所示
图2-7气缸机械尺寸
表2-1气缸基本参数
缸径\符号
A
AB
AC
B
C
D
DA
E
EA
H
PA
PB
10
24
6
18
13.5
22
6
3
M3x0.5
6
5
5.5
3.5
K
KA
KB
KC
L
LB
LC
M
MA
P
PC
3.3
3
11.5
8.5
3.3
7
8.5
12
3
M3x0.5
3.5
根据图2-7所示的气缸的相关参数，再根据式（2.5）可以得出实际输出拉力
Fo=π4（0.12-0.062）0.12X106X0.8=482.3N
再根据式（2.3）可以得出
F3=12F0=241.15N
根据上式计算的结果可以得知，切割刀片对茎的产生的压力为241.15N，又由于切割刀片的切割面比较小，近似于线型，所以能产生很大的压强，压强的大小远远超过番茄茎所能承受的极限。
2.3切割装置与动力源的连接装置设计
根据所选的气缸，采用的是外牙螺纹连接，如下图2-8所示
图2-8气缸接头机械尺寸
表2-2气缸接头基本参数
缸径\符号
AB
D
DA
E
EA
EB
FA
H
10
16.5
6
13.5
M5x0.8
9
10.5
4
5
根据表中数据，本文设计了如图2-9所示的Y型接头，Y型接头是目前气缸连接所需要驱动的元件使用范围以及使用次数最多的元件。
作为最合适的接头元件，Y型接头的抗冲击力比，耐磨性都比较好，同时制作接头的材料为不锈钢，不锈钢的物理和化学性质都很稳定，不易生锈和被化学腐蚀。
Y型接头的连接方式简单，易于拆卸和安装，并且该接头方式的自由度少，对提高本文的切割装置的稳定性有很大的作用。
同时，用螺纹与气缸连接，可以调节接头的转动角度。
防止接头与伸缩杆因角度的不同而无法连接的问题，所以在本文设计的驱动的连接中采用了该种接头。
图2-9气缸接头连接图
注：
1.气缸2伸缩杆3Y型接头4连接销
2.4切割装置的固定与定位
2.4.1切割装置的定位
为了能使番茄被手指夹持固定后，使得番茄茎能进入到切割装置的切割面内，顺利的完成切割，所以，需要对切割装置的位置进行定位，确保切割面的中心位置处在番茄中心位置的上方
如图2-10所示
图2-10切割装置定位图，单位mm
一般番茄的直径约为70mm，在图中，该球体为一般番茄的大小模型，其中心位置与切割装置的切割面的中心位置处于同一条直线上，距离抓盘表面的距离为47.5mm，番茄的半径为35mm，预留12.5mm的预留空间。
番茄的中心位置与切割装置的切割面的距离为51mm，预留16mm的茎长。
在采摘西红柿时，通过控制番茄进入手指抓取范围的深度，从而使得番茄的茎能达到预想的位置，完成采摘。
2.4.2切割装置的固定
在完成对切割装置的定位后，还需要将该切割装置固定在机械手上，以免在作业时，发生偏移，影响采摘效果
如下图所示，为本文设计的切割装置的固定装置。
图2-11切割装置固定
注：
1切割装置2固定底板3二指抓盘4机械手与手臂连接件5固定侧板
先将切割装置与底板固定，然后再将与底板固定后的切割装置，利用两个固定侧板将该切割装置固定在二指抓盘上，使得切割装置与抓盘成为一个整体，在采摘时利用气动软体手指对番茄进行夹持和固定手，切割装置切断茎从而完成番茄的采摘。
其中气缸与底板的连接如图2-12所示。
图2-12气缸与底板连接图
2.5本章小结
本文设计的切割装置创新点在与将滑槽杠杆式回转型夹持机构的手指设计成了易于完成切割和切断番茄茎的切割刀片，这样能最大限度上的提高压强，但是并不需要很大的驱动力，所以在一定程度上减轻了切割装置的重量和成本。
缺点在与该切割装置与夹持装置是固定在一起的，缺少了能自由调节切割装置的位置的功能，可能会导致在采摘过程中，番茄茎不能准确的进入到切割面的范围内
第3章软体手指密封与连接固定结构设计
3.1密封元件设计
3.1.1密封的目的与作用
密封是气压和液压系统中重要的一环，同时，密封也是考验和衡量一个气压和液压系统是否合格的重要指标。
为了实现气压与液压系统的精确与稳定操作，压力的稳定是保障，只有压力稳定可控，才能使系统达到所需的要求与功能。
同时密封的好坏也会影响元件的使用安全和寿命。
做好液压的密封能防止液体的泄漏，从而防止液压油的浪费和对环境造成污染
，以及液压油对相关设备的运行功能产生影响，同时也可以防止其他污染物通过泄漏口就如到液压油，从而损坏液压系统中的相关元件。
甚至可能会导致系统内部的堵塞
气压系统的密封则关系到气压系统中的压力不足的问题，压力不足则会影响系统的相应速度，特别是在相关的生产流水线上，相应速度的降低会大大降低生产的效率。
同时也会导致执行元件的动作难以控制，不稳定，容易造成较大的偏差等问题，所以，气动系统的密封也尤为重要。
3.1.2密封的类型
密封是保证气压和液压系统正常工作的重要保证，通常这两种系统的泄漏主要是在两个方面，第一是密封件的材料和设计的结构不完善，导致密封面不能完全密封。
第二种是密封部位的压力差较大，导致液压油或者气体向着压力小的一方泄漏。
根据泄漏原因，这几种密封方法。
1.改进密封件材料与结构使其完全密封；
2.将泄漏的部位与主通道隔离；
3.增加泄漏同道中的阻力；
4.设置做功元件，对泄漏介质造成压力，以抵消或者平衡泄漏通道的压力差。
本文设计的密封元件属于第一种封住结合面的间隙的密封方式，同时也属于静密封，如图（3.1）所示，是本文针对本次设计的软体手指得一种密封装置，该装置有两部分组成。
图（3.2）为手指的接口形状。
图3-1密封件图3-2手指接口
注.1进气孔2进气槽3密封面
4平台5密封凸台
图3-1中的两个元件组成了图3-2所示的软体手抓借口出的密封元件。
当图3-1中的两个元件接合时，密封面与密封凸台之间会有一定的间隙，该间隙的厚度略微小于软体手抓接口处的厚度，这样是为了增加密封面的应力，防止泄露。
同时软体手指接口处的凸环与图3-1中的平台在两个元件接合时的压力下紧密接触，将手指与密封元件牢牢连接在一起。
将密封元件的密封凸台和密封面设计成倾斜面是为了在有限的凸台高度内增加软体手指的接口与密封元件的接触面积，增强密封性。
如图3-2所示，软体手指内部
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