辅助人工采摘苹果装置设计说明书

分你类号 单位代码 密 级 学 号 本科毕业论文（设计）题 目辅助人工采摘苹果装置设计作 者院 (系)专业班级学 号指导教师答辩日期辅助人工采摘苹果装置设计 毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人毕业论文（设计）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 作者签名: 辅助人工采摘苹果装置设计摘要：目前，世界上各国对于果园收获机器人的研究虽然很多，但由于果园环境复杂，自动导航辨识系统工作时的准确率并不是很高，所以全自动智能化作业采摘苹果设备并没有大规模地应用到实际生产生活中，而农民阶层从古时候到现代一直都属于收入偏低的一群人，他们挣钱的方式就是靠自己纯粹的体力劳动来换取报酬，这也是在我国高度智能化农业机械未能大规模应用的重要原因之一，再加上我国从建国到如今科技飞速发展的时间并不是很长，在农机这方面的投入比重也是从最近几年才开始增加，所以，现阶段内其实是很需要有一种农业机械来代替人力完成繁重的果园劳作，这次的毕业设计课题从某种意义上来说，也是对这个领域的一种探索，而且家里的主要经济来源也是依靠苹果园林，本身也希望未来能够有这么一种机械问世以减轻父母身上的重担，所以这次的毕业设计是很有意义的。 抛开我国的智能化采摘机械设备研究进展程度不说，但就其成本而言，一台成熟的智能采摘设备对于果农而言，它的价格是无法接受的。而市面上常见的一些简易采摘器又无法完全承担起整个采摘任务，减轻果农的劳动强度，希望能够通过本次的毕业设计课题改善这种情况。本次毕业设计的主要内容包括： 首先，从搜集的资料来看，关于辅助人工采摘苹果的研究很少，所以很多地方了参考国内外关于苹果采摘机器人的设计思路，提出本次课题设计研究的基本原则。其次结合果园实际情况，以整个装置中的采摘机构为主进行设计工作，同时对其他各部分机构进行了具体的结构设计，除此之外，还结合果园植株的实际生长情况对装置的各部分零件的参数规格进行了计算，利用所学知识对整个装置的伸缩杆进行稳定性校核，以及对主要零件进行强度校核，确保方案的可行性。然后利用现有的仿真软件Creo 2.0对辅助人工采摘苹果装置进行模拟仿真，做出整个装置的三维效果图，对照实际果园采摘情况进行分析，改进方案，同时利用工程制图软件CAD软件绘出辅助人工采摘苹果装置的装配图及各部分主要零件的零件图，使整个方案设计更加严谨，准确。关键词：采摘器；伸缩杆；农业机械；模拟仿真；苹果Design of the device for assisted artificial picking of applesAbstract:At present, there are many researches on orchard harvesting robot in the world, but because of the complexity of orchard environment, the accuracy of automatic navigation and identification system is not very high. So the fully automatic and intelligent apple picking device has not been applied to actual production and life on a large scale, and the peasant class has been a group of people with low incomes from ancient times to modern times. Their way of earning money is to rely on their own pure physical labor in exchange for remuneration, which is one of the important reasons why highly intelligent agricultural machinery has not been applied on a large scale in our country. In addition, the period between the founding of the peoples Republic of China and the rapid development of science and technology in our country is not very long. The proportion of agricultural machinery in this area has also increased in recent years. Therefore, at this stage, we really need a kind of agricultural machinery instead of manpower to complete heavy orchard work. In a sense, this graduation project is also an exploration of this field, and the main source of income of the family is also dependent on the apple garden. I hope there will be a machine to lighten the burden on my parents in the future, so this graduation project is very meaningful.Aside from the research progress of intelligent harvesting machinery in China, the price of a mature intelligent picking equipment is unacceptable to fruit farmers in terms of its cost. And some common simple pickers in the market can not fully undertake the task of picking, reduce the labor intensity of fruit farmers, hope to improve this situation through the graduation project. The main contents of this graduation project include:First of all, according to the collected data, there is little research on artificial apple picking, so many places refer to the design ideas of apple picking robot at home and abroad, and put forward the basic principles of this subject design research. Secondly, according to the actual situation of orchard, the picking mechanism of the whole device is used as the main design work, and the other parts of the mechanism are designed concretely, in addition, According to the actual growth of the orchard plant, the parameter specifications of each part of the device are calculated, the stability of the telescopic rod of the whole device is checked by using the knowledge learned, and the strength of the main parts is checked, and the strength of the main parts is verified. And then using the existing simulation software Creo 2 to simulate the artificial picking Apple device, make the three-dimensional effect map of the whole device, analyze the actual orchard picking situation and improve the scheme, and draw the assembly drawing of the auxiliary artificial picking Apple device by using the software CAD software of the engineering drawing software. The parts drawing of the main parts of each part makes the whole design more rigorous and accurate.Keywords：Picking device, telescopic rod, agricultural machinery, appleIII目录1 绪论11.1 辅助人工采摘苹果装置的研究背景11.2 国内外研究现状及发展趋势11.2.1 国外研究成果现状：11.2.2国内研究现状：21.3 辅助人工采摘苹果装置研究的目的和意义31.4 研究内容和方法32 辅助人工采摘苹果装置研究方案设计42.1 苹果生长特性环境及果园实际种植现状42.2 辅助人工采摘苹果装置总体设计42.2.1 辅助人工采摘苹果装置整机机构方案设计52.2.2 辅助人工采摘苹果装置工作过程简介53 辅助人工采摘苹果装置采摘执行机构的设计73.1 伸缩杆设计73.1.1 伸缩杆结构设计73.1.2伸缩杆设计计算及校核83.2 采摘头连接装置设计103.3 采摘头设计103.3.1 夹持机构103.3.2 切割机构113.3.3 传动控制134 果实安全传输装置的结构设计145 辅助人工采摘苹果装置运输机构的选择166 采摘机构受力分析及弯曲切应力强度校核177 部位仿真模拟分析207.1软件介绍207.2绘制零件图20总结25参考文献26致 谢27附录301 绪论苹果种植业是陕西地区农业生产的重要组成部分，苹果也是陕西的特产之一，尤其是我的老家几乎家家户户种植苹果。而每年秋季采摘苹果也成为果农们最重要，也是最辛苦的农业劳作之一，之所以这样说，是因为苹果成熟期很短，而果农们要赶在果实自然成熟脱落之前完成采收工作，劳动强度大，作业要求高，同时整个采摘工作完全依靠人工完成，自然也是果园农业生产工作效率低下的集中环节，而且随着工业的兴起和发展，相对于收入微薄的农业劳作，大部分人更愿意去大城市打工赚钱，这样就导致了大量劳动力流向工业领域，这对本就需要高强度劳作的苹果采摘来说无疑是雪上加霜，所以对于农业发展而言，机械化生产劳作无疑是提高生产效率的有效途径，也能大幅度缓解果农果农劳作的辛劳，对促进农业发展有着重要意义。1.1 辅助人工采摘苹果装置的研究背景在我国北方大多数地区，苹果种植多数停留在人工作业的阶段，由于成本以及环境等因素的制约，现代化机械生产作业对于果民来说还是有一定困难，而果园生产又是一项十分辛苦的劳作，除此之外，人工作业采摘苹果还存在很多的安全问题，比如在采摘苹果的过程中，难免会遇到需要穿过树枝驳杂的地方采摘苹果的情况，这时候手臂一不小心就会被树枝划伤。再比如果农在采摘果树枝头的苹果时，需要借助梯子或爬树才能够得着，有很大几率摔伤，这也是危险来源之一。据调查可知，果农在采摘高枝苹果时普遍采用人字梯工具，而且为了节省时间和采摘效率，很少采用安全防护措施，这使得高枝苹果采摘工作充满了危险和不确定性。而且这种采摘方式由于在高处作业，必然是一手扶梯以固定身形，另一只手单手进行采摘，容易使得苹果果柄从根部断开，或者在采摘时用力较大而影响其他成熟度高的苹果掉落，出现残次果品，影响苹果成交价格。所以需要一种辅助人工采摘装置来解决这些问题，使人们不用再爬高就能方便地完成采收工作。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 国外研究成果现状：利用机器人收获果品蔬菜的想法最早来源于美国的两个学者，自此后各国纷纷展开了收获机器人方面的研究，直至今日已经颇有成效。目前国外对采摘机械的研究主要是向智能化，自动化的方向发展，借助机器人的机械结构来实现这一想法。它的主流研究思想是以人机协作的方式，即由人来完成寻找、导航、定位待采摘苹果，由机器人来完成果实的采摘任务，而在不久的将来，定位，导航的工作也将会有机械电子装置完成，到那时，所有的工作都将以机器来完成，果农不必再为采摘苹果而烦恼。从国外采摘机械的发展历程来看，收获机器人的主流结构大致有三个部分组成，即运输，采摘以及识别部分。其中采摘部分多数是采用机械臂结构，比如1944年韩国国立大学的Jang等人所设计的苹果收获机器人，还有2004年美国加利福尼亚西红柿机械公司生产出的一款西红柿采摘机器人，都是用机械臂，不同的只是其自由度不同。利用机械装置来代替人力作业一直都是社会发展进步的标志，采收智能机器人一方面可以极大地解放生产力，提高采摘效率，但同时它的缺点也十分明显，由于果园的环境比研究人员的实验室工作环境要复杂的多，比如多变的天气，地面并不是平整的混凝土而是松软的土壤等等，以及目前采收机器人的智能化水平并还不足以完全解决苹果采摘时的路径导航识别等问题，所以说，要想大规模地使用机器人来代替人去工作在现阶段内还是很难实现的。1.2.2国内研究现状：由于历史及各方面的原因，我国研究果园采摘机械相比较于其他各国来说算是起步较晚的，而且在我国果树种植业多在北方，以山种植地为主，崎岖不平的路面使得正常车辆出行都受到限制，更别说是在果园的松软地面了，这也是机械化采摘作业发展受到限制的原因之一。不过随着社会经济的发展，从90年代开始，市场因素带动果树种植热潮，以市场需求为导向的各种简易采摘器越来越多的现在人们的视野，对果园种植业的发展也起到了一定的作用，不过这也不能完全地解决我国农业采摘的诸多问题，直到我国第一台多功能果园作业机问世，无论从那种角度来讲，这都是一件令人振奋的事情，因为这标志着我国的农业机械化发展迈出了关键性的一步。相比较于国外发达国家在机器人采摘领域方面的研究，我国在这方面确实还显得很稚嫩，不过国家对这一领域也是十分重视的，先后出台了不少政策以鼓励智能化机器人采摘果实研究领域的发展，不仅如此，近年来国内许多高校也积极投入农业机器人采摘领域的研究，取得了一定成果。在我国现阶段内苹果种植就成本，技术等种种因素考虑，现阶段内果农可以使用的采摘机械应是以人为主，机械为辅的。即机械装置被设计出来，其主要目的是为了帮助果农完成采摘任务，减轻果农的负担，而不是以完全替代果农劳作为目的，这也是现阶段内最适合我国农业生产现状的机械装置设计思路，而这又往往被很多学者所忽略。1.3 辅助人工采摘苹果装置研究的目的和意义21世纪以来，随着我国现代化农业改革建设的不断深入，原始的农业发展模式正逐渐被各种机械所替代，但在苹果采摘这一领域却并没有实质性的研究突破，比如工业上很多设备生产都已经实现智能化管理，而在农业采摘作业方面仍旧是纯手工完成，果农需要踩高爬低地辛勤劳作，累的腰酸背痛不说，效率还不高，这样的生产方式不仅耗时费力，而且在采摘过程中，果农需要不断地爬高，很容易从高处跌落，存在很大的危险。本课题的研究就是为了减轻果农的劳动强度，提高采摘效率，避免爬高带来的意外伤害。1.4 研究内容和方法次辅助人工采摘苹果装置的设计是结合果园实际情况，以及果农在人工劳作时的具体过程，了解苹果采摘的细节，然后以整个装置中的采摘机构为主进行设计工作，除此之外 ，对其他各部分机构也进行了具体的结构设计，还结合果园植株的实际生长情况对装置的各部分零件的参数规格进行了计算以确保装置被设计出来不会出现无法组装的问题。除了这些，还做了许多其他的工作，比如： （1）通过对苹果果园的实地考察，了解苹果的生长环境和栽培方法，收集苹果的主干基径，树冠高度，树冠基径等实际参数，并以此为基础，结合机械设计的基本准则，从实用性的角度出发，提出合适的设计方案。 （2）利用自己熟悉的CREO 2.0仿真软件对辅助人工采摘苹果装置进行模拟仿真，对照实际果园采摘情况进行分析，改进方案，同时利用CAD软件会出辅助人工采摘苹果装置的装配图及各部分主要零件的零件图，使整个方案设计更加严谨，准确。(3) 利用所学知识对整个方案的主要零件进行设计计算与校核，确保整个装置的可靠性与可行性。 2 辅助人工采摘苹果装置研究方案设计2.1 苹果生长特性环境及果园实际种植现状 本次辅助人工采摘苹果装置的设计涉及到苹果的采摘作业，所以在选定设计方案前，需要对苹果的植株生长情况及果园的地形地貌有一定的了解，以礼泉的果园为例，本次的实地考察调研得到的数据资料，虽不全面，但也能反映出一些情况。 果园内在种植苹果时，通常会分列种植，两列之间会留出足够距离作为作业通道，以方便管理果树。植株以高度分为乔化树种和矮化树种，考虑到树冠基径，树冠高度等情况，会留出3-4米的距离作为株距，为果树留出足够的生长空间。 果园地面多为松软的土壤，目前果树果实的培育方式多为双层套袋，及在果树刚结出果实的时候为其套上一层塑料薄膜，待其长大一些，再套上纸袋防止病虫害，同时保证果品的果面光洁，但这样做也会影响苹果的着色。所以在果实成熟之际，果农会在去掉套袋之后在地面上铺一层反光膜材料，这样既保证了苹果果树根部的水分和湿度，同时反光膜的反射作用可以使阳光照射到苹果的背阴面，以弥补果实光泽度不足的问题，一般对于树冠高处的成熟果实而言，果体直径在75mm-95mm左右。表2.1 树形结构列表及相关参数（以下数据为均值结果）项目主干基径树冠高度树冠基径底枝高度乔化树种19.85301.84146.4109.6矮化树种21.04216.93179.274.72.2 辅助人工采摘苹果装置总体设计 辅助人工采摘苹果装置是一种为了解决人们采摘高枝苹果效率低，耗时费力等问题而设计的农业机械工具，在设计时除了实现这一目标，还应该考虑一些其他的基本问题。比如该装置的可操作性，因为辅助人工采摘苹果装置的使用者是广大果农，他们大多数人并不懂如何去维修坏掉的机器，所以在设计时就必须考虑装置的结构是否简单易用，装置是否易于维修，可靠性是否足够等等。除此之外，还要考虑成本的问题，结合现有资料来看，现如今我国的果园种植基本上都是那种各自经营自家的一亩三分地，而且所研究的辅助人工采摘苹果装置本身的利用也仅仅是应用于苹果采摘这一个环节，若是成本高昂，必然会导致果农难以接受，提高果园生产效率也就无从谈起了，基于此，本次的辅助人工采摘苹果装置是以机械结构为主来进行设计。2.2.1 辅助人工采摘苹果装置整机机构方案设计目前世界上关于苹果采摘的果园收获机器人结构的研究大致分为三个部分，即果实的成像识别技术，采摘机构设计和运输方式设计，且越来越趋向于智能化和一体化，其中采摘机构多脱胎于工业上的机械臂结构，以实现采摘范围的最大化。本次设计方案也借鉴于这种设计思想，整个装置整体分为三个部分，即采摘执行机构，果实安全传输机构和运输机构。 其中采摘执行机构主体部分采用伸缩杆和采摘头，采摘头结构以夹持机构，刀架和电机为主进行设计。果实传输机构实际上是一种柔性很好的布料制成的中通的袋子，采用内外两层设计，外层采用弹性很好的布料柔性带，上大下小，内层采用环节式弹性网设计，以减缓苹果坠落时的速度，避免过大的加速碰撞而使苹果受到损伤。运输机构分为外层整体设计，外框结构，内框结构三个部分，外层整体设计初步确定为小推车样式，外框结构固定在小车上，同时预留出采摘执行机构位置，内框作为活动式结构，在收集满后可整筐取出，便于之后的运输。辅助人工采摘苹果装置总体结构方案设计示意图如图2.1所示：图2.1 辅助人工采摘苹果装置总体结构方案示意图2.2.2 辅助人工采摘苹果装置工作过程简介果农在采摘苹果时首先确定采摘对象，然后利用夹持机构将苹果纳入采摘范围，利用钢丝绳拉动弹簧，使夹持机构收紧从而固定住苹果，进而利用夹持机构上部的刀架部分剪断果柄，放松夹持机构，使苹果落入中空布袋掉入收集筐中，完成采摘过程。 3 辅助人工采摘苹果装置采摘执行机构的设计本次辅助人工采摘苹果装置采摘执行机构，它的特点是结构简单，采用机械式伸缩杆代替智能化机械臂，采摘头部分以自主设计的夹持机构和切割机构为主完成苹果与果树的分离工作，整个结构采用轻质材料，重量轻便，不会对人造成大的负担。3.1 伸缩杆设计3.1.1 伸缩杆结构设计伸缩杆主体部分分为内管和外管，以及伸缩杆中部的连接紧固装置，与市面上常见的伸缩杆装置类似。如图3.1和3.2所示。 3.1 伸缩管外杆伸缩杆中部的连接紧固装置的作用是用以控制伸缩杆的长度，它的原理类似于数控机床上的刀架装夹装置，分为固定在外管上的承定件和采用螺纹旋紧方式的游动帽。如3.2所示。承定件作为连接部分的一端，主要作用是固定内管的方位，使其不会发生大幅度的摇摆晃动，它的外形如圆柱状，顶端有六个弹性片，中部覆以螺纹。游动帽内孔是以内管尺寸为标准设计的，它的内表面上设置有缺口，与缺口对应的是外管上的卡口，活动件内表面上覆盖了一层摩擦条，当承定件与游动帽通过螺纹旋紧，螺纹收紧时，游动帽压迫承定件上的弹性钢片固定住伸缩杆，同时其内表面的摩擦条产生静摩擦，防止伸缩杆产生绕轴心的旋转，这样就保证了伸缩杆在使用时的可靠性和稳定性。 图3.2 伸缩杆承定件及游动帽3.1.2伸缩杆设计计算及校核从之前收集的果园植株基本数据可知，苹果果树的树冠基本高度在3m左右，而果农在采摘苹果时是手持伸缩杆进行劳作，去掉果农的身高，则伸缩杆总长至少为2.5 m，按以往的经验来进行设计，如图3.3所示： 图3.3 伸缩杆长度设计原则图中L1为内管长度，L2位外管长度，L2为外管内部预留承接内管部分的长度，以防止内管从根部折断，L4为内管底部底托长度，L5为整个伸缩杆正常工作时的极限长度。即 根据果农手持杆状物体的实际情况和用力特点，选用外管的外径为30mm，厚度为 2mm,内管从结构上来说是与外管套在一起的，所以它的外径应该略小于外管内径，即，取内管的外径为28mm,厚度为2mm. 细长杆在受压时，根据力学原则，它的轴线必然发生弯曲，杆件本身也会发生明显的变形甚至折断，由简明材料力学第十章“压杆稳定”对压杆的定义，可以将伸缩杆简化为一端固定一端自由的压杆则，利用欧拉公式来对它进行稳定性校核。 由欧拉公式的适用范围可知，对小柔度压杆，应按强度问题计算，通过校验细杆的强度来确定是否合格，而对大柔度压杆来说，需要用用欧拉公式计算临界应力，若超过临界应力的适用范围，则需要对杆进行重新设计，对中柔度压杆则来说，欧拉公式并不适用，所以需要用到经验公式来计算临界压力。 辅助人工采摘装置在工作时主要有人提供采摘所需要的力，所以整个伸缩杆的材料应在满足各项性能要求的前提下，尽可能地选用轻质材料，以减少整个装置的重量，减轻果农的负担。本次设计所选用的材料中，伸缩杆连接件材料为塑料材质，伸缩杆杆体材料为304不锈钢。其材料的主要性能为：弹性模量为 ，比例极限 ， 由表3.1可知，表3.1 不锈钢的参数表钢号钢板标准使用状态厚度/mm在下列温度下的许用应力/Mpa20100150200250300350400425450475500高合金钢侧板oCr13AlGB 4237退火2151181051011009997959087-oCr13AlGB 4237退火2601371261231201191171121091051008972oCr18Ni9GB 4237调质260137137130122114111107137137137137137137114103969085827978767574oCr18Ni10TiGB 4237调质，稳定化260137137117130112114111108106105104102137114103969085828079787776其许用安全应力为137MPa，结合上述伸缩杆的规格参数以及其应该能承受的最大压力，即 , ，直径，规定安全因数， 由简明材料力学第十章式（10.9），求出 （1） 伸缩杆可简化为一端固定一端自由的压杆，则 由简明材料力学第十章三小节的内容可知，伸缩缩杆横截面积为圆环形， （2）所以它的柔度为 （3）因为 ，即该伸缩杆可用欧拉公式计算临界压力，则 （4）所以 伸缩杆的工作安全系数为， （5）所以满足稳定性要求。3.2 采摘头连接装置设计本次设计主要采用机械式结构，所以在采摘头与伸缩杆的连接装置上，仿照台灯支架的结构，采用阻尼转轴作为连接机构。根据设计尺寸及生产需要，选用用东莞市多信电子有限公司生产的型号为LG403A一字转轴，实物图如图3.5所示： 图3.5 一字转轴实物图3.3 采摘头设计3.3.1 夹持机构 夹持机构在设计时分为两部分，如图3.6所示，图3.6 夹持机构1模拟仿真图其内部轮廓仿照苹果外形为不规则的圆形，而且在其外表面上并不是只有硬度很大的钢材，为了保证苹果果实的完好程度，夹持机构在与苹果表面直接接触的部分是采取海绵材料作为缓冲层，这样既方便夹取而且不伤苹果。夹持机构在工作时它的外部轮廓类似于矩形，中间相接合，内部装有轻质弹簧，同时在刀架两侧装有弹性管架，以螺栓的形式连接在采摘头刀架上，工作时，手柄处用力使弹性管内部钢丝绳收紧，拉动夹持面接合，为果柄切割做准备，放松钢丝绳，夹持面分离，苹果落入果实传输装置，采摘过程完成。夹持机构尺寸根据苹果大小设计，收缩范围为750950 mm。3.3.2 切割机构切割机构是采摘苹果的重要部分，其主要结构有刀杆，刀架，刀片，电机，行星减速器等，它的原理是依据偏心轴-连杆机构将圆周运动转化成直线上的往复运动。在设计之初曾经考虑过采用人力拉动弹簧的方式来完成动力的输送，成本较低，但最终还是放弃了这个方案，因为一方面采用人力在频繁多次的剪切过程中很容易会感到疲劳，另一方面是因为所设计的夹持机构同样要采用弹簧结构，出于结构简单方面的考虑，最终决定采用电动的方式。 对于成熟的苹果而言，它的果实果柄其实是已经接近脱落边缘，而且这时候的果柄不会很硬，所以相较而言所需要的剪切力并不是很大。由采摘苹果的经验可知，切割机构较为合理的工作方式为每分钟剪切912 次，即偏心轴工作速率，然后据此选择合适的电动机以及减速器。 由机械综合课程设计第三章内容可知，切割机构所需的功率为，已知偏心轴零件直径， (6) 所以 ，所以电动机所需功率, (7)根据值拟选用常州市德利来电器有限公司生产制造的型号为63ZYT002型12v直流电动机， 确定电动机转速，由 , （8）可得传动比 （9）据此选择减速器，拟采用马步崎公司生产的型号为M22GXR型行星减速器，实物图如图3.7所示，配合电机使用，它的规格参数信息见图3.8。图3.7 行星减速器图3.8 行星减速器参数规格3.3.3传动控制 采摘头的传动控制由手柄，钢丝绳，弹性管架，轻质弹簧构成，手柄采用铰接的方式，工作时捏合手柄，钢丝绳收紧，从而拉动弹性管使加持机构接合，放松手柄，加持机构会在轻质弹簧的作用下恢复原位，这样就完成了一次采摘的辅助工作。其结构设计示意图如图3.9所示： 图3.9 加持机构原理示意图4 果实安全传输装置的结构设计苹果作为一种商品出现在市场上，它的价格是与果实外形的完整程度息息相关的，所以在采摘过程，如何保证苹果果实在从高处落至地面的过程中完好无损，是在设计果实安全传输机构首先要考虑的问题。要使苹果果实能够安全地落至地面，首先就是要减缓它的下落速度。此次所设计的果实传输机构实际上是一种柔性很好的布料制成的中通的袋子，采用内外两层设计，外层采用弹性很好的布料，上大下小，内层采用环节式弹性网设计，以减缓苹果坠落时的速度，避免过大的加速碰撞而使苹果受到损伤。整个结构分为接收架，传送装置两部分，接收装置外形为直径为1300mm的圆形圆环，由弹性钢材料制成，而传送装置为中空的布袋，布袋内侧辅以环节式的弹性网，弹性网为圆环状，示意图如图4.1所示，它的直径应该略小于苹果直径，通过这种结构来减缓苹果下落时的速度，整个传送装置外形呈上宽下窄的形状。 图4.1 传输机构结构示意图由本文第二章内容可知，苹果果树高处的果实直径一般为75cm95cm，保守起见，取果实直径为100mm,为确保果实能够落入传送装置内，接收架的直径应该比果实直径略大，取150mm。为使本装置能够成功减缓苹果下落速度，弹性网的伸缩范围应该与苹果果实的大小相匹配，经过筛选，拟采用聚氨酯弹性纤维材料制成弹性网，其材料特性如表 所示。弹性布袋设计采用上宽下窄的结构，也是由于布料为弹性材料，苹果进入布袋后运动至底部，在布筒弹力的作用下，速度会减至最小，最终安全地落至地面。5 辅助人工采摘苹果装置运输机构的选择果园种植农业发展到现在，虽然未有智能化设备大规模地普及，但各种帮助果农劳作的机械装置层出不穷，现在的农村在田间地头运输苹果时，多采用小车运输至果园外，然后由三轮车运回家中。基于此，本次设计的苹果装置运输机构以运输小车的结构为主改造而来，其结构分为外层整体设计，外框结构，内框结构三个部分，外层整体设计初步确定为小推车样式，外框结构固定在小车上，同时预留出采摘执行机构位置，内框作为活动式结构，在收集满后可整筐取出，便于之后的运输。辅助人工采摘苹果装置总体结构方案设计示意图如图5.1所示：图5.1 运输机构设计示意图576 采摘机构受力分析及弯曲切应力强度校核由简明材料力学对梁部分内容可知，本次所设计的采摘机构可简化为外伸梁结构，为保证机构能够具有最大限度的可靠性，在进行受力分析时采用转角进行分析，此时有，受力分析简图如图6.1所示： 图6.1 采摘机构受力简图及弯矩扭矩图由静力平衡方程求出支反力， (10) 求得位52列剪力和弯矩方程，在AB段内， (11) 求得弯矩和扭矩图见图6.1，此时已知则由简明材料力学第六章式(6.8) 可得 (12)则 (13)由弯曲切应力的强度条件 (14)可知，切割机构满足要求。7 部位仿真模拟分析7.1软件介绍Creo 2.0软件是我在学校接触到的一款功能性很强的软件，它在三维立体图形实体设计方面有着很强大的优势，而且界面很简洁明了，操作也是依据人们在现实生活中的视物习惯来设计，满足了我对实体模拟仿真的要求，其实在三维模拟仿真方面有很多功能强大的软件，但至今为止我最喜欢用的还是PTC公司发布这款软件。在Creo 2.0软件出现之前，工程师们在设计软件方面通用的是Computer Aided Design (CAD)软件，对三维实体来说，CAD并不能直接展示所设计的结构的效果，这对于设计工作来说难免会有一种朦胧感，其实CAD 软件从电脑技术出现的时候就与工程设计结合在一起，到现在已经沿用了十几年时间了，它的市场以及技术已经逐渐成熟，然而相较于三维软件来说，它的操作界面繁琐，软件复杂，可以说，CAD软件想要重新获得跃进式的发展，首先要解决的就是界面操作复杂的问题。相比较而言，在三维制图方面，Creo 2.0软件更具有优势，而且它制作出来的三维立体图形也可以直接转换导出工程图样，很是方便快捷。7.2绘制零件图以采摘机构刀头零件为例，先创建新的文件，为绘制立体图做准备，具体步骤如下：准备工作：将目录D:/dbcreo2.0/work/ch03/ch03.01 设置为工作目录。操作步骤如下：Step1.选择下拉菜单 命令。Step2.选择文件类型和子类型。如图7.1所示。 图7.1 Creo 2.0新建文件对话框Step3.输入文件名。在文本框中输入文件名“刀头.prt”。Step4.取消复选框并选取适当的模板，这里选取毫米作为单位直径。系统进入零件的创建环境后，进行如下操作：（1）在“模型”面板中单击 按钮。Step1:单击拉伸特征操控版中 按钮，再在弹出的界面中单击按钮，系统弹出“草绘”对话框。如图 7.2 所示。这时选定截面方向，点确定按钮。 图7.2 Creo 2.0文件“草绘”对话框Step2.定义截面草图放置属性。Step3.创建特征的界面草图，用操作面板上的“草绘”模块中的图形选项来做出零件的平面截图。如图7。3所示。图7.3 创建特征的截面草图Step4.定义拉伸深度属性。选取深度类型并输入深度值。选取深度方向。如图7.4所示。图7.4 选取特征的深度类型并输入深度值Step5.完成特征的创建。在完成平面草图的截面特征后，定义其所有要素，然后用操控版中的“预览”选项检查所有特征是否正确，若存在错误则会有信息提示。预览完成后，单击操控版中的“完成”按钮，完成特征的创建。（2）添加拉伸特征。创建零件的基本特征后，还可以在原有零件的基础上增加其他特征，可以利用这项功能做出壳体等。与创建零件基本特征相类似，不同的只是在定义拉伸属性时，选择选择反向拉伸并去除材料，如图7.5所示。图7.5 特征的反向拉伸（3） 采取同样的方法定义剩下的拉伸特征，完成零件的创建。 7.3 零件的有限元分析为了使装置具有更好的可靠性，即使用有限元分析的方法对主要零件的受力情况进行分析，以便于对装置的使用情况有一个大致的模拟。以传输机构中的传输架为例，其有限元分析结果云图及基本数据如图7.6和图7.7所示：图7.6 传输架有限元分析结果云图图7.7 传输架有限元分析测量结果由图7.6云图可以看出，并无红色部分出现，所以整个传输架出现应力集中的地方几乎没有，而且根据图7.7测量数据结果也可知，理论上该传输架是能够承受整个传输机构在工作过程受到的力及载荷，综上所述，该传输架零件是符合要求的，其他零件亦可以用这种方法进行简单的测试。总结本次毕业设计是我在校内第一次独立自主完成的全面系统的设计工作，之前也有过这种设计经验，比如之前所做的基于激光切割技术的工艺制造“基于激光切割技术的工艺制造”，“压条零件的机械加工工艺流程设计”等等，但那时是分组完成，每个人只负责一部分工作，相对来说容易许多，而这次的毕业设计工作从开题到最后的定稿，全都是自己一人完成，由于此次的设计只属于理论部分设计，并不牵扯到实物制作，很多数据其实与实际应用并不符合，也没有办法通过实际操作去获取第一手数据，这也是此次设计存在的最大问题，相对于其他学者所设计的科研成果而言确实有许多不足的地方，不过，在整个过程中，因为要用到许多知识点我又重新复习了许多以前学习时没有注意到的细节知识，在模拟仿真时对软件的操作又熟练了许多，我很感谢学校对这次毕业设计工作的重视，这也是督促我顺利完成毕业设计的原因之一，这一段时间，虽然在做毕业设计的同时还要跑校招去找工作，显得十分忙碌，但我却觉得自己过得很充实。我会铭记这四年时光，做一个对社会有用的人才，不辜负你们的期望。参考文献1国内外果园采摘机械研究与发展趋势探讨.华南农业大学文献综述2刘贯博.从日本果园机械化现状看我国果园机械发展趋势.1994.3罗平，王桂兰，李英娇.我国现代化农业机械的发展方向.2010.9.4张晋婷，张建，郭玉明.苹果采摘装置的研究与探讨.电子世界2014年第十期505-506.5刘长林，杨丽，张铁中.果蔬采摘机器人研究进展.2008.5.6濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计.高等教育出版社.2016.7孙伟，张晓光，张魁松.可控式苹果采摘装置设计.辽宁工业大学机械工程与自动化学院.2017.48陈翊栋，刘轶.果树气动剪枝机工作原理及现状.农业机械.2008.9杨文亮.苹果采摘机器人机械手结构设计与分析.2009.410王建超.悬挂式丘陵山地果园作业升降平台设计.2013.6.11Kumhala F Kavka M Prosek V. Capacitive throughput unit applied to stationary hop picking machine.Computers and Electronics in Agriculture.2013.12刘鸿文，简明材料力学.高等教育出版社.2008.613朱玉，机械综合课程设计.机械工业出版社.2012.314刘朝儒，吴志军，高正一等，机械制图.高等教育出版社.2008.6致 谢从去年抽取毕业设计课题开始到现在，毕业设计的工作已接近尾声，这段时间，我从一开始的茫然到现在的胸有成竹，很难说是一种什么样的心情。因为在刚开始拿到毕业设计课题的时候，我确实不知道该如何下手，然而经过指导老师的细心指点，我终于找到了方向，老师给我的帮助确实很大。 本论文的工作我的指导老师是周老师，我和周老师算是比较熟悉了，他对学生的要求就像对待他所教授的制图课一样严谨，认真，负责。在一开始的论文设计方案的设计中，我几乎没有任何思路，是周老师详细分析了我的课题所要实现的目标，并指导我查阅资料，看看别人的方案是怎么设计的，在我因为找工作和毕设焦头烂额的时候，也是周老师宽慰我让我不要着急，事情总是要一步一步地做，我的毕业设计能够及时完成确实离不开周老师的谆谆教诲。进而引导我完成整个方案的设计，在论文撰写的过程中，每当我想要破罐子破摔的时候，是周老师不断督促鼓励我，使我免于懈怠。真的很感谢周老师对我的帮助。 同时也要感谢我可爱的同学们，是你们提供给我许多的收集资料的途径，使我不再盲目的去寻找，让我的思维不再局限，为此，我要向你们表达我深深的谢意。毕业在即，虽然我马上要离开这个生活了许久的地方，但我不会忘记这段时光，不会忘记老师们对我的教诲，我会更加努力，不会辜负大家对我的期望。附录附录A 英文原文附录B 中文译文附录C 总装配图附录D 部件装配图附录E 主要零件图附录A 英文原文Auto Recognition of Navigation Path for Harvest Robot Based on Machine VisionBei He1, Gang Liu1, Ying Ji1,2, Yongsheng Si1,2, and Rui Gao11 Key laboratory of Modern Precision Agriculture System Integration Research, Ministry of Education, China Agricultural University, Beijing, 100083, China2 College of Information Science & Technology, Agricultural University of Hebei,Baoding 071001, ChinachujiningAbstract：An algorithm of generating navigation path in orchard for harvesting robot based on machine vision was presented. According to the features of or-chard images, a horizontal projection method was adopted to dynamically rec-ognize the main trunks area. Border crossing points between the tree and the earth were detected by scanning the trunks areas, and these points were divided into two clusters on both sides.