丝瓜采摘机器人的设计.doc

丝瓜采摘机器人的设计
　　摘 要：为了降低丝瓜采摘的人力成本，本文设计一种大棚丝瓜采摘机器人，以实现大棚丝瓜采摘自动化，根据采摘环境特点和工作方式要求，给出丝瓜采摘机器人的总体结构设计，并且对关键的机械臂进行设计说明。
　　关键词：丝瓜采摘机器人;机械臂结构
　　0 引言
　　由于中国社会经济结构和人口结构的转变，从事农业活动的人越来越少，从当前来看，果蔬采摘作业是农业生产中最耗时、最费力的一个环节，[1]属于劳动密集型的工作，急需实现果蔬自动化采摘以提高劳动效率。现设计一种大棚丝瓜采摘机器人，实现大棚丝瓜的自动化采摘。本论文所研制的丝瓜采摘机器人采取圆柱形坐标的结构形式，结构简单，运动控制简便，坐标计算容易，定位精度高。[2]同时采用伺服电机驱动，可控速度范围大，能源易得，精度高。采用两根THK公司生产的标准件引动器作为机械臂，增加传动精度，减小机器人质量，同时方便后续的机器人维修和零部件更换，提高采摘效率。[3]
　　1 采摘机器人工作方式与目标要求分析
　　机器人工作时移动平台移动到丝瓜种植区前方，水平引动器向后移动到最大位置，两台工业摄像机拍照并将照片传回单片机，单片机通过分析这两张图片，确定图片内所有丝瓜的位置坐标，然后控制机器人作业。作业时，通过移动平台内伺服电机的转动带动支撑台转动，将两根引动器转动到与被采摘丝瓜同一平面内的位置。与此同时，垂直引动器工作，将水平引动器移动到距离丝瓜顶部3cm处。之后，水平引动器开始工作，在电机的驱动下，水平引动器向丝瓜所在的位置伸出，直到丝瓜位于末端执行器的机械手开口中心。末端执行器上方的切割刀片在工作时，刀片处于复位状态（即切割刀片与水平引动器垂直，且刀口的朝向背向丝瓜）。在水平引动器到达指定坐标后，机械手抓合丝瓜，待丝瓜抓稳后，切割刀片工作，在直流电机的驱动下，刀片旋转270°，将丝瓜藤切断，此后回到复位状态。之后，水平引动器收回。支撑台旋转适当的角度并伴随垂直引动器的调整，将机械手中的丝瓜移至箩筐正上方，然后机械手松开丝瓜使其落入箩筐，这样一次丝瓜采摘就完成了。然后支撑台旋转伴随机械臂的调整，开始第二次采摘。在将照片中的丝瓜全部采摘完成后，引动器回到初始状态，移动平台向前移动到采摘区域，然后拍照分析进行下一次采摘。
　　采摘作业环境特点：本次课题所研究的丝瓜采摘机器人采摘的丝瓜种植于农田大棚中，之所以应用于该环境，是因为农田大棚的丝瓜种植利用春提早丝瓜栽培技术，可以做到早结瓜、早上市，增加丝瓜的产量和收益。而此次研究的采摘机器人正是用于该环境下进行丝瓜的采摘。大棚里的作物通常采用畦作栽培，丝瓜也不例外，通常情况下畦沟的宽度为80cm，两畦之间的宽度为125cm，种植时丝瓜种植在畦沟内两侧，两个丝瓜藤之间的横向距离为40cm，对称种植，其中圆圈代表丝瓜的种植地点。
　　2 丝瓜采摘机器人的总体结构设计
　　根据上述问题，本论文设计出了3自由度的采摘机器人，该机器人与目前市场上所出现的采摘机器人相比，优点在于采用圆柱形坐标的结构形式，结构简单，运动控制简便，坐标计算容易，定位精度高。基于双目视觉系统的图片分析能够通过分析丝瓜的形状，提高采摘精度，实现智能采摘。在机械臂的传动方面，采用最新型的谐波齿轮减速器，降低工作噪音，提高传动精度，增大工作转矩。[4