農業機械化及其自動化-文庫吧

【正文】 要時期。隨著農業生產的規模化、多樣化和精確化，農業生產作業要求逐漸提高，許多作業項目（如蔬菜和水果的挑選與采摘、蔬菜的嫁接等）都是勞動密集型工作，再加上時令的要求，保證作業質量成為關鍵問題；同時，工業生產發展迅速，農業勞動力將逐漸向社會其他產業轉移；隨著人口的老齡化和農業勞動力的減少，農業生產成本也相應提高，這樣大大降低了產品的市場競爭力 [1]。國外農業機器人發展迅速。自1983年第1臺西紅柿采摘機器人在美國問世以來，采摘機器人的研制和開發得到了快速發展(如圖1所示)。法國、荷蘭等國家相繼立項研究了采摘蘋果、柑橘、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機器人。日本近年在收獲機器人的研究方面進展很快，目前已經研制出番茄、黃瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收獲機器人，但技術不太成熟，還沒有真正實現商業化。我國在農業機器人領域的研究始于20世紀90年代中期，上海交通大學機器人研究所的曹其新、劉成良等人完成了智能化聯合收割機樣機的研制。南京農業大學沈明霞和浙江工業大學張立斌等人正在進行農業機器人視覺方面的研究。2022年，張瑞合等運用雙目立體視覺的方法研究了番茄收獲中果實的精確定位問題。采摘機器人是未來智能農業機械化的發展方向，具有廣闊的應用前景 [2]。 圖1 水果采摘機器人 圖2 番茄采摘機械手結構簡圖 采摘機械手應用前景 機械手又稱操作機,是指具有和人手臂相似的動作功能,并使工作對象能在空間內移動的機械裝置,機械手的主要任務就是將末端執行器移動到可以采摘的目標果實所處的位置。日本岡山大學研制出一種具有7個自由度的西紅柿收獲機械手 [3](如圖2所示)。收獲作業是一項勞動強度大、消耗時間長、具有一定危險性的作業。研究開發適合目前生產實際的果蔬果實收獲機器人不僅可以在很大程度上減輕勞動強度、提高生產效率, 而且具有廣闊的市場應用前景 [4]。果蔬收獲是一個季節性強的勞動密集型工作,由于勞動力的高齡化和人力資源越來越缺乏,采用機器人進行果蔬的自動化收獲變得越來越迫切. 但由于收獲機器人的工作環境往往是非結構性的、未知的和不確定的,因此給機器人的實際應用帶來了很大的困難. 要成功地實現機器人的智能化收獲,必須要在機器人的本體設計、果實的自動化識別和定位、機器人運動規劃和控制技術等方面進行深入的研究 [5]。本課題的研究主要是運用Pro/E軟件設計出一種結構簡單小巧的蘋果采摘機械手模型，然后導入到ADAMS 機械系統動力學自動分析軟件中。利用已有的模塊對此機械手進行多項內容的模擬仿真。因此，收獲作業所必需的采摘機械手的仿真分析同樣具有非常廣闊的應用前景。仿真設計集多種設計方法于一體, 在虛擬的環境下 , 綜合運用多種設計方法, 通過添加運動、約束、力、碰撞等, 對該機械進行運動和動力仿真模擬, 不僅能在虛擬的環境中看到機械手的運動方式, 并且用動畫、圖形、數據等多種形式輸出零部件的軌跡、速度、加速度、作用力、反作用力等運動和動力參數, 獲得的設計數據和真實的情況基本一致, 克服了傳統設計在農業機械手設計中的弊端, 使農業機械手的設計能達到很高的要求 [6]。 課題的研究內容及方法 課題的研究內容本課題研究的主要內容是在已有的研究成果的基礎上，了解蘋果采摘機械手結構設計的基本方法，基本原理及遵循的規則等。通過三維制圖軟件Pro/E設計出結構簡單、操作便捷、經濟效益好等方面的要求。由于機械結構直接決定機器人運動的靈活性和控制的復雜性，所以機器人必須緊湊,行走、轉彎靈活,同時還要保證機器人運動平穩和靈活避障. 設計末端執行器時,要求準確快速切除果實并確保不損傷果實. 同時,還必須進行機構的運動學和動力學分析,運用優化的觀點來設計機器人結構 [7]。在對所設計的蘋果采摘機械手進行仿真的基礎上，還可以通過對仿真結果進行分析，以對機械手加以改進，為以后實物的制造給予指導性作用。評價機械手的結構性能參數主要有工作空間、可操作度、位置多樣性、冗余度等。末端執行器必須根據對象的物理屬性來設計,包括形狀、尺寸、動力學特性(如抓取力、切割力、彈性變形、光特性、聲音屬性、電屬性等) 。能評估指標一般有:抓取范圍、水果分離率、水果損傷率等。 課題的研究思路。 。 ，將自己設計的機械手用Pro/Engineer進行建模，并構建初步的運動約束。 ，該過程是實現ADAMS對機械手進行仿真的基礎，也是對機械手進行分析、優化的關鍵所在。 ，如手指開合的角度，角速度，穩定性，運動軌跡等。 ，提出了改進方案。2 蘋果采摘機械手的建模 蘋果的生長特性介紹蘋 果 是 薔 薇 科 蘋 果 屬 植 物 的 果 實 ， 該 屬 約 25種 ， 蘋 果 是 栽 培 最 廣 泛 的 果 樹 。蘋 果 是 梨 果 的 一 種 ， 由 子 房 和 子 房 外 圍 的 組 織 發 育 而 成 。 蘋 果 樹 多 為 異 花 授 粉 ，有 2～ 4%的 花 座 果 較 為 理 想 。 雖 然 成 熟 蘋 果 的 大 小 、 形 狀 、 顏 色 和 酸 度 因 品 種 和 環境 條 件 的 不 同 而 差 異 很 大 ， 但 通 常 圓 形 ， 直 徑 50～ 100毫 米 ， 帶 紅 色 或 黃 色 。 蘋果是落葉喬木，有較強的極性，通常生長旺盛，樹冠高大，樹高可達15米，栽培條件下一般高3～5米左右。樹干灰褐色，老皮有不規則的縱裂或片狀剝落，小枝光滑。單葉互生，橢圓，葉緣有鋸齒。果實為仁果，顏色及大小因品種而異。喜光，喜微酸性到中性土壤。最適于土層深厚、富含有機質、心土為通氣排水良好的沙質土壤。蘋果自花結實力差，栽植時必須配置授粉樹。由于頂端優勢和芽的異質性綜合作用的結果，蘋果通常具有較強的干性和明顯的層性。因品種間的萌芽力和成枝力有差異，其層性的明顯程度也不同。蘋果是世界性果品，由于其生態適應性較強，果品營養價值高，耐貯性好，供應周期長，世界上相當多的國家都將其列為主要消費果品而大力推薦 [8]。現以紅富士蘋果樹為例，簡單介紹蘋果樹的生長特性：(1)，枝量大，新梢旺，萌芽率高，成枝力強，剪口下可形成長枝3～6個。萌芽早，副梢多，副梢自然抽生率較高。(2)早果豐產。紅富士蘋果腋花芽較多,前期腋花芽可占總花芽的20％左右。結果初期長果枝和腋花芽占一定比例,但很快轉為以短果枝結果為主,矮砧樹尤為明顯,五年生M7砧長富6短果枝比例達89% [9]。由以上蘋果的生長特性及栽培方式，實現蘋果的機械化采摘仍然面臨較大的挑戰。國外已有一些國家開展了蘋果采摘機器人的研究工作。法國、韓國相繼開展了蘋果收獲機器人研究,并試做了樣機。下面將國內外常見的機械手結構作分析比較。 蘋果采摘機械手方案的選擇 第一種方案的分析針對蘋果的外形，采用兩個直動手指，手指內側附有一層橡膠材料，以保證抓起蘋果具有足夠的摩擦力，同時減少抓取過程中對蘋果表面的損害。采用正反螺紋桿的轉動來實現手部的夾緊和分離。當機械手夾住蘋果時，啟動電機以扭轉果梗的方式實現蘋果與樹枝的分離，機構簡圖如圖3所示。在設計時，夾持機構的驅動機構是正反螺紋桿。對于蘋果的分離，將夾持機構、光桿、正反螺紋桿和驅動電機用支架連接起來，通過電機6使整個支架旋轉，在手部抓緊蘋果后扭轉果柄，這種扭斷果柄的方式不會造成樹枝的晃動。本方案具有以下特點：夾持緩慢, 采用內附橡膠材料夾持裝置來夾持果實, 減少了水果與機械手接觸過程中沖擊、擠壓等作用而造成的蘋果的機械損傷；采用兩個電機分別實現不同的功能，效率較高。缺點只要表現在：成本較高，靈活性較差。兩個電機作業，控制難度較大，要求采摘人員具有較高的專業能力，通用性差； 末端執行機構體積過大、質量過重、要求機械手運動空間較大。圖3 方案一的結構簡圖末端夾持機構 正反螺紋桿 光桿 電機一 軸承一 電機二 軸承二 支架 第二種方案的分析本方案仍然采用電機控制來實現手指的夾持工作，在分離水果的時候也同樣采用扭斷果梗的方式。其機構簡圖如圖4所示。本方案的工作過程主要是：當活塞向后運動時，推動齒條向后運動，根據齒條與齒輪的嚙合關系，兩個手指平移并實現夾緊果實；當活塞向前運動時，手指平移松開。在手指的外輪廓固定連接一個微型電機，用它來驅動手指轉動，實現果柄的扭斷。本方案具有以下幾個特點：本方案對微型電機的要求非常嚴格，需要電機的重量足夠輕，尺寸足夠小，以最大限度的減少手指在運動過程中與果枝的碰撞。通過活塞桿和齒條帶動兩個齒輪轉動，齒輪與手臂的連接采用固定連接的方式，形成雙支點回轉機構，易于保證較高的采摘率和成功率。采用電動和氣動共同工作，可以實現進給和后退速度快，動作可靠準確，效率較高，但缺點是整體結構體積大，不利于避障。圖4 方案二的結構簡圖電機 手臂 左齒輪 活塞桿 右齒輪 齒條 軸承 第三種方案的分析在上述方案的基礎上，本方案仍然采用滑槽的方式實現手指的開合。蘋果的分離采用割斷的方式實現，當兩手指夾持蘋果后，在電機的驅動下，雙面刀片在手指指尖部位進行轉動，以割斷果柄。其機構簡圖如圖5所示。其工作過程主要是：活塞桿前后運動，兩個手指繞支架上的軸轉動，實現蘋果的抓取。抓住水果后，啟動電機，驅動刀片繞手指在手指包裹區域的外圍旋轉，以割斷蘋果的果梗。本方案有以下特點：本方案的末端執行器的蘋果分離方式是切割果柄，與扭斷果梗的方式有很大的區別，這省略了電機帶動整個手部轉動扭斷果梗這一復雜的過程。驅動刀片的電機要求較高，要求具有較大的輸出扭矩，不利于避障，并且如果刀片不夠鋒利就不能順利割斷果梗，刀片需要經常更換或維護。該方案具有較好的通用性，可應用于包括柑橘、梨、桃等多種水果的采摘。本方案的末端執行器結構簡單，可靠性較好，智能控制簡單，成本較低廉。手部外側加電機降低了進給過程中的蔽障能力。圖5 方案三的結構簡圖手指 滑槽 銷軸 氣缸 活塞桿 轉軸 直流電機 刀片 第四種方案的分析由本課題的研究內容和研究目的，需要設計一個結構緊湊，行動性和輕便性好，易于控制，靈活性和通用性都