南宫NG28农业机械化及其自动化讲解

　　南宫NG28农业机械化及其自动化讲解苹果是蔷薇科苹果属植物的果实，该属约25种，苹果是栽培最广泛的果树。苹果是梨果的一种，由子房和子房外围的组织发育而成。苹果树多为异花授粉，有2～4%的花座果较为理想。虽然成熟苹果的大小、形状、颜色和酸度因品种和环境条件的不同而差异很大，但通常圆形，直径50～100毫米，带红色或。苹果是落叶乔木，有较强的极性，通常生长旺盛，树冠高大，树高可达15米，栽培条件下一般高3～5米左右。树干灰褐色ng28南宫娱乐官网，老皮有不规则的纵裂或片状剥落，小枝光滑。单叶互生，椭圆，叶缘有锯齿。果实为仁果，颜色及大小因品种而异。喜光，喜微酸性到中性土壤。最适于土层深厚、富含有机质、心土为通气排水良好的沙质土壤。

　　在设计时，夹持机构的驱动机构是正反螺纹杆。对于苹果的分离，将夹持机构、光杆、正反螺纹杆和驱动电机用支架连接起来，通过电机6使整个支架旋转，在手部抓紧苹果后扭转果柄，这种扭断果柄的方式不会造成树枝的晃动。

　　本方案具有以下特点：1、夹持缓慢,采用内附橡胶材料夹持装置来夹持果实,减少了水果与机械手接触过程中冲击、挤压等作用而造成的苹果的机械损伤；2、采用两个电机分别实现不同的功能，效率较高。

　　果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行，其费用约占成本的50%~70%，并且时间较为集中。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。

　　由于机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性所以机器人必须紧凑行走转弯灵活同时还要保证机器人运动帄稳和灵活避障?设计末端执行器时要求准确快速切除果实并确保不损伤果实?同时还必须进行机构的运动学和动力学分析运用优化的观点来设计机器人结构在对所设计的苹果采摘机械手进行仿真的基础上还可以通过对仿真结果进行分析以对机械手加以改进为以后实物的制造给予指导性作用

　　摘要：本文介绍了国内外农业机器人的发展概况和采摘机械手的应用前景。通过对多种不同结构机械手的优缺点分析，提出了一种结构简单、操作方便的机械手结构。利用三维建模软件Pro/Engineer进行机械手各零部件的设计，并将其组装成一个完整的机械手。将机械手装配图导入仿真分析软件ADAMS中进行机械手的仿真。运用求解器模块Adams/Solver进行机械手的静力学、运动学和动力算。利用后处理模块Adams /Postprocessor进行仿真视频和各种数据曲线的输出。通过对仿真结果的分析，对苹果采摘机械手的研究方向提出了展望。

　　国外农业机器人发展迅速。自1983年第1台西红柿采摘机器人在美国问世以来，采摘机器人的研制和开发得到了快速发展(如图1所示)。法国、荷兰等国家相继立项研究了采摘苹果、柑橘、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人。日本近年在收获机器人的研究方面进展很快，目前已经研制出番茄、黄瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收获机器人，但技术不太成熟，还没有真正实现商业化。我国在农业机器人领域的研究始于20世纪90年代中期，上海交通大学机器人研究所的曹其新、刘成良等人完成了智能化联合收割机样机的研制。南京农业大学沈明霞和浙江工业大学张立斌等人正在进行农业机器人视觉方面的研究。2001年，张瑞合等运用双目立体视觉的方法研究了番茄收获中果实的精确定位问题。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景[2]。

　　本课题研究的主要内容是在已有的研究成果的基础上，了解苹果采摘机械手结构设计的基本方法，基本原理及遵循的规则等。通过三维制图软件Pro/E设计出结构简单、操作便捷、经济效益好等方面的要求。由于机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性，所以机器人必须紧凑,行走、转弯灵活,同时还要保证机器人运动平稳和灵活避障.设计末端执行器时,要求准确快速切除果实并确保不损伤果实.同时,还必须进行机构的运动学和动力学分析,运用优化的观点来设计机器人结构[7]。

　　在对所设计的苹果采摘机械手进行仿真的基础上，还可以通过对仿真结果进行分析，以对机械手加以改进，为以后实物的制造给予指导性作用。评价机械手的结构性能参数主要有工作空间、可操作度、位置多样性、冗余度等。末端执行器必须根据对象的物理属性来设计,包括形状、尺寸、动力学特性(如抓取力、切割力、弹性变形、光特性、声音属性、电属性等) ;水果的化学和生物特性也必须考虑.末端执行器的性能评估指标一般有:抓取范围、水果分离率、水果损伤率等。

　　仿真设计集多种设计方法于一体,在虚拟的环境下,综合运用多种设计方法,通过添加运动、约束、力、碰撞等,对该机械进行运动和动力仿真模拟,不仅能在虚拟的环境中看到机械手的运动方式,并且用动画、图形、数据等多种形式输出零部件的轨迹、速度、加速度、作用力、反作用力等运动和动力参数,获得的设计数据和真实的情况基本一致,克服了传统设计在农业机械手设计中的弊端,使农业机械手的设计能达到很高的要求[6]ng28南宫娱乐官网。

　　苹果自花结实力差，栽植时必须配置授粉树。由于顶端优势和芽的异质性综合作用的结果，苹果通常具有较强的干性和明显的层性。因品种间的萌芽力和成枝力有差异，其层性的明显程度也不同。苹果是世界性果品，由于其生态适应性较强，果品营养价值高，耐贮性好，供应周期长，世界上相当多的国家都将其列为主要消费果品而大力推荐[8]。现以红富士苹果树为例，简单介绍苹果树的生长特性：

　　21世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要时期。随着农业生产的规模化、多样化和精确化，农业生产作业要求逐渐提高，许多作业项目（如蔬菜和水果的挑选与采摘、蔬菜的嫁接等）都是劳动密集型工作，再加上时令的要求，保证作业质量成为关键问题；同时，工业生产发展迅速，农业劳动力将逐渐向社会其他产业转移；随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样大大降低了产品的市场竞争力[1]。

　　由以上苹果的生长特性及栽培方式，实现苹果的机械化采摘仍然面临较大的挑战。国外已有一些国家开展了苹果采摘机器人的研究工作。法国、韩国相继开展了苹果收获机器人研究,并试做了样机。下面将国内外常见的机械手结构作分析比较。

　　针对苹果的外形，采用两个直动手指，手指内侧附有一层橡胶材料，以保证抓起苹果具有足够的摩擦力，同时减少抓取过程中对苹果表面的损害。采用正反螺纹杆的转动来实现手部的夹紧和分离。当机械手夹住苹果时，启动电机以扭转果梗的方式实现苹果与树枝的分离，机构简图如图3所示。

　　机械手又称操作机,是指具有和人手臂相似的动作功能,并使工作对象能在空间内移动的机械装置,是机器人赖以完成工作任务的实体.在收获机器人中,机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置。日本冈山大学研制出一种具有7个自由度的西红柿收获机械手[3](如图2所示)。收获作业是一项劳动强度大、消耗时间长、具有一定危险性的作业。研究开发适合目前生产实际的果蔬果实收获机器人不仅可以在很大程度上减轻劳动强度、提高生产效率,而且具有广阔的市场应用前景[4]。果蔬收获是一个季节性强的劳动密集型工作,由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏,采用机器人进行果蔬的自动化收获变得越来越迫切.但由于收获机器人的工作环境往往是非结构性的、未知的和不确定的,因此给机器人的实际应用带来了很大的困难.要成功地实现机器人的智能化收获,必须要在机器人的本体设计、果实的自动化识别和定位、机器人运动规划和控制技术等方面进行深入的研究[5]。本课题的研究主要是运用Pro/E软件设计出一种结构简单小巧的苹果采摘机械手模型，然后导入到ADAMS机械系统动力学自动分析软件中。利用已有的模块对此机械手进行多项内容的模拟仿真。因此，收获作业所必需的采摘机械手的仿真分析同样具有非常广阔的应用前景。

　　(1)生长旺盛.红富士苹果成冠块，枝量大，新梢旺，萌芽率高，成枝力强，剪口下可形成长枝3～6个;萌芽早，副梢多，副梢自然抽生率较高。

　　(2)早果丰产。红富士苹果腋花芽较多,前期腋花芽可占总花芽的20％左右;结果初期长果枝和腋花芽占一定比例,但很快转为以短果枝结果为主,矮砧树尤为明显,五年生M7砧长富6短果枝比例达89%[9]。

　　3.使用三维建模软件Pro/E，将自己设计的机械手用Pro/Engineer进行建模，并构建初步的运动约束。

　　4.将Pro/E设计的苹果采摘机械手三维图形保存为ADAMS能够识别的文件，该过程是实现ADAMS对机械手进行仿真的基础，也是对机械手进行分析、优化的关键所在ng28南宫娱乐官网。