水果自动采摘小型机械车的结构设计

邹永+郭舰+袁泽辰+邱家兴+徐昊+谢佳旗

摘 要：在现代社会发展极具迅速的时代，对水果的分类和采摘也成为了热议的话题，利用先进的技术，减少人力和物力，对多种水果进行分类及采摘。我们提出了水果自动采摘小型机械车的初步设计。了解水果自动采摘小型机械车的设计背景、结构及工作流程，对其结构进行运动分析，并进行设计。水果自动采摘小型机械车不仅提高了采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益，因此，提高采摘作业机械化程度具有重要意义。随着农业从业者的减少及老龄化趋势的不断加大，水果自动采摘小型机械车的开发利用具有巨大的經济效益和广阔的市场前景，水果自动采摘小型机械车对未来农业的发展将起到积极作用。

关键词：水果自动采摘小型机械车；自动采摘识别；机械臂识别；初步设计

中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）01-0119-02

Abstract： In the era of rapid development of modern society， the classification and picking of fruits has also become a hot topic. Using advanced technology， reducing manpower and material resources to classify and pick a variety of fruits， we put forward the preliminary design of the small mechanical vehicle for automatic fruit picking. To understand the design background， structure and work flow of the fruit automatic picking small mechanical vehicle， the structure of the movement analysis and design. Automatic fruit picking small mechanical vehicles not only improve the picking efficiency， but also reduce the damage rate， save labor costs， improve the economic benefits of fruit farmers， so it is of great significance to improve the degree of mechanization of picking operations. With the decrease of agricultural practitioners and the increasing trend of aging， the development and utilization of small mechanical vehicles for automatic fruit picking has great economic benefits and broad market prospects. Automatic fruit picking small mechanical vehicles will play a positive role in the future development of agriculture.

Keywords： small automatic fruit-picking mechanical vehicle； automatic picking identification； mechanical arm identification； preliminary design

1 概述

水果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%～50%，采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤，直接影响到水果的品质。因而要实现水果自动采摘小型机械车对水果的收获，关键是要从果树中识别出水果并确定水果的准确空间位置，以便为机械手的运动提供参数，完成水果的采摘。

随着社会的发展，自动化应用更加接近于我们的生活，在生活中，对于水果的分类和采摘就成为热议的话题。水果自动采摘小型机械车不仅仅要能够从背景中检测出树上的水果，而且要能够对视场中的水果进行空间定位，从而指导自身的末端执行器件完成水果采摘作业。树上水果通常采用双目相机和多目相机，通过多视几何方法和立体匹配技术进行空间定位；也有一些工作通过结合相机和其他距离传感技术来进行空间定位。

2 水果自动采摘小型机械车基本结构及履带设计及参数确定

2.1 性能指标

（1）水果自动采摘小型机械车设计用于采摘水果，机械手臂可以180度旋转，摘取距离260mm直径≤70mm的物体。（2）可以自动避开前方大型路障，并能轻松跨越路面坑洼，车身结构稳定。（3）可以持续工作3h。（4）正常工作载重2kg，最大载重2.5kg。

实现行走的部件是履带，履带适应各种复杂路况，快速准确地判断路况信息，从而实现行走，机械手臂能够主要通过颜色传感器和红外线传感器进行位置判断识别。

2.2 水果自动采摘小型机械车基本结构设计

机构分为二部分，履带轮和机械手臂。两部分的组合完成对水果的准确识别摘取。作为水果自动分采的主要组成部分，履带轮的主副轮及其配件均采用铝制，具有材料轻韧性好便于加工等诸多好处，履带采用橡胶材质，具有韧性并具有较大摩擦力。并装配了传感器和红外线传感器，能通过传感器反馈信息，通过数据处理，自动做出相应反应。我们之所以选择履带而没有选择轮式，因为履带更能够适应复杂路况，动力相对较大，比较稳定，水果采摘可能在不同环境，不同路况，履带对于环境的适应性更强。endprint

2.3 履带轮轮距以及履带尺寸的确定

我们设计的水果自动采摘小型机械车的一对底部履带轮各使用了一个电机进行驱动，采用电动机与主动轮之间直接使用联轴器的方式将动力从电机轴传递给主动轮。采用电动机与主动轮之间直接使用联轴器的目的是动力输出大，之间的损耗小并且履带轮在工作时可能需要翻越小石子等小型障碍物，需要足够的输出马力才能完成。而平地行走时则依靠自身马力完成运动。

2.4 水果自动采摘小型机械车受力分析及电机选择

预计水果采摘车车体重量6.5kg～7kg，设水果采摘车的最大载荷为7kg。

水果采摘车的底座履带轮关于水平中心轴线对称，因而它负重的一半能通过计算推断出来。水果采摘车一半的自由体受力在如图1表示。

2.5 水果自动采摘小型机械车电动机选择及其计算

Fn和G分别是单侧履带轮的支撑力与重力。f是履带轮与地面之间的摩擦力，速度方向v与牵引力F方向一致都是水平向右，单侧履带轮总体平衡方程的推导如下：

其中m是水果采摘车质量的一半。

此外，我们需要使小车在最大负载时的速度保持为0.02m/s，所以其功率的计算公式为：

摩擦力：f=？滋mg=1×3.5×10=35N

牵引力：F=f=35N

功率：P=FV=35N×0.06m/s=2.1w

主动轮所需的最大扭矩为

T=■=■=0.6685Nm

齿轮传动效率分别为η=0.96，联轴器的效率为η=0.98

则电动机输出功率为Pd=■=2.23W

那么，该水果自动采摘小型机械车的履带驱动所需的电动机功率为2.23W，对已有电机进行筛选，可选择的电动机如表1所示。

根据以上數据显示，以及我们所需参数我们最后选择“GM25-37-24140-75-14.5D10”为我们所用履带传动电机。

2.6 机械手臂理论设计

机械手臂整体为铝合金，同样是质量轻工艺性好，整个手臂分为三段，可以实现180度旋转。机械手臂采用Arduino控制器，对手臂动作进行编程。手臂通过颜色传感器识别物体，由红外线传感器进行距离的分析，从而准确无误的摘取。

材料选择：机械手臂材料使用亚格力板；手臂以及旋转底座使用铝合金材料完成。

电源选择：7.4V直流电源。

电机选择：因机械手臂设计重量为3kg～3.5kg，抓取最大物体后重量约为4kg，所以我们需使用大扭矩以及旋转范围在0°～180°之间，所以我们选择了型号为LD-20MG的舵机进行运作机械臂。下图为舵机分布图，1、2、3、4、5、6分别为舵机标号。

控制系统：舵机控制板以及Arduino LEONARDO控制器进行控制机械臂识别运作。

传感器选择：颜色传感器和红外测距传感器。

3 结束语

在分析现在水果采摘行业的优缺点情况下，该水果采摘机器人操作容易、结构相对简单。可适用于各种场地的采摘，采用履带可以使用山地、坡地等各种复杂环境，提高效率、减少劳动量，保护果实的完整性。大部分由简单部件组成，易于生产。履带轮的主副轮及相对应配件均是铝制，履带材料为橡胶，车体为亚格力板，机械臂同样是铝制，机械手为亚格力板，车身整体都采用轻质材料，便于携带且车身不大，可形成产业大批量生产。实现低成本制造，经济合理，适合普及推广。

参考文献：

[1]杨家军.机械原理（基础篇）[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[2]吴昌林，姜柳林.机械设计（基础篇）[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[3]东北大学.机械零件设计手册（第三版）[M].北京：冶金工业出版社，1994.

[4]杨家军.机械系统创新设计[M].华中科技大学出版社.

[5]唐增宝，何永然.机械设计课程设计[M].武汉：华中科技大学出版，1999.endprint