【摘要】：葡萄是一種成簇生長的漿果類水果,果實(shí)皮薄粒大,汁少水多,易受機(jī)械損傷,主要依靠人工采摘,采摘作業(yè)勞動強(qiáng)度大。隨著我國農(nóng)業(yè)勞動力轉(zhuǎn)移、老齡化加劇,果農(nóng)勞動力不足凸顯。因此,研發(fā)葡萄采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)對于葡萄生產(chǎn)具有重要的研究價值與現(xiàn)實(shí)意義。針對葡萄的垂直懸掛生長特性和柔性無損采摘農(nóng)藝要求,基于欠驅(qū)動原理和抓持-旋切協(xié)同工作方式設(shè)計了一種欠驅(qū)動雙指手葡萄采摘裝置,主要包括欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu),旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu),旋切機(jī)構(gòu),腕部連接卡盤和Intel RealSense實(shí)感相機(jī)。利用Real Sense實(shí)感相機(jī)對果實(shí)與果梗精確定位,采摘裝置被機(jī)械臂導(dǎo)引到果實(shí)位置,由一個電機(jī)通過2級串聯(lián)式連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動雙指四指節(jié)手爪從果實(shí)中部接近并包絡(luò)抓取葡萄,復(fù)合在雙指手上的3自由度旋切裝置通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)的擺動-伸縮動作將旋切機(jī)構(gòu)導(dǎo)引至目標(biāo)果梗位置,旋切機(jī)構(gòu)帶動旋切刀盤切斷果梗,實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果梗的分離。基于此設(shè)計思路對欠驅(qū)動雙指手葡萄采摘裝置開展研究,其主要工作如下:1)針對葡萄的柔性無損采摘要求,考慮葡萄垂直懸掛的生長特點(diǎn)、生物學(xué)特性和采摘農(nóng)藝等因素,提出欠驅(qū)動雙指手葡萄采摘裝置總體設(shè)計方案,通過Solidworks軟件建立抓持-旋切式欠驅(qū)動雙指手葡萄采摘裝置的三維結(jié)構(gòu)模型,并對采摘裝置進(jìn)行了機(jī)構(gòu)綜合。通過對旋切裝置各電機(jī)的選型設(shè)計計算,參考眾多步進(jìn)電機(jī)材料,選定合適的電機(jī),并驗(yàn)證了裝置運(yùn)動控制的可能性。2)通過葡萄赤道直徑分析確定了欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)的指節(jié)尺寸與轉(zhuǎn)角范圍,然后通過建立欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)抓持葡萄時的靜力學(xué)模型,基于傳力最優(yōu)和接觸力均布等要求確定了驅(qū)動連桿的尺寸,結(jié)合最小接觸力分析和葡萄擠壓破裂試驗(yàn)的最大接觸力分析,獲得抓持2kg葡萄不發(fā)生損傷的最大接觸力為20N,再通過手指機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型求解獲得驅(qū)動電機(jī)推力,從而指導(dǎo)欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)選型。并利用仿真軟件Adams進(jìn)行了運(yùn)動姿態(tài)和抓取動作的仿真分析,理論驗(yàn)證了靜力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。3)首先對欠驅(qū)動雙指手葡萄采摘裝置控制系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行了選型,然后對以STM32F103ZET6單片機(jī)為核心的電路主控制器模塊、USB USART模塊和電源模塊進(jìn)行了電路硬件設(shè)計。同時,基于Keil uVision5軟件對最大接觸力控制、運(yùn)動極限控制和步進(jìn)電機(jī)加減速梯形運(yùn)動控制進(jìn)行了軟件程序編寫。4)對所設(shè)計的欠驅(qū)動雙指手采摘裝置進(jìn)行了零件加工和裝配,并將其安裝在機(jī)械臂末端。首先對壓力傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn),然后通過欠驅(qū)動雙指手裝置抓取葡萄的試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了靜力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。對赤道面直徑95-200mm的葡萄進(jìn)行了基于最大接觸力控制的50次采摘試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置的采摘成功率為100%,果實(shí)擠傷率為5.2%,不考慮視覺定位葡萄與果梗的耗時,完成一次抓持-旋切動作平均耗時29.4s。采用加減速梯形控制方式實(shí)現(xiàn)了旋切部件運(yùn)動,圓盤刀轉(zhuǎn)速1000-1300rpm可對果梗有效切斷。
[Abstract]:The present invention relates to a three - degree - of - freedom rotary cutting device for grape harvesting . A software program has been programmed by the motion limit control and stepping motor plus deceleration trapezoidal motion control . 4 ) The designed underactuated double fingered hand picking device is processed and assembled and installed at the end of the mechanical arm . The test results show that the success rate of the device is 100 % , the fruit crushing rate is 5.2 % , the time consumption of the visual positioning grapes and fruit stalks is not considered , and the movement of the rotary cutting member is realized by using the acceleration / deceleration trapezoidal control mode .
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S225.93

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2136352