摘 要

　　我國已成為番茄的最大的生產(chǎn)與出口國，果蔬的季節性采摘，會(huì )造成周期性的勞動(dòng)力 急缺、勞動(dòng)力成本突增，從而增加了果蔬的種植生產(chǎn)成本。因此對番茄采摘機械的研究成 為了智慧農業(yè)發(fā)展的重要方向之一。采摘機械手作為果蔬收獲類(lèi)機器人的末端執行器是整 個(gè)采摘系統的重要組成部分，機械手的采摘能力直接影響了整個(gè)體統的執行效率，所以對 采摘機械手的設計是收獲機器人研發(fā)的重要環(huán)節。在總結了當前采摘機械手在國內外的發(fā) 展現狀，以最大限度的保護番茄果實(shí)不受損傷為設計目標，受番茄的植物學(xué)特征啟發(fā)，遵 循番茄自然生長(cháng)繁衍規律，以 TRIZ 創(chuàng )新設計理論為輔助工具，設計出了一種將作用力施 加于番茄桔梗生長(cháng)節點(diǎn)的番茄采摘機械手。并通過(guò)模擬仿真、樣機試驗等方式對番茄采摘 機械的設計合理性和采摘效率進(jìn)行了驗證。驗證結果表明，所設計的番茄采摘機械手達到 了設計的預期目標。

　　本設計的創(chuàng )新點(diǎn)在于機械手采摘番茄的方式，通過(guò)對番茄植物學(xué)特征的研究發(fā)現番茄 葉柄與桔梗相連處有一生長(cháng)節點(diǎn)，在進(jìn)行采摘時(shí)番茄從此節點(diǎn)分離所需拉力最小；通過(guò)采 摘番茄時(shí)的受力分析可知，采摘番茄的難易程度與番茄桔梗同上級分支間的夾角成正比， 而機械手中的分離機構能夠增大番茄桔梗與上級分支間的傾斜角度使番茄更容易被采摘。 所以設計了一種能夠即不對番茄果實(shí)施加壓力又能將該節點(diǎn)分離的采摘機械氣人末端執 行器。所設計機械手將番茄的定位機構與桔梗的分離機構分層結合到統一系統中，研究初 期以微型處理器 Arduino 進(jìn)行控制，通過(guò)調節機械手中的三個(gè)伺服電機協(xié)同帶動(dòng)機構運動(dòng) 來(lái)完成設計的預定采摘動(dòng)作。

　　關(guān)鍵詞：采摘機器人；機械手；運動(dòng)仿真；番茄采摘

Abstract

　　China has become the largest producer and exporter of tomatoes. Seasonal picking of fruits and vegetables will cause periodic labor shortage and sudden increase of labor cost, which will increase the planting and production cost of fruits and vegetables. Therefore, the research on Tomato Picking machinery has become one of the important directions of the development of intelligent agriculture. As the end effector of fruit and vegetable harvesting robot, picking manipulator is an important part of the whole picking system. The picking ability of manipulator directly affects the execution efficiency of the whole system. Therefore, the design of picking manipulator is an important link in the research and development of harvesting robot. After summarizing the current development status of picking manipulator at home and abroad, taking the maximum protection of tomato fruit from damage as the design goal, inspired by the botanical characteristics of tomato, following the natural growth and reproduction law of tomato, and taking TRIZ innovative design theory as an auxiliary tool, a tomato picking manipulator with force applied to the growth node of tomato Platycodon grandiflorum was designed. The design rationality and picking efficiency of Tomato Picking machinery were verified by simulation and prototype test. The verification results show that the designed tomato picking manipulator has achieved the expected goal of the design.

　　The innovation of this design lies in the way of picking tomatoes by manipulator. Through the study of tomato botanical characteristics, it is found that there is a growth node at the connection between tomato petiole and Platycodon grandiflorum. When picking, the pulling force required for tomato to separate from this node is the smallest; Through the stress analysis when picking tomatoes, it can be seen that the difficulty of picking tomatoes is directly proportional to the included angle between tomato Platycodon grandiflorum and its superior branch, and the separation mechanism of the manipulator can increase the inclined angle between tomato Platycodon grandiflorum and its superior branch, making tomatoes easier to be picked. Therefore, a pneumatic end effector of picking machinery is designed, which can not only not exert pressure on tomato fruit, but also separate the node. The designed manipulator combines the positioning mechanism of tomato and the separation mechanism of Platycodon grandiflorum into a unified system. In the early stage of the research, the micro processor Arduino is used to control, and the designed predetermined picking action is completed by adjusting the three servo motors of the manipulator to drive the mechanism movement together.

　　Keywords: picking robot; manipulator; Dynamic simulation; Tomato Picking

目 錄

　　1 緒論

　　1.1 研究的目的與意義

　　據國際糧農組織統計，2018 年我國水果及蔬菜產(chǎn)量已占全球產(chǎn)量的 50%,其總產(chǎn)量 超 9.65 億噸，居世界首位[1].在果蔬生產(chǎn)過(guò)程中多依賴(lài)于人員和機械密集型勞動(dòng)，在采摘 收貨的過(guò)程中采摘機械及工具會(huì )對果蔬造成損傷，影響了果蔬采摘的效率。果蔬的季節性 采摘，會(huì )造成周期性的勞動(dòng)力急缺、勞動(dòng)力成本突增，從而增加了果蔬的種植生產(chǎn)成本。 為解決在果蔬采摘過(guò)程中勞動(dòng)力替代和提高生產(chǎn)率等問(wèn)題，發(fā)展選擇性收獲技術(shù)，成為了 國際農業(yè)機器人技術(shù)和果蔬收獲技術(shù)的重要研究方向[2].

　　番茄是全球消費最多的蔬菜之一，也是中國最重要的出口優(yōu)勢農產(chǎn)品之一，20 世紀 90 年代初，中國的番茄產(chǎn)量產(chǎn)國美國成為世界最大的番茄成產(chǎn)國。據聯(lián)合國糧食及農業(yè) 組織統計數據顯示，2018 年中國番茄產(chǎn)量達 6163.2 萬(wàn)噸，較 2017 年增長(cháng) 203.6 萬(wàn)噸。在 生產(chǎn)過(guò)程中所勞動(dòng)力占整個(gè)過(guò)程的 30%~60%,在國內番茄生產(chǎn)的采摘環(huán)節主要依靠人力 完成。所以，研究番茄生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)采摘技術(shù)與裝備，將在緩解作業(yè)工人缺乏、降低 勞動(dòng)強度、提高農業(yè)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、完善蔬果品質(zhì)和確保采摘工作方便性等方 面具有很大的發(fā)展空間和市場(chǎng)需求[3].

　　我國對番茄采摘機械的研究起步相對較晚，而且由于采摘時(shí)工作環(huán)境的復雜性和采摘 對象的多樣性以及生產(chǎn)規模化較低、使用成本高等因素，使機械化作業(yè)在番茄收獲環(huán)節的 普及較難實(shí)現。基于此，設計一種保果式并具有高效率、低成本、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)的 采摘機械成為了國內外的研究熱點(diǎn)[4-5].

　　1.2 果蔬采摘機械國內外研究現狀

　　1.2.1 國外研究現狀

　　國外在上世紀 70 年代就開(kāi)展了蔬菜采摘機器人的研究，本世紀以來(lái)隨著(zhù)機器人技術(shù) 和智能控制技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)研究取得了較多的成果。

　　1、以色列 FFRobotics 公司研發(fā) FF 機器人，如圖 1-1a 所示，是一種綜合收獲平臺， 它的水果收獲解決方案結合了精確而簡(jiǎn)單的機器人控制，快速而準確的圖像處理以及先進(jìn)的算法，用于挑選和區分可用產(chǎn)品以及受損，患病和未成熟的水果。收割機很容易改裝， 以采摘不同類(lèi)型的新鮮水果，從而使其在多個(gè)收割季節都能進(jìn)行對不同水果的采摘。它將 既能實(shí)現將采摘系統模塊化的裝載在農用拖拉機上，又能按照要求定制自行式收獲平臺。 結構上 FF 機器人采摘平臺可進(jìn)行模塊化搭建，實(shí)現雙向、多層級同時(shí)采摘，如圖 1-1b 所 示，這也是它高效的原因之一。FF 機器人的末端采摘機械手在采摘蘋(píng)果時(shí)采用的是三指 爪式結構，如圖 1-1c,通過(guò)圖像分析定位抓取到合格果實(shí)后爪式結構會(huì )做軸向轉動(dòng)將蘋(píng)果 摘下。摘下的果實(shí)會(huì )沿著(zhù)本層的傳送機構傳送到旋轉收集箱中[6].

　　2、由美國 Abundant Robotics 生產(chǎn)的 Abundant 采摘機器人平臺，如圖 1-2a 所示，與 FF 采摘機器人一樣屬于室外果園型水果采摘機器人。與 FF 不同的是，Abundant 機器人只 擁有一組末端采摘器械，末端的采摘原理是超真空吸管，如圖 1-2b 所示，由圖像分析系 統進(jìn)行高速拍照分析控制對準適合采摘的果實(shí)，果實(shí)被吸入真空管到達傳送系統，再由傳 送系統進(jìn)行分裝。Abundant 采摘機器人的優(yōu)勢在于它的采摘速度非常快，雖然只有一套采摘系統，但是由于它的數據分析能力及采摘系統的運動(dòng)速度較快，可達 1 個(gè)/秒，這使得 Abundant 采摘機器人的采摘效率足以與 FF 機器人相比。2019 年 10 月美國 Abundant Robotics 公司與以色列 FFRobotics 公司就這兩款機器人采摘技術(shù)和性能在美國華盛頓的果 園中進(jìn)行了競賽和評估[7].

　　3、美國 RooT AI 公司研發(fā)的 Virgo 是一款小型溫室番茄采摘機器人，如圖 1-3a 所示， 它會(huì )在種植行內行進(jìn)過(guò)程中利用高清三維相機對種植空間進(jìn)行掃描，檢測出成熟且完好的 番茄果實(shí)進(jìn)行采摘。此機器人無(wú)需與上級數據處理中心相連，具備獨立采摘能力，可自行 完成數據的采集、分析、處理及采摘工作。它采用的是懸臂式設計，三自由度機械臂連接 在柱型升降機構上可上下移動(dòng)。采摘機械手為三指爪式機構，如圖 1-3b 所示，彈性指關(guān) 節末端固定在機械手根部，指關(guān)節被中央氣動(dòng)推桿的收緊環(huán)驅動(dòng)，在采摘時(shí)中央氣動(dòng)推桿 會(huì )向之間方向移動(dòng)，由于收緊環(huán)的直徑小于手指松弛狀態(tài)的圍繞直徑，指關(guān)節會(huì )隨推桿的 前移而收緊，從而夾緊番茄果實(shí)，如圖 1-3c 所示[8].

　　4、以色列 Metomotion 公司研發(fā)的 GRoW 被定義為"溫室機器人工人",GRoW 機器 人現階段的第一個(gè)實(shí)踐領(lǐng)域是選擇性自動(dòng)收獲溫室番茄。GRoW 的發(fā)展方向是能盡量簡(jiǎn)化 改造的現有的溫室環(huán)境，讓 GRoW 系統能容易的集成到現有的溫室基礎設施上。GRoW 能完成溫室種植的多項任務(wù)，包括收獲果蔬、修剪枝葉、監控授粉等。結構上 GRoW 是 自行式中型采摘平臺，如圖 1-4a 所示，六自由度機械臂在門(mén)型平臺上端可自由移動(dòng)，機 械臂上的末端執行器為可以開(kāi)合的菱形機械手。采摘時(shí)通過(guò)平臺上的 3D 視覺(jué)系統對成熟 番茄進(jìn)行定位，機械臂靠視覺(jué)系統規劃好的路線(xiàn)將機械手移動(dòng)至番茄串下方，如圖 1-4b 所示，之后機械臂控制菱形裝置將番茄串完全套入，如圖 1-4c 所示，此時(shí)用菱形裝置前 端的分離道具將番茄串桔梗分離，如圖 1-4d 所示，在分離桔梗的同時(shí)采摘器前端會(huì )夾緊 番茄串，如圖 1-4e 所示，采摘每串番茄的用時(shí)在 10s 左右[9].

　　5、英國的 Boaz Arad 與其同事共同開(kāi)發(fā)了 Sweeper 甜椒收獲機器人[11],如圖 1-5a 所 示。該機器人系統包含一個(gè)六自由度工業(yè)臂，該機械臂與專(zhuān)門(mén)設計的末端執行器相連， RGB‐D 攝像頭，如圖 1-5b 所示，與具備圖形處理單元的高端計算機，可編程邏輯控制器， 其他電子設備以及儲存容器。所有設備均安裝在自行智能平臺上，該平臺可在軌道或地面 上自動(dòng)行駛。機器人在采摘甜椒時(shí)，采摘機械手在機械臂的控制下按照曲面 Z 型軌跡由下 至上對甜椒植株進(jìn)行 3D 攝影，在圖形處理單元形成三維高清影像，如圖 1-5c 所示，圖像 處理單元的高端計算機向可編程控制器輸出機械手的采摘控制指令，最后采摘機械手對甜 椒進(jìn)行采摘，Sweeper 在收獲甜椒時(shí)的平均速度僅為 24 s.末端采摘機械手部分，在到達最佳采摘位置時(shí)由機械手上方的定位器抵住甜椒與主干的 V 形連接處，如圖 1-5d 所示， 再通過(guò)定端的震動(dòng)刀片將桔梗與主干連接處分離，如圖 1-5e 所示。

　　1.2.2 國內研究現狀

　　1、中國農業(yè)大學(xué)工學(xué)院設計的溫室黃瓜采摘機器人[81],如圖 1-6a 所示，是一種自行 履帶式機器人，履帶驅動(dòng)機構上方裝備有雙目系統、采摘控制箱、末端執行器、采摘機械 臂和黃瓜果籃。下方履帶移動(dòng)平臺不但有良好的通過(guò)性會(huì )還會(huì )根據導航攝像機的圖像設定 最佳的行進(jìn)路線(xiàn)，視覺(jué)系統采用雙攝設計加大了對環(huán)境情況的采集能力，中央控制器通過(guò) 視覺(jué)數據分析處理圖像數據，中央控制器根據圖像信息對摘取目標進(jìn)行三維定位，定位數 據發(fā)送給機械臂控制器，控制器為采摘機械手設計了采摘路徑，最后由柔性機械手對黃瓜進(jìn)行采摘。末端采摘執行器由上端的桔梗分離機構和下方的花瓜夾緊裝置組成，如圖 1-6b 所示，桔梗分離機構可以根據果實(shí)的形狀不同，自動(dòng)調節重心位置與桔梗位置的距離。夾 緊裝置是雙指結構，采用的軟體手指能夠根據黃瓜不同形狀自動(dòng)改變夾緊的力度和夾緊位 置，通過(guò)視覺(jué)捕捉系統能夠自動(dòng)夾緊黃瓜重心位置，使采摘過(guò)程更加穩定。

　　2、由重慶理工大學(xué)研究生付舜研發(fā)的柑橘采摘機器人[12],如圖 1-7 所示，末端執行器 是一種針對柑橘采摘的機械手。機械手采所搭載的平臺是由北京遨博智能科技有限公司生 產(chǎn)的 OUR-i5 型機械臂、履帶式自主移動(dòng)平臺、雙目攝像機、上位機、顯示器、輸入設備、 機械臂控制箱及果籃組成，如圖 1-8 所示。此機械手為鉗式結構，機械手兩側有氣壓推力 桿作為動(dòng)力，采摘時(shí)氣壓推桿推動(dòng)連桿，連桿機構使鉗式機構閉合將柑橘桔梗分離。

　　3、華南農業(yè)大學(xué)張炳超所研發(fā)的番木瓜采摘末端執行器[13],采用的是三指爪式結構， 如圖 1-9a 所示。此采摘機械手主要由電機、卷線(xiàn)筒、底座、手指和鋼絲繩組成，如圖 1-9b 所示。當機械手到達采摘位置時(shí)，電機帶動(dòng)卷線(xiàn)筒旋轉，將細鋼絲纏繞在卷線(xiàn)筒上，細鋼 絲另一端與機械手指相連，手指隨細鋼絲繩沿外殼上的導向槽向內測移動(dòng)，將番木瓜夾緊。 機構的獨特之處在于每根機械手指都是靠?jì)筛�連接在卷線(xiàn)筒兩端的細鋼絲繩來(lái)實(shí)現收緊 與釋放的，如圖 1-9c 所示。當機械手收緊手指時(shí)一根鋼絲繩會(huì )沿轉動(dòng)方向收緊，另一根 鋼絲繩則會(huì )反向釋放，使機械手指沿外殼導向槽向內移動(dòng)；當機械手需要釋放手指時(shí)電機 反轉，使兩根鋼絲繩反向纏繞，機械手指此時(shí)將沿外殼導向槽向外側移動(dòng)。

　　4、四川農業(yè)大學(xué)孫煥駿研發(fā)的智能溫室番茄采摘系統末端執行機構[14],是一種欠驅 動(dòng)式采摘機械手，如圖 1-10a 所示。該機械手的動(dòng)力來(lái)源于下方的伺服步進(jìn)電機，在采摘 番茄時(shí)，伺服步進(jìn)電機驅動(dòng)絲杠轉動(dòng)，如圖 1-10b 所示，絲杠上的滑塊向下運動(dòng)，滑塊帶 動(dòng)連桿使機械手指向內收緊，番茄觸碰到機械手指上的齒條壓力連桿時(shí)，齒條會(huì )向機械手 指內運動(dòng)，如圖 1-10c 所示，齒條通過(guò)齒輪使指尖關(guān)節轉動(dòng)，指尖關(guān)節向內彎曲 ,在夾 緊番茄后通過(guò)指尖上的壓力傳感器會(huì )將壓感信號傳輸給上位機，上位機判斷番茄所受壓力， 到達預定值時(shí)指關(guān)節停止收緊。當釋放番茄時(shí)伺服電機反向轉動(dòng)，手指張開(kāi)，機械臂此時(shí) 將機械手向下倒置，指尖受番茄重力作用張開(kāi)，齒輪帶動(dòng)齒條歸位。此設計的優(yōu)點(diǎn)是只有 一個(gè)伺服步進(jìn)電機作為機械手動(dòng)力源，降低了機械手整體的重量，減輕了機械臂壓力。缺 點(diǎn)是機械手指的結構略顯復雜，在作業(yè)時(shí)容易發(fā)生故障；并且機械手指尖靠番茄自身重力 控制，對機械手加持果實(shí)的角度有一定要求，從而限制了采摘時(shí)整體機構的運動(dòng)。

　　5、國家農業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心的王曉楠等人研發(fā)的番茄采摘機器人[15],如 圖 1-11a 所示，是綜合采摘平臺。此機器人集成了采摘手爪、機械臂、視覺(jué)系統、控制器、 移動(dòng)平臺、升降臺、果實(shí)籃。機器人在實(shí)施采摘作業(yè)時(shí)機器人會(huì )啟動(dòng)視覺(jué)系統，對周?chē)��?環(huán)境進(jìn)行觀(guān)測，當發(fā)現成熟果實(shí)時(shí)會(huì )啟動(dòng)激光定位裝置對果實(shí)周?chē)�進(jìn)行掃描。處理器會(huì )將 掃描的結果匯總換算成空間三維坐標，處理器將坐標及機械臂運動(dòng)的軌跡信息一同傳送至 機械臂驅動(dòng)裝置，驅動(dòng)裝置驅動(dòng)機械臂是采摘機械手到達制定采摘位置，對成熟番茄進(jìn)行采摘。采摘機械手為套筒型裝置，如圖 1-11b 所示，采摘時(shí)機械臂將套筒采摘裝置對準待采 番茄，真空裝置在套筒中產(chǎn)生負壓，番茄被吸入套筒，此時(shí)套筒內部的氣囊充氣膨脹夾持 番茄，旋擰電機開(kāi)始旋轉通過(guò)后方齒輪使套筒轉動(dòng)，將番茄桔梗扭斷，采下番茄。

　　總結：

　　（1）先進(jìn)的果蔬采摘機械大多都為自行移動(dòng)平臺，光學(xué)傳感器、智能處理器、控制 器、采摘手臂都搭設在移動(dòng)平臺上。

　　（2）采摘末端執行器大多安裝在多自由度機械臂上，由機械臂將采摘機械手移動(dòng)至 采摘位置進(jìn)行采摘作業(yè)。

　　（3）采摘機械手按對果實(shí)的施力方式可分為對果實(shí)施施力進(jìn)行采摘和對桔梗施力進(jìn) 行采摘。

　　（4）對果實(shí)的定位方式大多為圖像采集分析、3D 掃描分析。
　　（5）采摘機械手的驅動(dòng)裝置包括電機驅動(dòng)、液壓驅動(dòng)、氣壓驅動(dòng)三種形式。 在智能農作物采摘方面，我國的農業(yè)研究雖然相對于發(fā)達國家起步較晚，但發(fā)展速度 很快，不少院校、研究所都在對采摘領(lǐng)域進(jìn)行不斷探索，并獲得了很大的成績(jì)。和國外的 先進(jìn)技術(shù)相比，仍存在很大的差距，特別實(shí)在機械手的靈活度和反應能力方面，并且一些 在國外很多地方都已實(shí)現智能采摘機械的商業(yè)化，而我國許多研究?jì)H在試驗階段。到目前為止，我國采摘機器人領(lǐng)域還是缺乏成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，很多研究正在試運行和樣機試驗 階段。

　　目前蔬果采摘器存在的缺點(diǎn)主要有如下四點(diǎn)：

　　（1）現在的采摘器只是針對單一的蔬果進(jìn)行采摘，缺乏采摘普及性。

　　（2）果蔬的識別度不強，辨別出水果的是否適宜采摘，造成不必要的浪費。并且對 果蔬的定位不太準確。
　　（3）果蔬的枝葉容易遮擋果實(shí)，采摘時(shí)需要在植物的內部進(jìn)行識別。
　　（4）需要提高機械的設計柔性和靈巧性，能夠避開(kāi)障礙，加快采摘的速度，保證采 摘的質(zhì)量，減少對果實(shí)的破壞。

　　（5）實(shí)現果實(shí)與桔梗分離的方式主要有剪切和拉拽。用剪切方式進(jìn)行自動(dòng)化采摘， 會(huì )增加對果實(shí)的傷害幾率，同時(shí)剪切工具必須躲避未成熟果實(shí)及其他枝葉，會(huì )使采摘裝置 的設計更加復雜，故舍棄剪切分離方式而采用拉拽式分離方式。

　　1.2.3 發(fā)展方向

　　隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展，農業(yè)技術(shù)也將迎來(lái)更多的技術(shù)革新。其主要的發(fā)展目的在于解 放更多勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率、擴大經(jīng)濟效益、保護環(huán)境、減少能源消耗等方面。未來(lái)對 溫室采摘機器人的研究重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面[16].

　　（1）向智能化發(fā)展。溫室采摘機器人需要向著(zhù)更加智能化的方向發(fā)展，結合 AR 等 先進(jìn)技術(shù)發(fā)展智能一體化，結合作物生長(cháng)期的多個(gè)環(huán)節，與其他植保機器人等形成有效的 工作集合體。結合多種傳感器，使整個(gè)種植過(guò)程形成閉環(huán)系統。

　　（2）向功能全面化發(fā)展。果蔬的采摘機構會(huì )與種植機構、植保機構甚至包裝運輸機 構集合為統一整體，實(shí)現果蔬種植機器人的全功能化。未來(lái)農業(yè)將解放出更多的生產(chǎn)力， 是多余勞動(dòng)力轉移至上層決策級。

　　（3）向物聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展。采摘機器人將于其他智能系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )構成一個(gè)智農業(yè)農業(yè) 智能化網(wǎng)絡(luò )。實(shí)現智能機器人在各個(gè)農業(yè)生產(chǎn)環(huán)節上的無(wú)縫對接，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)最 大化的保證了果蔬的新鮮程度。

　　1.3 研究的主要內容與技術(shù)路線(xiàn)

　　1.3.1 研究的主要內容

　　根據番茄的生長(cháng)特性及采摘特點(diǎn)，采用 TRIZ 理論對番茄采摘機構進(jìn)行合理設計，提 高番茄采摘效率的同時(shí)對番茄果實(shí)的損傷降到最低，具體研究?jì)热萑缦拢?/p>

　　（1）番茄葉柄末端與桔梗之間生長(cháng)節點(diǎn)的最大抗拉強度試驗研究。 針對處于半熟期的番茄，研究選取果實(shí)質(zhì)量、采摘角度、采摘速度作為影響因素，進(jìn) 行番茄葉柄末端與桔梗之間生長(cháng)節點(diǎn)的最大抗拉強度試驗研究，獲得節點(diǎn)處拉力試驗相關(guān) 數據。在單因素試驗的基礎上，進(jìn)行三因素五水平響應曲面試驗設計，得出最優(yōu)的極限參 數。通過(guò)分析數據得番茄生長(cháng)節點(diǎn)處的最大抗拉強度平均值和最大值，作為設計采摘機械 結構時(shí)的依據。

　　（2）通過(guò) TRIZ 設計方法，提出番茄采摘機械手的設計方案。 針對番茄的種類(lèi)、生長(cháng)特性、形狀尺寸及采摘特點(diǎn)，以及采摘果實(shí)的動(dòng)作特點(diǎn)，以 TRIZ 理論作為設計依據，根據番茄采摘機構采摘時(shí)的傾斜角度、采摘力度、速度等參數 等提出采摘機構原理及機械手的結構，建立采摘機械手的三維仿真模型，進(jìn)行機構仿真分 析。

　　（3）番茄采摘機械手的試驗研究 通過(guò)對番茄采摘末端執行器作業(yè)過(guò)程的理論分析和結構分析，完成其末端執行器、電 動(dòng)系統和控制系統方案設計，樣機加工，將末端執行器模型寫(xiě)入機器人操作系統平臺，搭 建其控制系統，完成番茄采摘末端執行器采摘試驗與結果分析。

　　1.3.2 研究的技術(shù)路線(xiàn)

　　2 番茄特征及采摘過(guò)程分析

　　2.1 番茄的植物學(xué)特征

　　2.1.1 番茄植物特征

　　2.1.2 采摘番茄品種選擇

　　2.2 番茄采摘的工藝要求

　　2.2.1 溫室番茄種植農藝要求

　　2.2.2 人工采摘動(dòng)作特征分析

　　2.3 番茄力學(xué)分析

　　2.3.1 番茄果實(shí)力學(xué)特征分析

　　2.3.2 番茄桔梗的力學(xué)性能分析

　　2.3.3 番茄采摘的力學(xué)分析

　　2.4 本章小結

　　3.1 設計原則

　　3.2 結構形式設計

　　3.2.1 采摘方式選擇

　　3.2.2 采摘動(dòng)作構思

　　3.2.3 驅動(dòng)方式選擇

　　3.2.4 傳動(dòng)方式選擇

　　3.2.5 結構自由度確定

　　3.2.6 工作空間確定

　　3.2.7 零件加工方式選擇

　　3.3 總體結構設計

　　3.3.1 定位機構設計

　　3.3.2 分離機構設計

　　3.3.3 承載機構設計

　　3.4 控制系統設計

　　3.5 本章小結

　　第四章 采摘機械手的虛擬樣機建立與仿真分析

　　4.1 虛擬樣機建立

　　4.1.1 建立虛擬樣機

　　4.1.2 采摘動(dòng)作設計

　　4.2 有限元分析

　　4.2.1 預試驗

　　4.2.2 零件靜力學(xué)分析

　　4.3 機械手運動(dòng)仿真分析

　　4.4 本章小結

　　第五章 采摘機械手的試驗研究

　　5.1 樣機試制

　　5.1.1 零件制作

　　5.1.2 機械手裝配

　　5.1.3 編寫(xiě)控制程序

　　5.2 番茄采摘機械手試驗研究

　　5.2.1 材料與設備

　　5.2.2 試驗方案設計

　　5.2.3 采摘試驗

　　5.2.4 系統改進(jìn)

　　5.2.5 試驗結論

　　5.4 本章小結6 結論與展望

　　6.1 結論

　　采摘機械的末端執行器作為果蔬收獲類(lèi)機器人的重要組成部分，直接影響了整個(gè)體統 的執行效率，對采摘機械手的設計是收獲機器人研發(fā)的重要環(huán)節。因此本論文總結了當前 采摘機械手在國內外的發(fā)展現狀，以最大限度的保護番茄果實(shí)不受損傷為設計目標，受番 茄的植物學(xué)特征啟發(fā)，遵循番茄自然生長(cháng)繁衍規律，以 TRIZ 創(chuàng )新設計理論為輔助工具， 設計出了一種將作用力施加于番茄桔梗生長(cháng)節點(diǎn)的番茄采摘機械手。并通過(guò)模擬仿真、樣 機試驗等方式對番茄采摘機械的設計合理性和采摘效率進(jìn)行了驗證。驗證結果表明，所設 計的番茄采摘機械手達到了設計的預期目標。 在設計研究過(guò)程中得出以下結論：

　　（1）對國內外智能采摘系統及其末端執行器的發(fā)展現狀進(jìn)行了總結和分析。

　　（2）明確了采摘機械手所研究的番茄品種，對番茄植物學(xué)特征及力學(xué)特性的分析，得到 了番茄果實(shí)的抗原強度和桔梗抗拉強度的重要參數。對番茄種植和采摘過(guò)程進(jìn)行研究和總 結， 得出了采摘時(shí)有關(guān)參數之間的關(guān)系和對采摘難易程度的影響。

　　（3）提出了本設計創(chuàng )新性的采摘方案，以 TRIZ 理論為輔助工具為機械結構和采摘動(dòng)作的 設計提出了解決方案。

　　（4）完成了采摘機械手零件及組合方式的設計，為機械手番茄定位和分離機構選擇了動(dòng) 力驅動(dòng)及傳動(dòng)方式，并為控制系統及供電系統提出了解決方案。

　　（5）通過(guò)三維設計軟件 NX12.0 對設計的機械手進(jìn)行了虛擬建模，利用 NX 的仿真功能對 設計零件進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析。通過(guò)對機械手的采摘過(guò)程進(jìn)行了運動(dòng)仿真，采集了采 摘過(guò)程中機械系統關(guān)鍵點(diǎn)的運動(dòng)軌跡，對其運動(dòng)軌跡、速度及加速度云圖進(jìn)行了拆解分析。

　　（6）通過(guò) 3D 打印的方式對設計零件進(jìn)行了加工，完成了試驗樣機的搭建。

　　（7）選擇了影響采摘動(dòng)作的關(guān)鍵參數作為因素并制定了試驗方案。通過(guò)單因素試驗找到 了關(guān)鍵參數的最佳設定值與機構改進(jìn)方案，機械手的采摘傾角θ設置為 44°且對分離機構的 控制參數 T 設定為 350 時(shí)采摘成功率最高。對機械手進(jìn)行改進(jìn)后再次進(jìn)行了以采摘成功率 作為評價(jià)指標的檢驗性試驗，本次試驗采摘成功率達到了 90%,試驗證明完成了提高采摘率為改進(jìn)目標。最后進(jìn)行了試驗田的實(shí)踐性采摘，試驗結果表明機械手的田間采摘成功率 達到了 75%,并為采摘機械系統的進(jìn)一步改進(jìn)及發(fā)展提出了新的目標。

　　6.2 展望

　　本文以番茄的植物學(xué)特征為依據，通過(guò) TRIZ 理論解決了設計中出現的問(wèn)題，最后通 過(guò)仿真模擬和采摘試驗檢驗并改進(jìn)了采摘機械手控制參數及機構設計。在完成初步驗證性、 檢驗性、實(shí)踐性三次試驗之后證明了改設計合理有效的達到了設計目標，但也存在著(zhù)不足 和改進(jìn)的空間，經(jīng)過(guò)總結所設計的番茄采摘機械手還需要在以下幾方面做進(jìn)一步的改進(jìn)與 研究：

　　（1）本設計是基于一中型體積番茄進(jìn)行的設計與試驗研究，采摘機械手對其他品種 番茄的適應性還未做進(jìn)一步試驗論證。

　　（2）采摘機械手上的番茄位機構還存在改進(jìn)空間，其定位鉤的塑性變形極限較低使 定位鉤在長(cháng)時(shí)間使用后出現材料疲勞現象，無(wú)法在伸出時(shí)形成環(huán)形機構。

　　（3）摘機械手屬采摘機械人系統的末端執行器，現階段還未與上位多自由度機械臂 向連接。在接下來(lái)的工作中會(huì )建立與機械臂及運動(dòng)平臺連接，設計機械臂將機械手推送至 采摘位置的算法。

　　（4）選擇精度較高的視覺(jué)捕捉系統，捕捉番茄的空間位置信息，建立三維空間采摘 圖。

　　（5）使番茄采摘機器人與物聯(lián)網(wǎng)相連，健全智能種植采摘系統。最后形成果蔬能也 生產(chǎn)的整周期智能化，使人們從繁雜的農業(yè)勞作中解脫出來(lái)。

致 謝

　　時(shí)光飛逝轉眼間三年就這樣過(guò)去了，回憶考研時(shí)光仿佛就在昨天，不禁感動(dòng)。三年來(lái)， 老師們的教誨使我對學(xué)術(shù)、對科研有了深刻的認識。我將 "困知勉行、積厚成器"時(shí)刻銘 記在心，相信在未來(lái)的道路上這將成為我披荊斬棘的利器。

　　感謝黑龍江八一農墾大學(xué)給予我這段寶貴的人生經(jīng)歷，感謝我的導師胡軍教授三年來(lái) 對我的教導與幫助，感謝導師王妍瑋教授對我的鼓勵與督促，我將以?xún)晌粚�師作為我今�?求學(xué)之路上的楷模，也感謝我的同學(xué)們對我的支持。

　　我同樣要感謝默默支持我的家人們，感謝父母多年來(lái)對我的培養，感謝妻兒對我的理 解與支持，是你們給了我前進(jìn)的勇氣與信心。

　　還記得在備考期間一位老師曾說(shuō)過(guò)"考研將是人生中最難忘的拼搏經(jīng)歷",回頭看來(lái) 令我更難忘的是大家給予我的許多，這些會(huì )一直伴隨著(zhù)我，給予我無(wú)盡力量。

（如您需要查看本篇畢業(yè)設計全文，請您聯(lián)系客服索取）