椰果采收机械化关键技术的研究.pdf

L i a n gD o n g P o s t g r a d u a t eP r o g r a mM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gc o l l e g eH a i n a nU n i v e r s i t yS u p e r v i s o r：P r o fZ h a n gJ i n gA c a d e m i cT i t l e：a s s o c i a t eS i g n a t u r eA p p r o v e dJ u n e 2 0 1 0o f0 n吣Y 删1 呲7 帆9 帆8 74 9 帆海南大学学位论文原f i l l 性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：毕枞日期：加c 年6 月岁日学位论文版权使用授权说明本人完全了解海南大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权海南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本人在导师指导下完成的论文成果，知识产权归属海南大学。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：弩k 阪日期：i,o l、年月3E l导师签名：日飙：o f D 年只；B本人已经认真阅读“C A L I S 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文提交“C A L I S 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相关权益。回童迨塞握銮唇进卮!旦圭生i 旦=生；鱼三生筮查。论文作者签名：孕住日期：加年6 月3 日导师签名日期：幽多日捅要众所周知，海南省是我国唯一的椰子生产基地，据资料表明：其产量约占全国8 0 左右。随着海南“生态建省和“建设国际旅游岛 上升为国家战略，海南省已启动“百万亩椰林工程 建设，而椰子产业的快速发展，致使椰果采收成了椰农每到收获季节就发愁的问题，因此，如何才能安全、快速采摘椰子，是目前亟需解决的问题。为解决上述问题，设计了一种椰果采摘机。本文实现的主要内容如下：1 针对椰果采摘的特性，设计了一种液压控制系统。该系统由支腿收放、回转机构、大臂变幅、大臂伸缩、上臂回转、前臂回转、割刀回转等7 个部分组成，可满足机械化椰果采摘高效、安全、稳定的要求。该系统特点：动作灵敏、迅速，操作简单，可靠性好。，2 通过设计计算，确定了各液压元件的型号、规格及尺寸大小。3 进行了采摘机切割器的室内模拟试验。为了提高切割质量，切割器要具有较好的切割性能，论文通过找出对切割器切割性能影响的主要因素，以破损率大小为评价指标，采用二次回归正交旋转设计的试验方法，对主要因素进行室内模拟试验，并获得试验数据。试验选择频率、振幅、刀片刃角、刀片切割角、刀盘倾角、刀片数量六个因素作为该试验的研究因素。4 对试验数据进行了分析研究。利用S P S S 统计分析软件，采用向后剔除(B a c k w a r d)回归分析法对试验数据进行回归分析，得到最优回归方程为：免=111 2 0 5+1 6 0 5 4 而一2 5 3 9 x 2 11 2 8 3 x 3 0 2 0 5 x l x 4-1 8 4 9 而x 6+o 1 4 4 x 2 x 3+o 116 x 2 x 5+O 0 4 9 8 9 x 3 x 4 0 2 0 7 x 3 x 5+0 2 8 9 x 3 x 6+0 211 一0 0 9 31 x；利用S P S S 软件，对回归方程进行显著性检验，结果表明：频率、振幅、刀片刃角三个主因素对试验指标的主效应及刀片刃角、刀盘倾角的二次效应高度显著；频率与刀片切割角、频率与刀片数目、振幅与刀片刃角、振幅与刀盘倾角、刀片刃角与刀片切割角、刀片刃角与刀盘倾角、刀片刃角与刀片数目之间的一级交互效应达到高度显著水平。5 对切割器工作参数进行了优化研究。采用M a t h C A D 软件对试验因素进行了单因素和因素交互作用影响分析，结果表明：频率与振幅对破损率都有较为显著的影响，频率和振幅越小越好；其他各试验因素对破损率基本上具有相同的影响趋势。由此，建立影响因素优化数学模型，利用M a t h C A D 软件进行优化，结果为：刀片刃角1 6 5。，刀片切割角3 4。，刀盘倾角4。，刀片数目6 把，在此组合下，割后破损率可降至8 5 以下。关键词：椰果；采摘；机械化：优化设计A b s t r a c tA s w ea l lk n o w，H a i n a nP r o v i n c ei st h eo n l yc o c o n u tp r o d u c t i o nb a s ei nC h i n a T h er e l a t e dd a t as h o w st h a ti t so u t p u ta c c o u n t sf o rr o u g h l y8 0 o ft h en a t i o n a lo u t p u t A st h ee c o l o g i c a lp r o v i n c ec o n s t r u c t i o na n db u i l d i n gi n t e r n a t i o n a lt o u r i s ti s l a n db e c a m ean a t i o n a ld e v e l o p m e n ts t r a t e g yi nH a i n a n，H a i n a nP r o v i n c eh a ss t a r t e dt h ep r o j e c to fm i l l i o n so fa c r e so fc o c o n u te n g i n e e r i n g A l o n gw i t ht h er a p i dc o c o n u ti n d u s t r yd e v e l o p m e n t，c o c o n u th a r v e s tb e c o m e sap r o b l e md u r i n gt h eh a r v e s ts e a s o n S oh o wt op i c kc o c o n u t ss a f e l ya n dr a p i d l yi st h ec u r r e n tn e e d so fp r e s s i n gi s s u e s T os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s，w ed e s i g n e dan e wt y p em a c h i n ef o rc o c o n u th a r v e s ti nt h ea r t i c l e T h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s：1 C o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o c o n u tp i c k i n g，w ed e s i g n e dah y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m T h es y s t e mc o n s i s t e do fo u t r i g g e rr e t r a c t a b l ea g e n c i e s，s l e w i n g，l u f f m gb o o m，e x t e n s i o nb o o m，u p p e ra l T nr o t a t i o n，f o r e a r mr o t a t i o n，r o t a r yc u t t e ra n dS Oo n T h es y s t e mc o u l dm e e t t h er e q u i r e m e n t st h a tp i c k i n gc o c o n u te f f i c i e n c y，s e c u r i t ya n ds t a b i l i t y T h es y s t e mh a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa ss e n s i t i v ea n dr a p i da c t i o n,s i m p l eo p e r a t i o na n dr e l i a b i l i t y 2 B yd e s i g na n dc a l c u l a t i o n，t h ev a r i o u sm o d e l so fh y d r a u l i c c o m p o n e n t s，s p e c i f i c a t i o na n ds i z ea r ed e c i d e d 3 W ep e r f o r m e dt h ei n d o o rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta b o u tt h ep i c k i n gm a c h i n e I no r d e rt oi m p r o v et h ec u t t i n gm a c h i n e Sq u a l i t ya n dc h a r a c t e r i s t i c，b a s e do nt h es t u d yo ft h ef a i l u r er a t e，t h i sp a p e re s t a b l i s h e db i n a r yq u a d r i co r t h o g o r a lr e g r e s s i o nr o t a t i o n a lc o m b i n a t i o ne x p e r i m e n t，a n dd i dt h es i m u l a t e de x p e r i m e n t sa b o u tt h ep i c k i n gm a c h i n e A c c o r d i n gt oe x p e r i m e n td a t a,w ef o u n dt h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c t e dc u t t i n gd e v i c e T h i sp a p e rs t u d i e ds i xe f f e c t so ff r e q u e n c y，a m p l i t u d e，a n g l eo ft h eb l a d ee d g e，b l a d ec u t t i n ga n g l e，a n g l ec u t t e ra n db l a d en u m b e r 4 W em a d eas y s t e m a t i ca n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a U s i n gt h es t a t i s t i c a la n a l y s i ss o f t w a r eo fS P S S，a n dt h em e t h o do fb a c k w a r dr e m o v e d(B a c k w a r d)r e g r e s s i o na n a l y s i s，W eh a v ec o n c l u d e dt h a tt h eo p t i m a lr e g r e s s i o ne q u a t i o ni sa sf o l l o w：允=1 1 1 2 0 5+1 6 0 5 4 x q 一2 5 3 9 x 2-1 1 2 8 3 x 3 0 2 0 5 x l x 4 1 8 4 9 x l x 6+O 1 4 4 x v b+o 116 x 2 x 5+0 0 4 9 8 9 x 3 x 4 0 2 0 7 x 3 x 5+0 2 8 9 x 3 x 6+0 21l g 一0 0 9 31 x；U s i n gS P S Ss o f t w a r e，as i g n i f i c a n tr e g r e s s i o ne q u a t i o nt e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a i ne f f e c to ff r e q u e n c y，a m p l i t u d ea n db l a d ee d g ea n g l ea n dt h es e c o n d a r ye f f e c to ft h eb l a d ee d g ea n da n g l ec u r e rw e r el l i g l l l ys i g n i f i c a n t T h ec r o s s-a c t i o n，b e t w e e nf r e q u e n c ya n db l a d ec u t t i n ga n g l e，f r e q u e n c ya n dt h en u m b e ro fb l a d e s，a m p l i t u d ea n db l a d ee d g ea n g l e，a m p l i t u d ea n da n g l ec u t t e r，b l a d ec u t t i n ge d g ea n g l ea n db l a d ea n g l e，b l a d ea n g l ea n dt h ec u t t e rb l a d ea n g l e，b l a d ea n g l ea n db l a d ee d g e，r e a c h e dh i g h l ys i g n i f i c a n t 5 T h em a c h i n e Sw o r k i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d T h r o u g ht h ee x p e r i m e n tu s i n gM a t h C A Ds o f t w a r e，w ea n a l y s e ds i n g l ef a c t o ra n di n t e r a c t i o nw i t l lt h e s ef a c t o r s I ts h o w e dt h a t：F r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo ft h eb r e a k a g er a t eh a dm o r gs i g n i f i c a n ti m p a c t，f r e q u e n c ya n da m p l i t u d es m a l l e rt h eb e t t e r T h eo t h e rf a c t o r so ft h eb r e a k a g er a t eb a s i c a l l yh a dt h es a m ee f f e c t T h u s，u s i n gM a t h C A Ds o f t w a r eo p t i m i z a t i o n,w ee s t a b l i s h e daf a c t o r so p t i m a lm a t h e m a t i c a lm o d e l T h er e s u l ti s：b l a d ee d g ea n g l ei S16 5Ot h eb l a d ec u t t i n ga n g l ei s3 4Oa n g l ec u t t e ri s40b l a d en u m b e ri s6 U s i n gt h i sc o m b i n a t i o n,t h ec u td a m a g er a t ec o u l db ed e c r e a s e du n d e r8。5 K e yw o r d s：C o c o n u t；p i c k；m e c h a n i z a t i o n；o p t i m a ld e s i g nm录摘要IA b s t r a c t I I目蜀之。1前言11 1 课题来源、研究背景、目的及意义11 1 1 课题来源。11 1 2 研究背景、目的及意义11 2 国内外椰果采收业的现状21 2 1 国外椰果采收业的现状。21 2 2 国内椰果采收业的现状。31 3 国内外其它果实采收机械的现状41-3 1 国外其它果实采收机械的现状。41 3 2 国内其它果实采收机械的现状51 4 课题研究的必要性61 5 课题研究内容及技术路线71 5 1 研究内容71 5 2 技术路线。82 椰果采收机械作业方法探讨92 1 手持式简易采摘机械作业方法92 2 液压式椰果采摘机械作业方法93 椰果采摘机液压系统设计1 03 1 确定对液压系统的工作要求1 03 2 拟定液压系统原理图1 03 2 1 液压系统原理图：1 03 2 2 液压系统工作原理：1 13 3 计算和选择液压元件1l3 3 1 执行元件一液压缸、液压马达1 13 3 2 动力元件一液压泵2 6I V3 3 3 控制元件方向阀、压力阀2 63 3 4 辅助元件油箱、管道、管接头、滤油器2 63-3 5 工作介质液压油2 83 4 液压系统性能的验算：。2 83 4 1 系统的压力损失验算2 83 4 2 系统的温升验算2 93 4 3 系统的其它验算2 94 椰果采摘切割器室内模拟试验3 04 1 试验目的。3 04 2 试验方法。3 04 3 试验设计。3 04 3 1 试验因素及其水平、评价指标的确定3 04 3 2 试验指标：314 3 3 试验设备与材料3 24 3 4 试验方案及步骤3 25 试验数据分析研究3 65 1 数据处理软件包S P S S 简介3 65 2 试验结果的回归分析3 65 3 回归方程及其系数的显著性检验3 75 4 试验因素显著性分析结论。3 86 试验因素对性能指标影晌的图形分析及切割器工作参数优化3 96 1 数据处理软件M a t h C A D2 0 0 0 的简单介绍3 96 2 单因素影响分析3 96 3 因素交互作用影响分析4 06 3 1 因素交互作用影响分析4 06 3 2 单因素影响及因素交互作用影响分析总结。4 26 4 切割器工作参数优化4 26 5 小结4 37 结论与展望4 4V7 1 结论一4 47 2 展望4 4参考文献4 5攻读硕士学位期间发表学术论文5 0致谢51V I1 前言1 1 课题来源、研究背景、目的及意义1 1 1 课题来源课题来源于海南省自然科学基金项目“椰果采收机械化关键技术的研究(编号8 0 8 1 2 7)。课题的主要任务是：针对目前椰果采摘还是采用传统手工作业方式，由此带来劳动强度大、作业效率低、安全性差、生产成本高的问题，研究一种椰果采收机械化技术，以解决传统手工作业所带来的种种弊端，从而有效促进海南椰子规模化、产业化的发展。1 1 2 研究背景、目的及意义椰子为棕榈科单子叶多年生常绿乔木，是一种典型的热带木本油科作物，目前共有约3 0 多个品种，世界上的椰子主产国主要有菲律宾、印尼、印度、马来西亚等，在我国只有海南省是唯一的椰子规模产地，其中又以文昌、琼海、万宁、陵水和三亚为最多，产量约占全国8 0 左右【l 卅。椰子浑身都是宝，其中，嫩椰果的椰子水可治疗肠胄炎，可用于防止严重腹泻和呕吐后的体内腹水，还能增强肾脏血液循环，并具极好的利尿作用，是一种理想的清凉纯天然保健饮料1 5-6】。随着人们对嫩椰水医疗保健功效的逐步认识，嫩椰果作为天然饮料的消费需求量与日剧增，例如，1 9 9 7 年海南省年产椰果1 4 7亿个，其中有约1 3 是以直接饮用的形式消费掉的。椰果果肉可食用、榨油、榨椰奶，或制椰丝、椰蓉、椰蛋白、椰子糖等；椰油可用来制香皂、香波、牙膏、洗涤剂等，也可用在食品、纺织、皮革、农药等工业上；椰衣可做扫把、床垫填充物等；椰壳经加工后还可作为旅游纪念品、高级活性碳；椰树茎干可做建筑材料；椰花可酿酒或制醋；椰根可入药【7 _ 8 1。为满足椰子加工业巨大的市场需求量，根据1 9 9 8 年1 0 月前省委书记杜青林同志发出“大种椰子，富民强省 的号召及海南省林业局启动的“海南省百万亩椰林工程”规划，到2 0 1 0 年，海南椰子种植面积可达2 0 0 万亩，年产椰果1 2 亿个1 9 。但目前海南椰子种植业却面临着越来越严重的问题，主要有以下几个方面：一是以个体经营为主，分散经营，没有形成规模效应；二是管理不规范，农民缺乏科学种植管理知识，导致椰子的产量和质量较低；三是椰果采收还是以手工方式为主，劳动效率低，生产成本高，安全性差，严重制约了该产业的发展。课题的研究目的是研究一种椰果采收机械化技术，进行椰果采收机的方案设计，并通过关键部件切割器室内模拟试验研究，对切割器进行优化设计，提高其切割质量。研究意义是实现椰果采收机械化，使椰果采收模式发生重大变革，解决了目前制约椰子产业化发展的瓶颈问题，同时也顺应海南省政府的号召，对“生态建省”和建设“国际旅游岛”起到了推进作用。1 2 国内外椰果采收业的现状1 2 1 国外椰果采收业的现状目前东南亚各椰子主产国采摘椰子主要还是采用传统手工作业方式。印度是世界有名的产椰大国，年产椰果高达1 3 0 多亿只，相关产业为这个国家带来数十亿美元的收入。当地椰子采摘仍然采取最原始的人手采摘方式。每到收获季节，采椰工就用两套细绳，其中一套绕在双脚上，另外一套缠在双手上。然后再把这两套细绳套在树干上，除此之外，并无任何保险设备。采椰工能在1 分钟内攀上树顶，取出用布带缠在腰间的刀，把一簇椰子一个个切割下来。这种方法非常危险，纵使身手敏捷，但只要一不留神，或爬错一步，采椰工就有可能从树顶坠落，魂断椰林【1 0】。在盛产椰子的泰国南部，猴子是上树采摘椰子的主要劳动力。由于手工采椰非常危险，采椰工越来越少，泰国手工采椰业恐后继无人。劳动力短缺的危机，将威胁泰国椰子产业的发展，为此，有人就训练猴子代替人来采摘椰子。比如泰国就有好几所猴子学校，专 -J N 练猴子从椰子树上采摘椰子，由于猴子在晚上注意力比较集中，容易接受指令，训练活动多在夜间进行。还举办“毕业生”摘椰子比赛，曾有猴子以半分钟摘下9 个椰子夺冠。每年椰子成熟的两个月内，学校就向椰农提供猴子摘果服务，每棵椰树收取约4 4 美元的费用。每只“椰林猴工”一天能采摘5 0 0 多个椰子，最能干的公猴能采摘8 0 0个，创收1 l 美元(图l、图2)【l l】。2图1-1 泰国训练猴子上树采椰图1-2 猴子摘果F i g 1-1M o n k e yp i c k i n gc o c o n u t si nT h a i l a n dF i g 1 2M o n k e yp l u c k i n gn u t sV i n a y a g a l i n g a m 于1 9 8 4 年设计了一种用于采收椰果的简易机械装置【1 2 1。该装置结构简单，功能单一，还需人攀上树后手持该装置采果，效果较差，不能满足椰子集约化、规模化生产的需要，未能推广应用。1 2 2 国内椰果采收业的现状在政府的大力支持下，海南椰子种植业得到了较快发展，椰果产量也逐年提高，可每到收获季节，椰果采收就成了广大种植专业户头疼的问题。目前海南椰子的采收方法还是采用传统的方式，主要有以下几种。第一种方法是让椰果在树上熟透后自然脱落。这种方法因椰果采收时间长，过熟果椰水少、品质差，不能满足椰子加工业的要求，已逐渐被淘汰。第二种方法是用一条长竹竿，末端绑一锋利钩刀，将成熟果钩下。这种方法操作非常费力，椰树越高，劳动强度越大，据笔者调查，成年健壮男子每天约能采6 0 株树。如果用力过大，钩刀将深深的钩住椰果，椰果无法脱离钩刀，容易使竹竿上端断裂，中途钩刀也易松动，所以工效较低。而且椰子受钩刀斜方向的力将快速抛下，对采椰作业者造成一定的人身安全威胁，另外，椰果快速抛下的冲击力大，容易使椰果摔裂，造成损失。第三种方法就是爬树采果，一般都是直接爬上去，也有的借助梯子爬上树腰处再往上爬。爬树的人一般不是整穗采摘，而是根据同一穗果实的不同成熟度采取，用砍刀将椰果砍下，或是用手拧断，果穗柄依旧留在树上，这样可在很大程度上保证椰果采收质量，但采果的进度较慢，爬树技术较熟练的一般每天约能采1 6 株。显然，这种方法危险性大，采椰人的人身安全得不到保障，时常都会看到因爬树摘椰果而摔伤的报道。特别是在雨季(海南雨季也是椰果采收时期)，椰树非常的滑，爬树摘椰子更不合适。另外，椰树上常有各种蚂蚁和蜂类昆虫，对采椰工造成极大的危害。，第四种方法是训练猴子爬树采果。猴子是一种模仿性和可训性很强的动物，并且很灵活，经过长时间的专业培训之后，可以爬到十多米高的椰子树上，它会选择较为成熟的椰果，然后用爪子用力地拧椰果，直到椰果落下地来。这种方法虽然很好，但成本太高、难度太大，未能推广应用。目前，这种方法只有在一些旅游观光之地才能见到，比如文昌的“椰子大观园、“东郊椰林 等旅游景点【9 1。1 3 国内外其它果实采收机械的现状1 3 1 国外其它果实采收机械的现状国外的果实采收机械主要以采摘机器人为主，其农业机器人的发展较为迅速。自1 9 8 3 年第1 台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发历经2 0 多年，目前，美国、欧洲和亚洲等许多国家对蔬菜和水果机器人系统进行了研究开发并有初步应用，主要用于番茄、黄瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑桔、甘蓝、蘑菇等收获以及育苗生产和作物管理等各类农业机器人。但这些采摘机器人目前都还没能真正实现商业化1 3 2 9 1。1 9 9 3 年，西班牙工业自动化研究所基于人机协作思想开发的柑橘采摘机器人A g r i b o t，该机器人由操作台、轮式移动机构、机械手、末端执行器、激光测距仪和控制系统等组成。操作人员发现待采摘果实后，利用游戏杆操纵移动倾斜机构，使激光测距仪的激光束对准果实，获取待采摘果实的坐标，并将其放入一动态数据区。控制系统从动态数据区中取出坐标数据，并和机械手末端执行器的当前坐标进行比较，规划最优采摘路径的同时控制关节轴电机的运动，使机械手末端执行器到达指定位置【3 3 1。日本K o n d o-N 等人研制的西红柿收获机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等组成。该机器人的采摘机械手采用7 自由度的S C O R B O T E R 工业机器人，能够形成指定的采摘姿态进行采摘。用彩色摄像机作为视觉传感器来寻找和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位；移动机构采用4 轮结构，能在垄间自动行走 2 9 3 引。日本K o n d o-N 等人研制的黄瓜采摘机器人，采用6 自由度的机械手，能在倾斜棚支架下工作。这种支架栽培方式是专门为机械化采摘而设计的。黄瓜果实在倾斜棚的下4侧，便于黄瓜与茎叶分离，使检测与采摘更容易。在摄像机前加了滤波片，根据黄瓜的光谱反射特性来识别黄瓜。其末端执行器上装有果梗探测器、切割器和机械手指。采摘时，当机械手指抓住黄瓜后，由果梗探测器寻找果梗，然后由切割器切断果梗 3 9-4 0 。K o n d o-N 等人还针对草莓的不同栽培模式(高架栽培模式和传统模式)研制出了相应的采摘机器人。该机器人采用5 自由度采摘机械手，视觉系统与西红柿采摘机器人类似，末端执行器采用真空系统加螺旋加速切割器。收获时，由视觉系统计算采摘目标的空间位置，接着采摘机械手移动到预定位置，末端执行器向下移动直到把草莓吸入；由3 对光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，由螺旋加速驱动切割器旋转切断果梗，完成采摘 2 2,3 1 3 2 1。1 9 9 6 年，荷兰农业环境工程研究所开始研制一种多功能黄瓜收获机器人。该研究在荷兰2 h m 2 的温室中进行，黄瓜按标准的园艺技术种植并使其按照高挂线缠绕方式吊挂生长。该机器人只进行单个收获，收获成熟黄瓜过程中不伤害其他未成熟的黄瓜。该黄瓜采摘机器人由行走车、机械手、视觉系统和末梢执行器4 部分组成。采摘是通过末端执行器来完成，它由机械手和切割器构成；末端执行器和机械手安装在行走车上，行走车为机械手的操作和采摘系统的初步定位服务。整个系统无需人工干预就能在温室工作。该系统在实验室中效果良好，工作速度为1 0 s 根，但是还不能满足商用的各种要求【4 1 4 3 1。1 3 2 国内其它果实采收机械的现状中国是一个农业大国，农业机器人研究也逐渐起步。我国对采摘机器人的研究始于上世纪九十年代，如上海交通大学的曹其新(1 9 9 9)等人开发了草莓拣选机器人样机。该样机具有学习功能，作业时可根据拣选对象的标准样本，改变或调整机器人拣选草莓的种类，并可一机多用，即使是没有专业知识的操作人员，也能很容易地掌握其操作方法【钏。林伟明、张瑞合、应义斌等人先后对机器视觉技术在果蔬收获机器人中的应用做了较深入的研究，利用机器视觉采集果蔬图像，研究了不规则果品的形状描述方法，提出在果蔬的分级过程中采用傅立叶变换与傅立叶反变换对来描述果形，开发了基于人工神经网络的果形识别软件，研究发现该傅立叶描述子的前1 6 个谐波的变化特性足以代表梨体的主要形状，采用傅立叶描述子与人工神经网络相结合的方法进行果形识别的精确率可达9 0 4 5 州】。浙江大学的梁喜凤等对收获机械手进行了机构分析与优化设计研究，增加了机械手运动灵活性，降低了机械手在奇异位形处的误差，提高了运动精度【5 2 6 0】。2 0 0 4 年，张铁中、周娟等对草莓成熟度和空间位置的识别进行了深入研究，试验结果表明，利用B P 神经网络能较好地实现成熟草莓果实与背景的分离，经过提取大区域和腐蚀、膨胀等算法的进一步处理后，效果更好；而且，只要改变训练时的教师信号，即可实现对草莓果梗、萼片等图像的分割【6 1】。2 0 0 5 年，张铁中等又对成熟草莓果实重心和采摘点的确定进行了研究，利用L R C D 方法能够很好的将成熟草莓与背景分离，通过提取分割后草莓图像的几何信息，可确定草莓重心和采摘点的位置；试验结果表明，其采摘点位置误差 1 0)，需校核活塞d 3杆的纵向抗弯强度或稳定性，以下验算方法均来自手册P 4 3 2 3 6。忽略部分极小的偏心载荷，按无偏心载荷等截面法计算。验算是否满足细长比专聊刀，式中卜活塞杆断面的回转半径(m)，对于空心活塞杆，o=o,-o 0 1 5 朋，活塞杆计算长度(朋)，根据手册P 4 3 2 3 6 表4 3 6 9 4，有l=2 X 5=1 0 m。m 柔性系数，铸铁材料的柔性系数为8 0：力末端条件系数，类型为“一端固定，一端自由的末端系数为百1；壶=丽1 0=6 6 6 胗朋石=s o 冉=4 0所以可按欧拉公式计算临界载荷攻，P K：n 刀了2 E j 。式中P K 临界载荷力()。，活塞杆截面的传动惯量(聊4)，对于空心活塞杆，=吾(d，4 一D 3 4)=云(0 0 5 卜o 0 3 0 4-2 7 1 0 刁聊4卜活塞杆材料的弹性模量，对于铸铁，取E=1 4 X1 0 1 1 P a：氏：字：翌竺掣一州一般在实际使用时，为了保证活塞杆不产生纵向弯曲，活塞杆实际承受的压缩载荷要小于极限载荷。即P P x。玎r式中刀K 安全系数，一般取n K=2,-,4，取B K=2。尸：F=4 0 0 丝：半：4 6 5 9 Nz所以此活塞杆满足稳定性要求。第二级活塞的设计(i)活塞工作压力的计算：参考手册P 4 3-2 3 0 表4 3 6 9 1 选取第二级活塞外径d z=8 5 m m。其自重G 2=署伍一谚k g=字(0 0 8 5 2 一o 0 6 3 2)7 8 1 0 3 9 8 1 9 7 7 9 N密封阻力R=(1 一锄)F 7，锄取0 9 0。R=(1 一锄)P=(卜锄百F W G 3=(1-0 9 0)4 0 0+5 9 30 9 0F z=F+R+G 3+G 2=4 0 0+1 1 0 3+5 9 3+9 7 7 9=2 0 8 1 2 N根据伸缩式液压缸的结构特点，即应使A 2 b=彳2。，即1 61 1 0 3 如=三衙一矸)=4。=三谚D l=D 2 2+d 2 2=4 0 0 6 3 2-+0 0 8 5 2=o 10 6 m-10 6 聊垅P一掣：4x20812；02MPaP2-2一石2 丽。而(i i)活塞的稳定性验算：验算方法同上。去5 丽1 0 1 1 7 6 1o，需校核活塞杆的纵向抗弯强度或稳定性。当细长比三K 聊i 时，可按欧拉公式计算临界载荷攻。K=丢厢=丢瓜再而丽=o 舵6 肼；其中，r 柔性系数，4 5#钢的柔性系数为8 5；i l=而1 0 跏6，z 石-8 5 后=4 2 5所以可按欧拉公式计算临界载荷尸K，攻=n 万F 2 E j。式中卜活塞杆材料的弹性模量，对于钢，取E=2 1 1 0 1 1 P a：氏：字：墨竺竽竺一例卜活塞材料的弹性模量，对于钢，取E=2 1 1 0 11 P a；户科7 Q：4 一砬4)2 丢(o 0 8 5 4 _ o 0 6 3 4)=1 8X1 0 6 m 4；攻=丁n 万2 E,=代入P 丝，k三二三：竺掣竺竺瑚n 3 1 0 2”即尸：F+G 3：4 0 0+5 9 3：9 9 3 丝=9 3 1 7 3：4 6 5 8 7。刀I，j所以此活塞满足稳定性要求。第一级活塞的设计：(i)活塞工作压力的计算：第一级活塞的内径已知，即D l=1 0 6 r a m，由以上计算知该缸是在低压下工作的，内径1 0 6 m m 已不属于标准缸内径系列，所以先定第一级活塞外径d l=1 3 0 m m，再验算其稳定性。1 7自重G l=鲁衙一研k g=丁7 r x5【,o 1 3 0 2 一o 1 0 6 2)7 8 1 0，9 8 1 密封阻力R=(1 一锄)F 7，锄取0 9 0。F m(1 一锄)，=(1 一锄)F+_ G 3+一G 2：(1 0 9 0)7 7 m4 0 0+百5 9 3 万+一9 7 7 9 219 0 N-尼叩+R+G 3+G 2=4 0 0+2 1 9 O+5 9 3+9 7 7 9=2 1 8 9 8 N根据伸缩式液压缸的结构特点，即应使A l b-A l。，即4 a=三(D 2 一矸)=4。=署研D=厮：厄而丽=0 1 6 8 册：1 6 8 聊m，：冬=掣：掣o1MPl9口=J=三=n1疗4n D 2万0 1 6 8 2一(i i)活塞的稳定性验算：验算方法同上。妄=丽1 0 7 6 9 1 0，需校核活塞杆的纵向抗弯强度或稳定性。当细长比三K 朋万时，可按欧拉公式计算临界载荷P K。K=l x D