草莓自动采摘装置设计.docx

《草莓自动采摘装置设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《草莓自动采摘装置设计.docx（35页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、毕业论文（草莓自动采集装置设计）宁波理工学院 毕业设计（论文）题 目 草莓自动采集装置设计 姓 名 俞 浩 学 号 3150611139 专业班级 机械设计制造及其自动化4班指导教师 吴尧锋 学 院 机电与能源工程学院 完成日期 2019年5月24日 2摘要每到草莓生产季节，为了草莓的外貌质量和营养成分的保证，必需在收获季节每天进行人为的采摘，其劳动强度和成本约占草莓生产成本的1/4。基于此种现状，进行草莓自动采摘机构的研究已经成了发展趋势，这能够有效减轻果农的生产负担。本次设计主要分为三个方面进行设计，分别是自动行走机构、移动机构和采摘机构。其中行走机构采用履带传动结构，负责采摘装置的行走；

2、移动机构采用三自由度工作台的设计形式，负责采摘机械臂的XYZ三轴方向的移动；采摘机构采用以双目视觉系统定位、“双驱双夹”机构采摘的形式完成草莓的定位和采摘工作。通过验证，本次设计的草莓采摘各机构能够优秀的完成设计要求。行走机构和移动机构可以完成装置各位移要求；末端执行装置和定位系统能够完全实现垄作种植的草莓的采摘工作。关键字：草莓；自动采摘；三自由度；双目视觉AbstractIn every strawberry production season, in order to guarantee the appearance quality and nutritional composition

3、 of strawberries, it is necessary to pick them artificially every day during the harvest season. The labor intensity and cost account for about 1/4 of the production cost of strawberries. Based on this situation, it has become a developing trend to conduct research on the automatic picking mechanism

4、 of strawberry, which can effectively reduce the production burden of fruit farmers.This design is mainly divided into three aspects: automatic walking mechanism, mobile mechanism and picking mechanism. The walking mechanism adopts caterpillar transmission structure, which is responsible for the wal

5、king of the picking device; The mobile mechanism adopts the design form of a three-degree-of-freedom worktable, which is responsible for the movement of the picking arm along the XYZ three-axis direction; The picking mechanism USES binocular vision system positioning, double drive and double clip me

6、chanism to complete the strawberry positioning and picking work.Through verification, the design of the strawberry picking institutions can be excellent to complete the design requirements. The walking mechanism and the moving mechanism can fulfill the requirements of each shift of the device; The e

7、nd effector and positioning system can completely realize the picking of strawberry in ridge planting.Key words: strawberry; Automatic picking; Three degrees of freedom; Binocular vision目录摘要IAbstractII目录III第1章 绪论11.1 引言11.2 草莓自动采摘装置及国内外研究状况11.2.1 草莓自动采摘装置的特性11.2.2 国内外研究现状21.3 研究目标21.4 研究内容31.4.1 行走机

8、构31.4.2 移动机构31.4.3 采摘机构41.5 小结4第2章 草莓采摘机器行走机构设计52.1 草莓种植环境介绍52.2 采摘机器行走机构选择52.2.1 轮系行走机构62.2.2 仿人步行机构62.2.3 履带式行走机构72.3 履带式行走机构设计72.3.1 履带小车底盘结构设计82.3.2 驱动系统设计92.3.3 牵引力计算102.3.4 电机选取12第3章 草莓采摘机器移动机构设计143.1 移动机构主体结构选择143.2 移动机构自由度确立153.3 三自由度工作台结构设计153.3.1 螺母丝杠的选择163.3.2 三轴滑台行程设计173.3.3 滚珠丝杠性能校核18第4

9、章 末端采摘机构和定位算法设计214.1 末端执行器设计214.1.1 末端执行器设计要求214.1.2 末端执行器方案选择214.1.3 末端执行器结构设计224.1.4 草莓收集装置设计224.2 草莓图像识别与定位算法234.2.1 图像识别系统244.2.2 定位算法25第5章 总装与结论275.1 草莓自动采摘装置总装275.2 结论27参考文献29致谢3129第1章 绪论1.1 引言草莓是多年生草本植物，是属于是蔷薇科的植物，有很好的食用价值，富含人体必需的矿物质、维生素、多种氨基酸，素有“水果女王”的美誉。此外，草莓中所含的营养物质容易被人体吸收，有很好的食用营养价值。草莓在成熟

10、之后需要在短时间内完成采摘，所以种植草莓的果农每次在遇到草莓成熟期时候都要需要大量的人力物力投入到草莓的采摘之中。草莓采摘时大量的人力成本的投入也大大增加草莓的生产成本，所以如何将自动化引入草莓生产，降低草莓的生产成本已经成了迫在眉睫的问题。随着人们对机器人智能本质认识的加深，智能机器人技术不断渗透到各行各业，为满足人民生产生活的各种需要，开发了许多自动化机器人和农业机器人。随着农业生产从人力小规模化向大规模化、多样化、精细化方向发展，劳动力短缺现象日益显著。因此，农业生产机器人的研究近年来也成了火热的话题。因此，本次设计的草莓自动采摘机器人能够有效降低草莓果农的劳动负担，从根本上改变落后的草

11、莓生产方式，提高草莓的生产力。1.2 草莓自动采摘装置及国内外研究状况1.2.1 草莓自动采摘装置的特性（1）工作对象脆弱:草莓是一种较为软弱且易伤的一类水果，对于这样性质的水果需要能够轻柔的采摘。（2）对操作要求简单:草莓自动采摘装置的使用者大多是农民，他们对电子和机械方面的专业知识知之甚少。因此，要求草莓自动采摘装置具有高可靠性和操作简单的特点。（3）工作动作复杂:草莓自动采摘装置通常是同时操作和移动的。在操作过程中，设备的行走路线受作物种植方式的影响，相对狭窄，受一定范围的限制。它通常需要走很长的距离，需要装置覆盖整个场地表面。因此，设计时应充分考虑在复杂条件下作业的完成情况。（4）价格

12、要求低廉:草莓的种植以个体经营为主，如果自动采摘机器人的生产成本过高，就很难得到大多数的草莓种植商的认同。（5）装置体积不能过大：国内草莓种植大多采用大棚种植，且种植密度较大，若采摘装置体积过大，工作过程中占用较多行走空间，将会影响到草莓的种植密度。1.2.2 国内外研究现状美国农业食品工业技术研究所开发了固定式草莓自动采摘装置。新开发的固定采摘装置不但能够在白天使用，而且采摘面积也是传统采摘装置的两倍。该采摘装置由20个可移动的草莓培养平台和固定式草莓自动采摘机装置组成，培养平台轮流移动到固定的草莓自动采摘装置前，自动采摘装置用末端执行器进行草莓采摘。如何提高草莓采摘的生产效率是现代草莓种植

13、的一大难题。美国该技术的开发，对草莓生产效率的提升，实现草莓的大批量规模化自动化生产提供了可能。在可行走的自动化采摘草莓计算方面，日本开研究了一种高架栽培的草莓采自动摘装置。该草莓自动采摘装置主要由履带式底盘、三自由度移动机构、末端采摘机构、摄像机组成。该采摘机构工作时行走于两垄之间，以其前进方向作为X轴的正方向，以垂直于地面向上为Z轴正方形，垂直于XZ轴并指向草莓位置方向Y轴正方向。以此建立草莓采摘机构的三维坐标系，单目视觉系统重建的三维坐标与其保持一致。其总体结构如图1.1所示。1.3 研究目标根据草莓的生产特点以及草莓生产的作业要求，对草莓自动采摘装置的研究应从以下几个方面考虑：(1)设

14、计结构装置合理简单、机构灵活性高、末端执行器需要对草莓表皮无损伤采摘；(2)结构简单、覆盖面广的机器人手臂研究；(3)制定有效的拣选方案，使拣选效率高于人工拣选效率。根据以上对草莓采摘机器人的要求，本次设计将选择以国内普遍形式较高的高垄栽培的草莓作为研究对象，设计草莓自动采摘装置。图 1.1自动草莓采摘装置1.4 研究内容1.4.1 行走机构草莓自动采摘装置的位移行走由履带式行走机构完成，行走机构不仅带动整个机器人行走，而且是整个机器人的承重机构。外形尺寸为(800*400*200)mm，铝合金板用于制作车身的翼板。采用直流减速电机作为车体的驱动源，直流减速电机与驱动轮连接，驱动轮与轨道啮合。

15、通过控制电机的正极和负极电源，机器人可以向前、向后和转弯，改变PWM调速系统的脉宽来控制机器人的行走速度。行走机构具有承载能力强、稳定性好、环境适应性强等优点。1.4.2 移动机构三自由度工作台的主要功能是将末端执行器送到草莓采摘位置，包括X，Y，Z方向的运动。三者均采用滚珠丝杠直线光轴导轨。工作台的方向和滚珠丝杠螺母对用于确保传动精度。线性光轴导轨用于支撑和导向，X和Z方向丝杆的导程为5mm，Y方向的导程为4mm，XYZ三向导轨的有效长度为300mm。步进电机用作三个方向驱动的电源，步进电机驱动器的高精细分数（最大细分数128）用于细分每个脉冲的相应移动距离，以确保移动精度。当采摘机构移动到

16、指定位置时，摄像机拍照并在图像处理后判断成熟草莓位置的三个坐标并完成采摘。1.4.3 采摘机构末端采摘机构主要完成草莓果实茎部的切割和对草莓夹持。该机构由双杆气缸、剪切手和抓取装置组成。采摘机构总长度为150mm，宽度为80mm，高度为50mm。剪切手和抓取装置固定在底板上，夹紧装置与固定在底板上的双杆气缸连接，气泵作为驱动源。当采摘时，三自由度工作台带动末端采摘装置移动到目标草莓果梗的位置，控制气泵驱动气缸驱动剪刀手迅速采取行动，利用冲击力实现切割草莓果梗，抓取装置是两个空心半球，实现对草莓的抓取从而完成对草莓的采摘过程。1.5 小结总而言之，可行走草莓自动采集装置在近几年国内外已经有了一定

17、的研究和发展。但是由于其工作动作复杂，工作环境多变，工作对象脆弱等原因，仍然存在大量难点：（1） 国内普遍采用多目视觉系统，结构复杂，成本较高；（2） 采摘装置体积较大，影响草莓生长密度和种植效率；（3） 国内该方面研究较为薄弱，以国内草莓生长特点的采摘装置较少。第2章 草莓采摘机器行走机构设计2.1 草莓种植环境介绍目前我国草莓的生产方式基本分为塑料大棚、露天大棚和温室，其中塑料大棚的生产方式占全部生产方式的一半以上。其中，我国南方大部分省份主要种植在露天大棚和塑料大棚中，大部分地区种植在保护区大棚中。草莓的种植方法主要分为三种:高垄种植、分枝种植和地毯种植。在我国大部分地区，高垄种植是主要

18、的种植方式。在高垄种植中，行横截面为规则等腰梯形，上行宽400mm，下行宽600mm，整行高约250mm。山脊与地龙之间保持近400mm的距离，作为采摘者的行走通道。草莓植物生长在地垄的顶部，草莓果实自然会挂在其两侧。草莓的果梗在成熟果实大小与垄断壁之间有10mm20mm的空隙。图 2.1草莓种植示意图该种植方法具有灌溉方便、种植土壤疏松、通风透光好、成熟果实色泽均匀、成熟品质高等优点。因为它挂在地垄的两侧，所以它不容易被土壤污染，相对干净。2.2 采摘机器行走机构选择常见水果自动采摘装置的行走机构主要有履带行走机构、车轮式行走机构和仿人步行机构三种方式。2.2.1 轮系行走机构轮式行走机构是

19、三种结构中最简单、应用最广泛的一种。在农业机器人应用中，轮型主要分为三轮型和四轮型。以四轮行走机构为例，车体前面的两个轮子作为导向轮和支撑轮，后面的两个轮子作为动力驱动轮。在运行过程中，行走机构的运行速度是通过控制与驱动轮轴向连接的电机转速来控制的。轮行走机构的主要特点是轮径小，转向灵活，控制设计简单。但轮式结构对土质较软的道路适应能力差，对自动采摘装置的移动机构的定位会有较大的影响，使采摘精度降低。2.2.2 仿人步行机构仿人步行机构是一种类似于人类下肢结构的机器人步行机构，利用两条腿或类似的多腿结构完成行走。这种步行形式，在处理地面环境和避免障碍物以及在小空间步行的优点是其他两种步行机构无

20、法比拟的。然而，由于这种步行机构的平衡控制和步态规划在步行过程中非常复杂，目前还处于实验研究阶段，技术上还不成熟，成本较高。因此，仿人步行机构在采摘机器人的设计中很少用。图 2.2仿人步行机构2.2.3 履带式行走机构履带行走机构主要由驱动装置、支承轮、履带架、张紧装置、链条、履带板、导向轮等组成。其结构如图2.3所示。这种类型的结构是通常用于建筑机械、拖拉机和其他领域地面不均匀，需要跨越障碍相对恶劣的工作环境。“四轮一带”工作模式可以避免履带板滑动，使用驱动设备，支重轮和导向轮驱动整机行走。如新疆机械研究院研制的多功能果园作业机和中国农业大学研制的黄瓜采摘机器人采用的都是履带式结构。图 2.

21、3履带式行走机构三种结构型式的行走机构各有其优缺点，由于本次设计以垄作采摘为基础，要求结构和控制简单，而其中人形式行走机构控制复杂，要保证其平衡，需要对步态和平衡性能进行比较深入的研究。故只考虑履带机构和车轮式行走机构。履带式行走机构在草莓生产的软土型环境中稳定性好、爬坡能力强和跨越障碍强，而且结构简单方便控制。故较适用于本次设计的工作环境。2.3 履带式行走机构设计草莓自动采摘装置的位移行走由履带式行走机构完成，行走机构不仅带动整个机器人行走，而且是整个机器人的承重机构。外形尺寸为(800*400*200)mm，铝合金板用于制作车身的翼板。采用直流减速电机作为车体的驱动源，直流减速电机与驱动

22、轮连接，驱动轮与轨道啮合。通过控制电机的正极和负极电源，机器人可以向前、向后和转弯，改变PWM调速系统的脉宽来控制机器人的行走速度。行走机构具有承载能力强、稳定性好、环境适应性强等优点。2.3.1 履带小车底盘结构设计履带小车底盘结构以“四轮一带”的形式设计，其中四轮是指导向轮、驱动轮、张紧轮、支撑轮，一带是指履带。同时配以缓冲弹簧、控制装置和动力装置。在采摘机构前进过程中，驱动轮对履带产生一个拉力，给履带一个从支撑轮中拉出的趋势。支重轮下的履带与地面有足够大的摩擦力，当阻止了履带被拉出之后将使驱动轮绕履带滚动从而采摘机构向前前进。在我国履带运输装置的四轮一带已经基本进入标准化，因此本设计还是

23、采用以标准化的传统模式设计方法。同时考虑到采摘装置的工作空间较小，故将履带放于车盘内部。其结构如图2.4所示。图 2.4履带式小车底盘设计履带式小车工作环境在路面凹凸不平的种植路上，故必须为其设计减震系统，以防因为剧烈的晃动导致机器的受损和对草莓定位和采摘的精度的影响。并且考虑到其为农业机械，应尽可能减少其成本，故采用最简单减震弹簧来实现其减震功能。带有减震功能的履带小车如图2.5所示。图 2.5减震功能的履带小车2.3.2 驱动系统设计通过考虑履带小车工作环境和需实现的功能要求，列出其主要参数要求如表2.1所示。表 2.1无人履带车性能指标名称参数最大载荷50千克平地最大速度（空载）20千米

24、/小时垂直越障高度0.2米越沟宽度0.4米最大爬坡角45度行走方式履带式考虑到上述要求，本次设计采用后置动力单元和卧式发动机。该传动系统布置有利于传动系统的布置和合理利用空间，有效降低底盘的高度和车身的宽度，有利于其运行的稳定性和机动性。表2.2列出了几种驱动方式的综合比较，通过分析比较几种方法的特点，结合设计要求，实际工作状态和生产成本，考虑到电力驱动具有无级调速和操作系统简单，能量转移的方便，标准化程度的提高，并方便实现自动控制，同时还具有节能环保的优点，从而本次设计确定了选择电动驱动作为履带式底盘驱动方式。为了降低生产成本，简化行走机构，采用了直驱电机驱动，底盘下两侧安装两个直驱电机驱动

25、驱动轮。驱动机构的设计使车辆的前进、后退、转向等操作灵活。2.3.3 牵引力计算草莓自动采摘装置在垄作土壤上行驶时，整个采摘装置上具有电机给予装置的驱动力以及各种抵抗装置行驶的外部阻力。自动采摘装置必须克服地面的滚动摩擦力Ff，才能在作业地面上正常前进；当车辆需要越过小土坡时，还必须能克服重力沿土坡的分力，即坡度阻力Fi。故自动采摘装置受到的总阻力为:(2.1)当自动采摘装置前进时，履带与土壤路面之间有法向、切向的相互作用力以及因为地面的变形而产生的阻碍采摘装置前进的阻力矩Tf的产生。由理论力学平衡条件得:(2.2)式中:W法向载荷(N)；r驱动轮半径(m)；f滚动阻力系数，如表2.3，根据草

26、莓采摘装置的工作环境，这里取0.10。表2.2几种驱动方式比较性能机械驱动液压驱动液力驱动电力驱动输出力和转矩较大大大小速度低较高较高高质量功率比较小小小中等响应性中等高中等高无极调速较难良好较好良好结构一般简单一般稍复杂环境适应性一般较好较好较差工作寿命一般一般一般较短价格一般稍高稍高较高(3)坡道阻力Fi自动采摘装置爬坡时，装置的重力沿斜坡的分力为坡度阻力，即：(2.3)式中: 坡度倾斜角；G采摘装置的重力。草莓自动采摘装置要想正常行驶，需要其驱动力能够克服作用在装置上的所有阻力，即需要满足以下条件:(2.4)式中:Mk电机输出力矩(Nm)；k履带驱动段效率，取0.95。考虑到当采摘装置正

27、常工作时，遇到满载状态需要上坡的情况，此时驱动装置的最大驱动力需要克服装置受到的总阻力和自身重量沿坡面向下的重力分力：(2.5)将数据代入得:(2.6)表 2.3滚动阻力系数和附着系数支撑面种类铺石路面0.050.60.8干燥土路0.070.50.6柔软的岩质路面0.100.60.7沼泽地0.100.160.50.6细砂地0.100.450.55收割过草地0.70.9开垦的田地0.100.120.60.7冻结的道路0.030.040.2履带式行走机构想要正常启动或运行的前提是，它的牵引力不仅能克服草莓自动采摘机构行驶时受到的阻力，而且不能大于地面对其的粘附力。否则，当车辆所需牵引力超过地面粘附

28、力时，履带式行走机构将出现全滑失速，机器无法前进并丧失工作能力。用公式表示为:(2.7)式中:地面附着系数，根据采摘装置工作环境，取0.9。当自动采摘装置满载时：(2.8)因，草莓自动采摘装置的驱动力满足设计要求，车辆不会打滑。2.3.4 电机选取电机的最大功率是根据履带式行走机构在最大功率时的行驶情况来确定的。在草莓种植环境上以最高速度行驶所需的功率可确定为发动机的最大功率。由于本设计是直接由电机驱动轮驱动，所以应先计算电机的起动功率，以便选择合适的电机。当知道行走机构的工作状况和其在工作环境上所需达到的最大速度时，电机功率可由下式确定:（2.9）式中：车辆效率；G车辆的全重（KN）；阻力系

29、数；在草莓种植环境中行驶，需要的最大速度（km/h）。草莓自动采摘装置工作时的阻力系数可表示为：（2.10）由于垄草莓采摘两垄之间的地面坡度相对较小，故遇到土坡的坡度很小，所以：（2.11）式中：i小土坡坡度。根据经验公式：（2.12）（2.13）履带行走机构效率分别取电机94%，联轴器99%。带入得，Nfmax=0.599kw。在计算出行走装置最大功率时，由于还要考虑装载其他物资，所以电动机的功率选取应该偏大一些，在此选取YP80B3/5-24V0.55-1200型号的电动机，两台电机共1.1KW，大于Nfmax，满足本次设计要求。第3章 草莓采摘机器移动机构设计3.1 移动机构主体结构选择

30、采摘类似于地垄种植的狭小低矮空间的草莓，其采摘移动机构的设计应当满足在此环境下高效的完成采摘工作，因此需要先初步确定其构型。按照坐标系分类其结构设计可以分为以下几种：（1）关节坐标机器人这是一种在机械领域应用较为广泛的机器人，它具有工作空间大，动作灵活，可执行动作负责复杂。但是其机械结构复杂，操作空间困难，生产成本高等缺点。（2）圆柱坐标式机器人圆柱坐标式机器人有Z轴转动自由度，Z轴伸缩和手臂伸缩自由度。该结构紧凑灵活，但无法到达较低位置的空间，使其工作空间大大减少。（3）直角坐标式机器角坐标机器人具有XYZ的标准三自由度，可以在上、下、左、右、前、后六个方向进行运动，达到空间中的任意点。它具

31、有控制简单、定位精度高、移动速度慢、占地面积大等优点，常用于特殊的种植环境中（4）球面坐标式机器人这类机器人一般具有绕垂直轴和水平轴旋转以及手臂伸缩运动的三个自由度。球面坐标机器人最大的特点是结构机占用空间小，工作范围大，但机械设计和控制设计比较复杂。目前，在果蔬采摘机器人中应用较少从本次设计的要求来看，直角坐标机构机械结构简单，容易线性化控制参数，同事成本较低，更适合本次设计。考虑到各种因素，本文所设计的草莓自动采摘装置的移动机构采用三维直角坐标系比较合理。3.2 移动机构自由度确立工作空间是指在机构在正常运行过程中，其腕关节能在空间中运动的最大自由度，由于机器人所选择的运动关节类型不同，工

32、作空间的形状也不同。每个运动关节所形成的运动变化量，如直线运动距离和旋转角度，都会影响工作空间的大小。一个机械手应该有几个自由度，这取决于机器人动作功能的要求。对于运动要求简单的机器人，自由度可以小于6，对于运动要求复杂、通用性强的机器人，自由度可以大于6。在本次设计中，工作空间是指草莓自动采摘装置的末端执行器能够达的空间位置。该工作空间的大小和形状反映了草莓自动采摘装置的工作能力，因此在设计草莓自动采摘装置结构时，该参数非常重要。草莓自动采摘装置的工作范围为：以草莓附着在的垄面一侧为XY平面，以目标采摘装置为中心，Z轴方向0mm20mm的摘草莓的工作空间。本次设计的草莓自动采摘装置自由度，参

33、照其工作空间确定，由于草莓的形状和尺寸不同，且脊面分布不均匀，必须保证Y轴和X轴的运动自由。此外，还需要在垂直于种植表面的Z轴方向上移动。3.3 三自由度工作台结构设计移动机构的主要功能是将末端执行器送到草莓采摘位置，包括X，Y，Z方向的运动。三者均采用滚珠丝杠直线光轴导轨。工作台的方向和滚珠丝杠螺母对用于确保传动精度。线性光轴导轨用于支撑和导向，X和Z方向丝杆的导程为5mm，Y方向的导程为4mm，XYZ三向导轨的有效长度为300mm。步进电机用作三个方向驱动的电源，步进电机驱动器的高精细分数（最大细分数128）用于细分每个脉冲的相应移动距离，以确保移动精度。当采摘机构移动到指定位置时，摄像机

34、拍照并在图像处理后判断成熟草莓位置的三个坐标并完成采摘。其总体结构如图3.1所示。3.3.1 螺母丝杠的选择将旋转位移变为直线位移或将直线位移变为旋转位移的机构称为丝杠螺母机构或螺杆传动机构。根据摩擦特性分类还有滑动螺杆螺母机构及滚动螺杆螺母机构。因为滚珠丝杠螺母机构摩擦阻力扭矩小，传动效率高（可达98%），故本次自动采摘装置采用滚珠丝杠螺母传动。滚珠丝杠螺母的传动有螺母固定、丝杠转动并移动；丝杠转动、螺母移动；螺母转动、丝杠移动；丝杠固定、螺母转动并移动这四种方式。图 3.1 三自由度工作台由于螺母固定、丝杠转动并移动的传动方式刚性较差只适行程较小的设计；螺母转动、丝杠移动的传动方式结构复杂

35、而且轴向空间占用较大；丝杠固定、螺母转动并移动的传动方式使用极为的不方便。故本次设计选用丝杠转动、螺母移动的传动方式。它具有结构紧凑、丝杠刚性好、工作行程大优点，能够满足本次设计中对丝杆要具有的精确定位和承载能力的要求。其结构设计如图3.2所示。图 3.2 滚珠丝杠设计图3.3.2 三轴滑台行程设计在本次设计中总共需要设计三副滚珠丝杠螺母副，考虑到XY两轴方向滑台需要一定的承载能力，故选用双直线滑台进行设计。本次设计小车尺寸为700*400*200mm，在给电机和控制系统留下空间的前提下，因尽可能多的利用空间进行采摘，故XY轴方向采摘工作空间因达到400mm。故本次设计丝杆的长度要大于400m

36、m，需螺母行程要达到400mm左右。又考虑需采用轴承进行两端固定，所以两轴承距离可定为450mm。故取丝杠的长度为500mm。XY轴设计图如图所示。图 3.3 双直线滑台而Z轴方向滑台因工作状态时负重较轻，故选用单轴滑台即可。Z轴滑台工作空间应超过草莓的最高生长位置，故可取其最大行程为200mm。又考虑需采用轴承进行两端固定，所以两轴承距离可定为250mm。故取丝杠的长度为300mm。Z轴设计图如图所示。图3.4 Z轴滑台3.3.3 滚珠丝杠性能校核（1）滚珠丝杠稳定性校核滚珠丝杠可能会发生失稳状态，所以必须验算其安全系数S大于允许安全系数S。其临界载荷（N）可表示为：（3.1）式中，E为弹性

37、模量，钢铁材料可取E=206GPa；l为丝杠长度（m）；Ia为丝杠轴惯性矩（m4）；为长度系数。依题意：（3.2）取，则（3.3）（3.4）（3.5）（3.6）因S=2.53.3。所以SS该滚珠丝杠工作状态稳定。（2）滚珠丝杠刚度验算滚珠丝杆在载荷F（N）和电机转矩作用下会引其其导程的变化，其变化量记为，可表示为：(3.7)式中：丝杠的极惯性矩，；A丝杠截面积，；G丝杠切变模量，取；电机的转矩经联轴器传导到丝杆上时的转矩可记为，其值可根据3.8式计算：（3.8）式中：为平均工作负载；为摩擦角，查阅资料可取，则。则将具体数据代入转矩方程得实际转矩为：（3.9）若取极限情况，则：（3.10）那么可

38、计算滚珠丝杠在极限情况下引起的导程误差是：（3.11）查阅资料的滚珠丝杠最大导程误差应该小于1/2的传动精度：（3.12），故本次设计滚珠丝杠满足设计要求。（3）效率验算传动效率可由3.13式计算：%（3.13）根据设计要求要求大于92%，所以该滚动丝杠副满足设计要求。第4章 末端采摘机构和定位算法设计4.1 末端执行器设计作为草莓采摘机构的一部分，末端执行器安装在移动机构的前端，末端执行器是直接接触草莓的部件。它是草莓自动采摘装置的重要部分，对提高草莓生产的工作效率和草莓的市场价值具有重要作用。为了满足精确定位和草莓无损采摘的要求，本次设计设计了双驱动双夹末端执行器。该末端执行器以气缸为动力

39、源，只切割果柄，然后用空心夹持装置对草莓进行夹持，实现草莓采摘的收集。其中剪切机构模仿剪刀机构，负责剪断草莓果梗；夹持机构为两个中空的半球体，此结构设计简单，即完成了对草莓的夹持工作，又避免了对草莓的直接接触夹持的力道过大从而对草莓造成的损伤。4.1.1 末端执行器设计要求本次设计主要针对的是垄作栽培的草莓自动采摘问题。垄作草莓自动采摘的作业环境复杂，空间有限，草莓表皮鲜嫩易损；这都对末端执行器的设计提出了较高的要求：(1)搭配移动机构能完成草莓的自动采摘和收集任务，在切断草莓果梗的同时对草莓的也要进行夹持，避免草莓直接掉落破；(2)执行装置结构简单，能够在有限的时间里完成规定的任务，同时避免

40、复杂的结构或者动作对草莓果实或者植株产生损失。4.1.2 末端执行器方案选择末端执行器要用于将草莓从植株上分离。其中，扭断果柄的方式需要抓住果实并施加一定的力和扭矩，所以这种方法适用于采摘硬度高的水果。对于草莓来说，此方法采摘时需要不损害草莓外观是很困难的。成熟草莓果实形状也是不规则的，外表脆弱，真空吸附方式也容易损坏，故最终分离装置采用的切断草莓果梗的方式实现来实现比较科学。通过确定果柄的采摘点来切断果柄是目前草莓自动采摘的主要方法。故本次设计采用“双驱双夹”的结构实现对草莓果实的剪切和夹持工作。4.1.3 末端执行器结构设计考虑到结构简单的设计原则，剪断机构和夹持机构都模仿剪刀机构设计。末

41、端采摘装置结构如图3.1所示，其主要由剪刀剪断机构，双半圆夹持机构，连杆和双杆气缸组成。图 4.1草莓采摘末端执行器其工作原理分为夹持和剪断两部分，末端采摘器采摘工作时，先有双半圆夹持机构工作，连接双半圆夹持机构的连杆在气缸的工作下向内收缩，双半圆收缩合拢，将草莓夹持在双半圆内；当草莓夹持完毕后，上部剪断机构连杆在气缸带动小工作，将草莓果梗剪断。这样既可快速完成草莓的夹持和采摘工作，然后在三自由度工作台的移动下，将草莓运输到草莓的收集装置上。4.1.4 草莓收集装置设计草莓在末端采摘装置采摘完毕后，应在三自由度工作台的移动下，进入草莓收集装置中。因为草莓的收集设计到对草莓产品的分类和运输工作，

42、故应对草莓运输分类进行单独的设计，故在本次设计中对草莓运输分类装置不进行系统的设计，仅仅考虑如何将采摘好后的装置传送到草莓运输分类装置上。由于草莓自动采摘装置采用三自由度工作台作为移动装置仅仅具有三个平动自由度没有转动自由度，故转送装置应该在三自由度工作台的工作范围内，且具有一定的位移转送能力。经初步考虑，选用传送带进行传送装置设计，传送带设计装置简单，生产成本低，较为适合农业生产装置，故可用于草莓自动采摘装置的设计。草莓传送带的结构设计如图4.2所示。图 4.2草莓传送带这样既可快速完成草莓的夹持和采摘工作，然后在三自由度工作台的移动下，将草莓运输到草莓的转送装置上，通过传送带传送装置的传送

43、，可将新鲜采摘的草莓输送到后续草莓收集和分解装置上，将草莓进行收集和分拣之后可直接输送给果农进行后续销售。传送带加入草莓自动采摘装置后成果图如图4.3所示。图 4.3草莓传送装置4.2 草莓图像识别与定位算法成熟草莓的识别与定位是草莓采摘机器人的主要工作仼务和研究难点，定位误差和识别准确率直接关系到机器人的作业效率。草莓采摘环境属于非结构化环境，果实的生长受自然环境的影响较大，需要有有效、快速的图像采集传感器，快速的草莓目标的识别与定位算法，为下一步草莓采摘奠定基础。目前，传统的机器人三维重建系统都是以单目视觉或双目视觉为基础进行三维重建实现识别、定位等工作。但是单目视觉与位置传感器组合形式的

44、三维重建主要针对大体积平面目标，精度一般。故草莓采摘机器人选用双目视觉来对草莓采摘环境进行三维重建工作。其安装示意图如图4.4所示。图 4.4双摄像头安装示意图4.2.1 图像识别系统本次设计我们采用了草莓颜色识别和特征识别相结合的识别系统,通过双目视觉系统采集图像后分为两条路径同时进行处理，一是一个是将相机获取的图像经过图像处理和分割后转换成HSV并设置空间阈值，然后根据阈值构造掩码，进行开闭运算。最后，进行自适应阈值处理，找到轮廓和标记。二是通过训练Harr级联数据找出草莓位置，并将草莓重心位置记录。将两种方法进行比较，能够得到误差较小、精度较高的结果。其检测与识别流程图如图4.5所示。图

45、 4.5草莓检测与识别流程图4.2.2 定位算法图像分割。当草莓进入成熟期状态时，其外部颜色为鲜艳的红色，而他的背景颜色为鲜绿色或者是垄坡的土壤颜色，总之在进入成熟期之后与其背景颜色有着鲜明的对比。故本次设计采用了基于颜色空间的图像分割算法。以阈值分割的方法可以快速高效的将草莓从背景中提取出来。当草莓竟然成熟期，在双目视觉图像上呈现红色，背景多为绿色的枝叶。利用这两者的鲜明对比可以为其设置一个简单的阈值，就能够把草莓从图片中中提取出来。其效果图如图4.6所示。图 4.6 特征结果识别结果图第5章 总装与结论5.1 草莓自动采摘装置总装本次设计的草莓自动采摘装置主要由履带式底盘、三自由度移动机构

46、、末端采摘机构、摄像机组成。该采摘机构工作时行走于两垄之间，以其前进方向作为X轴的正方向，以垂直于地面向上为Z轴正方形，垂直于XZ轴并指向草莓位置方向Y轴正方向。以此建立草莓采摘机构的三维坐标系，双目视觉系统重建的三维坐标与其保持一致。其整体结构如图5.1所示。图 5.1草莓自动采摘装置总装图5.2 结论通过将自动化机器引入农业生产从而代替或提高人工生产，已是解决农业生产效第、生产成本高、规模小的问题的重要解决方案。草莓果实外表不规则、果柄长戏，采用单目视觉三维重建难以准确识别定位采摘切割点的问题，本次设计研究了双目视觉三维重建方法和定位算法。以自然生长条件下的垄作栽培草莓为研究对象，针对其果实成熟后垂落在隆面两侧，果柄软长等生长特点和采摘后便于收集的作业要求，提出气缸提供动力，剪断果柄和夹持近果实段果柄分别进行的“双驱双夹”式末端执行器，在完成采摘同时进行收集，减少了对草莓果实的物理损伤，保证了果实品相