1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 温室采摘车的机电一体化设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 在 21世纪飞快的生活节奏中，人们对生活高科技的追求已经达到了一个很高的程度。果 蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环节，其成 本高、季节性强。本文针对人工采摘高度不满足温室农业生产要求而带来的问题，设计一辆适用于温室的采摘车。详细介绍了温室采摘车原动部分、传动部分、工作部分、液压系统和自动控制系统等的设计过程和方法。 设计的温室采摘车采用蓄电池为动力源，以电动机作为原动机，通过链传动方式实现采摘车的纵向行驶，采用四
2、杆机构实现采摘车的横向行驶与纵向行驶的切换。通过液压缸驱动液压剪叉机构升降，来实现工作台的举升。采摘车具有操作方便、价格实惠、结构紧凑的特点，在农业生产中具有较高的实用价值。 关键词 温室；果蔬；采摘车；液压系统 II Mechanical and electrical integration design of greenhouse picking truck Abstract With the pace of life getting faster in the 21st century, peoples pursuit on advanced technology used in dai
3、ly life has reached a very high degree. Fruit and vegetable picking in agricultural production is the most time-consuming process, which is high cost and season dependent. Aiming at the problem that manual picking height is not enough for agricultural production in greenhouse, this paper proposed a
4、design of picking truck used in greenhouse. The design method of driving system, motion transferring system, manipulator, hydraulic system and control system of greenhouse picking truck is illustrated in detail. Battery is used as power source of the greenhouse picking truck. An electric motor is ad
5、opted as driving unit. The motion is transferred from electric motor to axle on frame through roller chain. A four-bar linkage is used to switch the vertical movement and horizontal movement of greenhouse picking vehicle. A hydraulic cylinder drives a set of scissors to make the picking table rising
6、 and falling. Picking truck is easy to operate, affordable and compact, thus it has a high practical value in agricultural production. Key words: greenhouse; fruit and vegetable; picking truck; hydraulic system III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . III 第 1章 绪 论 . 1 1.1 本课题的背景 . 1 1.2 本课题的研究意义 . 1 1.3
7、国内外相关研究的最新成果和动态 . 2 1.3.1 国外的研究状况 . 2 1.3.2 国内研究状况 . 2 1.4 研究内容和方法 . 3 1.4.1 主要研究内容 . 3 1.4.2 研究方法 . 3 1.4.3 研究难点 . 4 1.4.4 预期达到的目标 . 4 第 2章 温室采摘车的总体设计 . 6 2.1温室采摘车的主要设计要求 . 6 2.2温室采摘车的总体设计 . 6 第 3章 温室采摘车的原动部分和传动部分设计 . 8 3.1蓄电池的选型 . 8 3.2温室采摘车的原动部分和传动部分选型设计 . 8 3.2.1温室采摘车的原动部分和传动部分选型设计 . 8 3.2.2传动机构
8、选型设计 . 9 3.3温室采摘车原动部分及传动部分参数计算 . 9 3.3.1温室采摘车纵向行驶机构的选型 . 9 3.3.2电动机功率的计算 . 9 3.3.3 电动机转速的计算 . 10 3.3.4 电动机扭矩的计算 . 11 3.3.5 传动方式的参数选择 . 11 3.4蓄电池 的容量选择 . 11 3.5减速器的选择 . 12 第 4章 温室采摘车工作部分的设计 . 14 4.1工作部分的设计要求 . 14 4.2行走系统的设计 . 14 4.2.1行走系统的设计要求 . 14 4.2.2纵向行走系统的设计 . 14 IV 4.2.3横向行走系统的设计 . 15 4.3底盘车架的设
9、计 . 15 4.4举升系统的设计 . 16 4.4.1举升系统的功能要求 . 16 4.4.2举升系统的结构选型 . 16 4.4.3举升系统的传动装置的选择 . 17 4.4.4举 升系统结构参数的设计 . 17 4.4.5举升系统的力学分析及定型 . 19 4.4.6举升系统的力学分析 . 19 4.4.7销轴的设计 . 22 4.5工作平台的设计 . 24 4.5.1工作平台的总体设计 . 24 4.5.2槽钢的校核计算 . 24 第 5章 液压系统的设计 . 26 5.1液压系统的设计要求 . 26 5.2液压系统的基本回路 . 26 5.3液压系统驱动装置的选型 . 26 5.4液
10、压系统驱动装置参数的计算 . 27 5.4.1系统额定工作压力的计算 . 27 5.4.2系统额定流量的计算 . 27 5.4.3液压包电机功率的计算 . 27 5.4.4液压包电机电源种类的选择 . 27 5.4.5液压包中 油箱容积的选择 . 28 5.4.6 液压系统的工作原理图 . 28 第 6章 电气控制系统的设计 . 30 6.1电气控制系统的设计要求 . 30 6.2控制系统的工作原理 . 30 参考文献 . 32 致谢 . 错误 !未定义书签。 温室采摘车的机电一体化设计 1 第 1 章 绪 论 1.1 本课题的背景 果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环 节，其成本高、季节
11、性强、需要大量劳动力高强度的工作。但是由于工业生产的迅速发展分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因，使得能够从事农业生产的劳动力越来越少，单靠人工劳作已经不能满足现有的需要。 随着电子技术和计算机技术的发展，智能机器人已在许多领域得到日益广泛的应用。尤其是农业机器人的应用，更是如雨后春笋般的迅速兴起，农业采摘机器人是 21世纪精准农业的重要装备之一。采摘机器人是一类针对水果和蔬菜，可以通过编程来完成这些作物的采摘、转运、打包等相 关作业任务的具有感知能力的自动化机械收割系统， 是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学，涉及机械结构、机械运动学 、
12、 动力学、控制技术等多方面的学科领域知识。果蔬收获属于一类劳动密集型工作，在很多国家，由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏，劳动力不仅成本高 而且还不容易得到，而人工收获的成本在果蔬的整个生产成本中所占的比例高达 3350，因此实现果蔬采摘的机械化变得越来越迫切 。 1.2 本课题的研究意义 果蔬采摘的机械化作业最早可以追溯到上个世纪六十年代，但由于简单 的机械收获易造成果蔬损伤，因此在收获柔软、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性；而且果蔬收获往往需要有选择性地进行，此外市场对果蔬的新鲜度也有很高的要求，这就要求果蔬的收获要有很高的时效性。因此，在果蔬收获中采用机器人作业，实现果蔬收获的自动化
13、和智能化，是解决上述问题的最好方式。 研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义 。 但当时开发的收获机器人样机只能算是半自动化的收获机械。随着计算机图像处理技术、工业 机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、美国、荷兰、法国、英国、意大利、以色列、西班牙等国家在采摘机器人的研究上做了大量研究工作，并且试验成功了多种具有人工智能的采摘机器人。但是由于采摘对象的复杂性和采摘环境的特殊性，目前市场上仍没有商品化的采摘机器人。 温室采摘车的机电一体化设计 2 1.3 国内外相关
14、研究的最新成果和动态 1.3.1 国外的研究状况 1）甜瓜收获机器人 以色列和美国科技人员联合开发研 制了一台甜瓜采摘机器人。该机器人主体架设在以拖拉机牵引为动力的移动平台上，采用黑白图像处理的方法进行甜瓜的识别和定位，并根 据甜瓜的特殊性来增加识别的成功率。经过 2个季节和 2个品种的田间试验证明，甜瓜采摘机器人可以完成 85以上的田间甜瓜的识别和采摘工作。 2）苹果收获机器人 韩国庆北大学研制了苹果采摘机器 人，具有 4个自由度，包括 3个旋转关节和1个移动关节。采 用三指夹持器作为末端执行器，内有压力传感器避免损伤苹果。利用 CCD摄像机和光电传感器识别果实，从树冠外部识别苹果的识别率达
15、 85，速度达 5个 s。该机器人无法绕过障碍物摘取苹果；对于叶茎完全遮盖的苹果，也没有给出识别和采摘的解决方法 ,如图 1.1所示苹果收获机器人。 图 1.1 苹果收获机器人 1.3.2 国内研究状况 国内在农业机器人方面的研究始于 20世纪 90年代中期，相对于发达国家起步较晚。但不少院校、研究所都在进行采摘车和智能农业机械相关的研究。在国内，果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘车，主要由 5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。采摘时，机器人停在距离母树 3 5 m处，然后单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，采摘爪
16、张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生长方向趋近 1.52 m，然后采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上的球果，完成一次采摘。这种机器温室采摘车的机电一体化设计 3 人的效率是人工采摘的 30 50倍 ， 而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率高。 另外，曹其新等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器人，采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向。云山等研究了蘑菇采摘机器人。该系统主要由蘑菇传送带、摄像机、采摘机器手、三自由度气动伺服机构、机器手抓取控制系统和计算机等组成。计算机视觉系统为蘑菇采摘机器提供分类所需的尺寸、面积信息，并
17、且引导机器手准确抵达待采摘蘑 菇的中心位置，防止对不准，以致影响吸盘的密封，造成抓取失败或损伤蘑菇的现象。中国农业大学张铁中等在草莓、黄瓜、西红柿、茄子等果蔬采摘机器人方面做了较深入地研究，研制出了试验样机。 1.4 研究内容和方法 由前面的分析可知，由于果蔬采摘车具有工作环境复杂多变、作业对象随机分布、果实个体差异明显，以及果实柔软易损等特点，而且农业生产利润又较低，因此，完全沿用或照搬工业机器人的技术或研究思路并不可行。果蔬采摘车的结构要更加简单、操作性必须要更好、可靠性必须要更高。这些特点，都对果蔬采摘车的研究提出了更高的 要求。 1.4.1 主要研究内容 根据对国外果蔬采摘车研究进展的
18、全面分析，确定本论文的主要研究内容如下： 采摘车的研究在满足作业性能的情况下，结构须尽可能简单、紧凑、轻巧和可靠。从采摘车需满足的条件入手，依次对各部分结构做必要的设计，最终根据计算、选型来确定采摘车的总体构造方案。 本论文对采摘车的各项相关技术进行较为深入的研究，为采摘车的进一步产业化，以及其它类型果蔬采摘车的研究和开发提供理论基础和关键技术支撑。 1.4.2 研究方法 根据我国温室果蔬的实际生产情况，利用现代设计技术、现代制造技术 及优化技术，首先从采摘车的原动部分、传动部分着手，根据相应的计算，然后结合市场上的实际情况来确定选型，工作部分结合设计需满足的要求来确定升降方法和行走系统的设计
19、，其次就是针对工作台实现升降来确定动力源，最后就是对于控制部分进行选型。 温室采摘车的机电一体化设计 4 1.4.3 研究难点 采摘车是一类工作于非结构环境中的典型的复杂光机电一体化产品，需要涉及多门学科的知识。一辆采摘车必须具备下述特征： 1、为了能在温室环境中行走，采摘车必须紧凑，转弯灵活； 2、需实现采摘车的正反向移动，工作台升降的实现方式； 3、成本应比较低。 1.4.4 预期达 到的目标 本文根据需求设计一辆采摘车，它可以实现在温室中行间自由灵活穿梭，同时实现正反向行驶，采摘车可以通过液压驱动装置实现连续升降来满足不同的采摘高度，这样节省了大量的人工、时间，并且整个装置能平稳的完成负
20、载任务，免去了因人工采摘上下带来的不便。温室采摘车的机电一体化设计 6 第 2 章 温室采摘车的总体设计 2.1 温室采摘车的主要设计要求 所设计的采摘车是在温室中工作的，由于环境条件限制 ,采摘车行走路径和道路宽度、高度等都有具体要求和固定数据，该采摘车设计的主要要求如下： (1)采摘车沿纵向轨道前进和后退行驶时，应实现无级调速； (2)横向行走机构独立于纵向行走机构，通过手动操作实现横向行走； (3)升降平台可实现平稳、连续地垂直升降，最大可采摘 3m 高度的果实； (4)操作人员既可在采摘车上对采摘车进行纵向行走、垂直升降等控制，也可在车体外的一定范围内对采摘车进行遥控。 (5)采摘车装载量： 200kg 2.2 温室采摘车的总体设计 根据采摘车的功能、设计参数和运动要求，确定其组成包括：原动部分、传动部分、工作部分、液压系统和控制系统 ， 并应实现无级调速、纵横向行走、工作平台自动升降等功能。采摘车的基本组成如图 2.l 所示。 图 2.1 采摘车的构成 (1) 原动部分和传动部分设计 由于采摘车主要工作于温室大棚内，若采用固定电源。在不同位置作业时将需要大量的电缆追随，限制其工作范围和行走路径。为了便于工作，在设计该采摘车时采用蓄电池作为自带动力源，选择电动机为原动机。动力的传递采用链传
