1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 温室采摘车的机电液一体化设计 所在学院 专业班级 械设计制造及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 本文主要介绍了 国内外温室采摘车的应用与研究现状 ，以及采摘车的机械结构和工作原理，并且设计出了一套新的采摘车设计方案。该采摘 车主要结合了机械电气液压等各方面知识，是 一种小型移动式可自动连续升降的温室农作物果实收获机械 。结构简单，使用方便。主要是以蓄电池供电，驱动电动机完成前进后退的动作；以液压系统为举升系统的动力功能。 我国是农业大国， 实现农业现代化，农业装备的机械化、智能化是发展的必然趋势 。而且 温室采
2、摘作业是蔬果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业的季节性强，劳动强度大，费用高。 所以 随着温室大面积的推广与种植 ， 研究温室采摘车更具有重要的意义。 关键字：温室、采摘车、升降台、液压控制、电路控制回路 II Abstract This paper introduces the domestic and international greenhouse picking Study and Application of the car, and picking the car and working principle of the mechanical structure and d
3、esigned to pick out a new car design.The combination of picking a vehicle to hydraulic and other mechanical and electrical knowledge, is a small portable greenhouse can be automatically and continuously lift the fruit crop harvesting machinery.Simple structure, easy to use.Mainly in battery-powered,
4、 driving motor, forward and back to complete the action; to the hydraulic system for power lift system functions. China is a big agricultural country, agricultural modernization, mechanization of agricultural equipment, intelligence is the inevitable trend of development.Fruits and vegetables and gr
5、eenhouse production chain picking operation is the most time-consuming, the most laborious aspect.Seasonal jobs picking, labor-intensive, high cost.So with the greenhouse and planting large areas of promotion, research greenhouse picking cars more important. III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1
6、课题的来源 . 1 1.2课题的意义 . 错误 !未定义书签。 1.3温室采摘机构 国内外 发展现状 . 1 1.3.1 国外 的研究现状 . 2 1.3.2 国内 的研究现状 . 2 1.4课题研究的主要内容 . 3 2温室采摘车的 方案设计与总体设计 . 5 2.1设备的方案设计 . 5 2.2方案评价 . 6 2.3温室采摘车 的总体设计 . 7 3设计计算和校核 . 14 3.1采摘车行进轴的 计算和校核 . 15 3.1剪叉式升降平台 计算与校核 . 16 3.2.1 叉臂梁 的计算与校核 . 17 3.2.2 销轴 的计算与校核 . 17 4设计说明 . 17 结论 . 18 参考
7、文献 . 19 致谢 . 20 附录 . 17 附录图 1 总体装配图 . 21 附录图 2 从动轮的轴设计 . 22 附录图 3 驱动轮的设计 . 23 附录图 4 升降台梁设计 . 24 附录图 5 温室管道路线的设计 . 25 附录图 6 整体三维图设计 . 26 温室采摘车的机电液一体化设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 20世纪在人类历史上是一个科技突飞猛进的时代，在这一百年中各种新的技术和新的理论不断出现。在农业领域，现代温室种植模式得到同益广泛的重视，对传统的农业生产模式带来了较大冲击，对农业机械丌发和 研究提出了许多新的课题，随着新的农业机械的不断出现又促进了农业生产的发展
8、 。 为了更好地促进科技在农业中的应用，推广先进的温室种植模式，提高我国农业机械和设施装备的自动化水平，北京工业大学和北京市农业机械研究所共同研究设计了将广泛应用在温室农业作物收获的采摘机械。 1.2 课题的 意义 温室采摘机器人是一种以农产品为操作对象，兼有模拟人类智能感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化或者半自动化设备。随着工业机器人技术的高速发展，农业机器人 也随着迅速发展，它 的作用可以简单归纳为以下几点 : 缓解农业劳动力的不足 ; 替代人类从事脏、累、辛苦的劳动 ; 替代人类从事机械式的单调劳动 ;获得高品质、高附加值的农产品 ; 实现植物工厂内的无菌化生产。所以，在未来农业
9、生产全过程信息化中，农业机器人将起到举足轻重的作用 。 我国是一个农业大国，要实现农业现代化，农业装备的机械化、智能化是发展的必然趋势。随着计算机和自动控制技术的迅速发展，机器人已逐步进入到农业生产领域中。农业机器人不同于工业机器人，它对生产作业的要求较高，都是劳动密集型作业，再加上季节的要求，保证 收获 质量就成为关键的问题。温室采摘作业是蔬果生产链中最耗时、 最费力的一个环节。采摘作业的季节性强，劳动强度大，费用高。目前，国内蔬果采摘作业基本上都是靠人工完成的，采摘效率低，费用占成本的比例约为 50%70%。随着温室大面积的推广与种植 ，研究温室采摘车更具有重要的意义。 1.3 温室采摘
10、国内外发展现状 1.3.1 国外 的研究现状 近年来，发达国家 “农业设施 “已向 “工厂化农业 “过渡。如荷兰的计算机自控连栋大型温室。以色列的半自动连栋塑料大棚以及法国、日本等国家的封闭式循环流水鱼类养殖车间。目前国外对采摘机械的研究是以采摘机器人为主。在 70年代末期，随着计算机和自动控制 技术的迅速发展，美国首先开始研究各温室采摘车的机电液一体化设计 2 种农业机器人。 1机器人采摘示意图草图 1所示。自 1983年第一台采摘机器人在美国诞生以来，历经了 20 多年的研究和试验，以日本为代表的发达国家，包括美国、法国、荷兰、英国、西班牙等国相继试验成功了多种采摘机器人，如苹果、柑桔、番
11、茄、西瓜和葡萄等果实采摘的具有人工智能的机器人 2。表一描述了部分国家的果蔬采摘机器人的研究进展。 3 表一 部分国家的果蔬采摘机器人的研究进展统计 国别 商业化阶段 样机阶段 研究阶段 日本 甘蓝、葡萄、番茄、黄瓜、樱桃、西红柿 甘蓝、需 茄、茄子、硝瓜、甜橙草莓 荷兰 萝卜、蘑菇 番茄、芦笋 黄瓜、葡萄 法国 葡萄、檄榄、苹果、甜橙 英国 蘑菇 定期收获水果的攀岩机器人 美国 椰菜、甜橙、柑橘 对于采摘机械手的设计是个难点，日本首先是京都大学 Noboru Kawamura 等人在 80 年代中期研制了五自由度关节型机械手，但这种机械手的工作空间并没有包含所有果实的位置，而且机械手末端执行
12、器的可操作度也低。 4与此同时韩国研制的苹果采摘机器人采用了极坐标机械手，旋转关节可左右移动，丝杆关节可以上下移动，从而工作空间可达 3m。 5机械手的模型大体如图 2所示。20 世纪 90 年代，日本岗山大学 Naoshi Kondo 等人在番茄采摘机器人上设计出了具有 7 个自由度的能够指定采摘姿态的机械手。 6自由度越高，其机械手的运动越灵活，计算机的也就控制越复杂。对于果蔬采摘的另一难点，机器人寻找辨位的视觉系统的设计也在 20世纪 90年代拉开了序幕，日本岗山大学 Naoshi Kondo 等人在番茄、草莓采摘机器人上用彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉识别系统来寻找和识别成熟果实，利
13、用双目视觉方法对目标进行定位。该系统从识别到采摘完成的速度 大约是 15 秒 /个，成功率在 70%左右。日本国立农业研究中心的 Murakami 等人在甘蓝、茄子采摘机器人中采用 CCD 视觉识别系统，工作中利用人工神经网络（ NN 算法）提取果实的二维图象，采用模板匹配的方法识别合格的果实。试验表明，采摘成功率为 43-62.5%，工作速度为 55-64.1秒 /个。综合看，影响成功率和效率的主要原因是外部因素的不确定性，如光照的不稳定、叶子的遮挡等。 2007 年美国加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员会合作研发一种水果采摘机器人。设计出的机器人依靠先进的运算能力和液压技术，使机器 手臂和
14、手指具有 近似于人手灵敏度的能力，应用现代成像技术使机温室采摘车的机电液一体化设计 3 器能够识别和挑选各种品质的水果和蔬菜。 7机械手的示意图 1如图所示。 图 1 机械手的末端执行器 1.3.2 国内 的研究现状 设 施农业是依靠科技进步而形成的高新技术产业，是传统农业向现代农业发展的重要转折。但我国设施农业起步较晚，发展缓慢，尤其是机械化作业水平低下。与发达国家相比存在很大差距，如人均管理面积仅相当于荷兰的 1 4、日本的 1 5和美国的 1 300，而且作业质量差，产出不尽如人意，平均单产约为荷兰的 1 3-1 4。机械化水平低成为制约 我国设施农业发展的瓶颈。 我国从 20 世纪 7
15、0 年代开始研究果园采摘机械，先后研制出与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器。后两者实际上还是人工作业用的辅助机械，虽然在保护果实不受损伤方面做得较好，但是其效率还是太低。 80 年代后，开始研究和制造切割型采摘器，果园采摘也从人工使用剪刀采摘发展到使用机械装置采摘。 90年代开始，市场的因素带动了果树种植的热潮，众多中小种植户的需求带动了简易采摘器的市场。 其后气动剪枝机、辅助升降平台等机具相继进入了市场。国内气动剪著名厂商有台湾郁馨 公司的 ST-360型气动剪。 1992 年浙江金华农机所研究了由拖拉机操作的用于采摘水果的升降机，上升高度可达 7m。 20
16、07年新疆机械研究院研制了我国第一台多功能果园作业机，即 LG-1 型多功能果园作业机。该作业机的研制成功标志着我国果园单一的采摘机械进入到了多功能作业机械时代 8。 我国对于机械手和视觉系统的研究也是目前比较重视的一块。浙江大学的温室采摘车的机电液一体化设计 4 梁喜凤 9等为分析收获机械手运动学特性进行了番茄收获机械手运动学优化与仿真试验，取得了较好的效果。浙江大学的应义斌等人完成了水果自动分级机器人的研究开发 10。我国农业大学将双目视觉技术运用于草莓采摘机器人上，提出利用成熟草莓轮廓信息进行 Hough变换的成熟草莓识别算法 11，运用 Bayes分类判别模型对温室黄瓜果实进行模式识别
17、与分割的算法，该算法能从自然背景中较好识别出黄瓜果实 12。该算法还可以对温室草莓，西红柿，茄子等水果蔬菜进行识别，具有较强的通用性。中国农业大学主要致力于果实采摘机器人图像识别的研究 13。 果蔬采摘机器人操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果蔬采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外，农业生产以个体经营为主， 如果价格太高，就很难普及。上述多种因素很大程度上限制了智能型的采摘机械的推广和使用。根据国情和设施农业的特点，发现目前国内农业市场急需针对日光温室、单栋大棚和小型连栋温室的植保机械的产品，比如小型采摘及运输机械。性能可靠、结构简单、价格低廉、操作灵活的轻便微型化的
18、机械装备将比智能型采摘机器人更受到普遍欢迎，有良好的市场前景和应用价值。 1.4 课题研究的主要内容 结合国内外研究状况和国内市场的需求，本课题要求针对温室立体栽培农作物，设计研制出一种小型移动式可自动连续升降的温室农作物果实收获机械。本课题的研究 内容包括搜集和分析国内外有关的资料，获得可靠的设计依据制定出总体方案设计，进行主要工作性能参数的计算和主要部件的选型，根据总体设计中的设计方案，设计各个部件结构总图、零件图、总装配图等加工图纸，绘制液压系统原理图和电气控制原理图等。设计出一种小型移动式可自动连续升降的温室农作物果实采摘机械。 温室采摘车的机电液一体化设计 5 2 设备方案设计与总体
19、设计 2.1 温室采摘车总体 方案设计 图 2 温室采摘车总体方案设计 2.2 方案评价 该设计虽然能够人为地去完成采摘工作，但是还不能做到自动化。 2.3 温室采摘车 的总体设计 （ 1） 温室采摘车动力系 统的设计 温室采摘车在大棚的不同通道 间 来回作业，如果采用固定电源，采摘车在不同位置间移动时，将需要大量的电源线追随，限制了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 。 考虑到温室采摘车的用户为普通农民或农业经营者，力求价格低廉使用可靠方便，所以选择普通铅酸免维护蓄电池为采摘车的动力源。由于蓄电池输出的为直流电压，所以电动机须定为直流电动机。 假设
20、采摘车 由 暖气轨道 进行导向 纵向前进和后退行驶，可实现无级调速并可刹车，不需爬坡，车速范围： O-0.5m/s； 两行植株间距 1m，采摘车 整机宽度不能超过 1m；暖气管道中心距 0.5m；采摘载重 150-200kg；最大举升高度 2m。 采摘车原动及传动部分采用以蓄电池为动力源，电动机作为原动机，通过链传动方式，使纵向行驶系统沿着温室地面的暖气轨道 正 反向平稳行驶。车轮温室采摘车的机电液一体化设计 6 与硬地面材质 间 的滑动静摩擦系数是 0.3，车轮轴套与暖气轨道 间 的滑动静摩擦系数是 0 15，采摘车的最大载重量 200公斤，假设自重为 300公斤，则负载机械的全部重量为 5
21、00公斤。则负载机械的最大静摩擦阻力为： F=fG=0.3（ 500/2） 10+0.15（ 500/2） 10=1125 N 因为 P=FV，所以负载机械所需输入功率 P=1125N0.5m/s 0.97 580W（ 0.97为机械设计手册里齿轮链的传动效率） 初步定下电动机的最小输出功率为 580W,电动机转速 n=车轮的转速 nw 传动比i,i=2,车轮直径取 d=0.2m,nw =60V/（ d） 48 r/min 所以电机转速 n=96 r/min 转矩 T=P9550 n 57.7 N.m,所以电动机的最小功率大于 580W,转速 96 r/min,转矩不小于 57.7 N.m,所
22、以电动机功率选择 0.75 kW,转速选择 910 r/min的Y90S-6型电动机 ,电动机外加个减速器传动比为 9.48 减速器的设计分配传动装置各级传动比由 gb iii 为使 V带轮的尺寸不致过大 ,传动比 3bi ，则齿轮传动比 16.3gi 各轴转速 : 1轴 m in/3.3 0 31 rinn bm 2轴 m in/9612 rinn g 工作轴 m in/962 rnnw 各轴功率 : kWPP b 72.001 kWP 70.097.072.02 kWP 686.098.070.03 各轴转矩 : mNnPT 67.229 5 5 0 111; mNT 6.692 ; mNT 2.683 （ 2）温室采摘车传动系统的设计 通过 带 传动方式，使纵向行驶系统沿着温室地面的暖气轨道平稳行驶。，两
