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6米高苹果采摘机副臂设计与有限元分析

摘 要

鉴于苹果在民众心目中的崇高地位，其种植规模随之扩大，然而，这一扩张却引发了劳动力短缺的困境，进而导致苹果种植面积的缩减。为了应对这一挑战，我们致力于设计一款高效的苹果采摘机构，旨在实现采摘过程的省时省力与便捷性。通过详尽的资料研究，我们识别出当前苹果采摘过程中存在的三大核心问题：效率低下、果实易受损以及操作不便。为有效解决这些问题，我们认为设计一款专用的苹果采摘机构末端执行器至关重要，这不仅能够显著降低人工成本，还能显著提升劳动生产率。

苹果采摘机构的核心在于其执行器部分，它扮演着至关重要的角色。本文首先全面审视了苹果生产的现状，并深入分析了国内外苹果采摘机构的研究进展。在此基础上，我们精心查阅、设计与选择了主要机构及其各个组成部分。为确保设计的精准性，我们还通过静态分析进行了细致的校准工作。

本文旨在设计一款适用于多种场景的机械臂，以助力我国农业的发展。我们综合考量了国内外的发展现状与趋势，提出了一种全面的设计总体方案。这一设计不仅使我们在大学期间所学的专业知识得到了巩固，还让我们在深入的生产实践中更好地应用了所学知识。在实际操作中，我们主要利用Solidworks软件完成了苹果拣选机制的零件设计与装配图绘制，同时结合了三维造型设计与功能结构设计。此外，我们还使用AutoCAD绘制了工程图，以进一步确保设计的精确性。

通过本次设计，我们不仅加深了对国内外技术与方案的理解，还总结出了更为完善与合理的设计思路。这对于我们未来的工作与生活都将产生深远的影响与意义。

 

关键词：采摘机；机械手；设计

 

目录

1 引 言 6

1.1 本课题研究的背景与目的 6

1.1.1 研究背景 6

1.1.2 研究目的 7

1.2 苹果采摘机的研究现状 7

1.2.1 国内外研究现状 7

1.3  国内外收割获取水果的方式 8

1.3.1 直接切断 8

1.3.2 吸入式 8

1.3.3 夹持类 8

2  采摘臂方案的确定 10

2.1  采摘臂的特点 10

2.2 苹果采摘机的机构种类 10

2.3 总体方案 11

3 主要机构的设计与选择 12

3.1 驱动机构的选择 12

3.2 电机，丝杆，轴承，键的选择 12

3.2.1 电机的型号 12

3.2.2 丝杆型号选择 13

3.2.3 轴承的选择与校核 16

3.2.4 键的选择与校核 16

3.3 尼龙爪的设计 17

3.4 机架的设计 17

4 三维设计 19

4.1 零件的三维设计 19

5 总装配图 21

6  结 论 26

参考文献 27

致 谢 28

 

1 引 言

1.1 本课题研究的背景与目的

1.1.1 研究背景

在当今健康和饮食很重要的社会中，水果是人们生活中不可或缺的，甚至占据了很大一部分。并且逐年上涨，其中我国苹果的产量占据首位，苹果被誉为“水果之王”，在平常的家庭购买水果和送礼都会购买苹果，寓意平平安安。因此种植的面积规模一年比一年多， 不少地区，在政府宣传和鼓励种植水果的推动下，来提高当地经济，以及种植水果也是农民的主要经济来源， 所以采摘果实的效率问题就不得不考虑了，怎样安全、高效、简单等采摘水果成了主要问题，其中苹果、橘子、梨等果实长在高处的果树，而且果实皮薄易破，单果成熟期不一致，这些因素给采摘过程中制造了很过麻烦。

1.1.2 研究目的

另外，传统的操作还有以下缺点：一是操作人员在采摘过程中的人身安全，手工采摘

时，手臂容易被树枝刮伤或擦伤，甚至从树上掉落下来，工作时高，它可能会下降。第二个是对果树的破坏，即树枝和芽的破坏。第三是对水果质量的影响。用一只手采摘时，很容易取下椎弓根，容易出现心脏抽水果。另外，高枝果易落在地上，造成内外伤害，影响果实外观，不利于保鲜和贮藏。目前，为了加强地方经济，我国地方政府相继开展了大量的旅游投资项目，举办了各种水果节，吸引了大量的游客到果园采摘旅游，享受采摘水果，品尝新鲜水果的乐趣。如果能提供一种轻便的水果采摘器，让游客也可以去一起采摘苹果，岂不是丰富了采摘的意义也促进了水果的生产与销售。

本文的意义在于用机械臂去代替传统的人力操作去苹果采摘，让果农们省时省力，并且不会受到不必要的身体伤害，促进农业人生产，也能带动起旅游业，让我国的水果经济更上一层。

1.2苹果采摘机的研究现状

1.2.1国内外研究现状

在国内苹果采摘机在近年才开始慢慢研究。余靖华在2020年的《一种苹果采摘装置设计》指出对苹果尺寸的测量,得出了软体机械手的抓取直径范围。然后介绍了具有鳍条效应的软体机械手的结构特性,并分析对比了不同多指抓取方式的优缺点,确定了本研究采用的三指驱动方式。用SolidWorks软件对苹果采摘机副臂进行三维建模,并进行校验，看看其能不能去完成我想要的目标。

郑晓峰,俞甬波,陈金龙,陈樟波,姚坤老师等人在2020年3月的《可适应性苹果辅助采摘装置研制》报告中说明利用图谱分析和运动学分析对采摘机械手机械臂尺寸的正确性和机械手运行的稳定性进行了检验。其分析结果表明:采摘机械手的工作空间能够完整的覆盖苹果蔬在果树上的分布空间,机械臂的尺寸设计足正确的，机械手末端执行机构、机械臂的相关运动学曲线光滑,采摘机械运行稳定,结构设计合理。[]

在国外，对水果蔬蔡采摘机器人的研究始于20世纪50年代，而在20世纪的美国，用于采摘的途径很多都是机器化自动化和气动摇摆风格。他们的缺点是没有考虑水果的脆弱性，低效率，特殊的选择性收获，以及采摘柔软，新鲜水果和蔬菜的巨大局限性。从当时发展以后，随着工业自动化和计算机技术的发展，尤其是机械自动化的强大崛起，日益成熟的计算机图像处理技术和人工智能技术，人们对先进技术的投资，在采摘机器人的人才引进并大力支持，使它发展迅速。农业机器人领域的技术与研究发展的比较晚，最近几年，开始对他们有所研究，和更多的人才培养。

 

参考文献

[1]余靖华. 一种苹果采摘装置设计[J].农业技术与装备.2020(01)

[2]郑晓峰,俞甬波,陈金龙,陈樟波,姚坤.可适应性苹果辅助采摘装置研制[J].农业工程. 2020(03)

[3]吕怡秋,杨叶.苹果采摘机械化发展研究[J].南方农机. 2020(14)

[4]纪莲清，朱贤华.机械原理[M]： 武汉 华中科技大学出版社

[5]胡广锐,卜令昕,张恩宇,寇倩雯,程玉明,赵健,陈军.苹果两向异性力学特性和跌落试验研究[J].农机化研究. 2021(04)

[6]刘晓雯,郭彩玲.基于振动采摘的苹果树枝干动力学特性[J].林业工程学报. 2021(03)

[7]刘吉安.苹果采摘装置螺旋式末端的设计[J].农业技术与装备. 2021(06)

[8]高东玲.便携式苹果采摘器的研究[J].南方农机. 2019(23)

[9]张阳,黄俊华,石富磊,时韵涵,宋怀波.背负式苹果采收一体机的设计与试验[J].制造业自动化. 2020(02

[10]孟祥宁,张紫涵,李扬.苹果分级的研究现状及进展[J].落叶果树.2019(06)

[11]成大先.机械设计手册（第 5 版） [M]. 北京： 化学工业出版社，2008.

[12]Zhang Kaixiang,Lammers Kyle,Chu Pengyu,Li Zhaojian,Lu Renfu. System design and control of an apple harvesting robot[J]. Mechatronics,2021,79.

[13]Robotics; Researchers from Monash University Detail Findings in Robotics (Real-Time Fruit Recognition and Grasping Estimation for Robotic Apple Harvesting)[J]. Robotics & Machine Learning,2020.