苹果采摘机器人末端执行器的设计与研究

论文摘要

我国是苹果种植大国,产量及规模位居世界首位。在实际生产劳动过程中,果品采摘是生产链中最耗时、最费力的一个环节；采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高。由于采摘作业的复杂性,采摘自动化程度仍然很低。目前,国内苹果采摘作业基本上都是人工进行,其费用约占成本的30%-50%,并且时间较为集中。智能化果实采摘是当今世界发展的趋势,它能够极大的提高生产效率,推动我国苹果产业更好更快的发展。末端执行器是与果实直接接触的部分,它的好坏直接影响了果实采摘的效率。国内对于苹果采摘末端执行器的研究才刚刚起步,成果较少。针对以上问题本课题研制了一种新型的末端执行器并进行了研究,主要工作如下：1.在了解苹果的生长特性和人工采摘方式后,对末端执行器进行了总体方案设计。在设计过程中引入了创新设计方法TRIZ理论进行实践指导。2.使用机械制图软件UG,设计并建立了末端执行器的三维模型。然后使用UG/Motion模块对已有模型进行了仿真分析。确定最终设计方案并制造样机。3.设计了末端执行器的硬件与软件系统。硬件系统包括：末端执行器、步进电机、电机驱动器、单片机、力传感器。软件系统主要使用VC++中的MFC框架设计了上位机控制界面,使用C语言编写了下位机执行程序,达到了智能化控制的目的。通过上位机与下位机的连接,使整个系统成为了一个整体。4.建立整个系统并搭建实验平台,对末端执行器抓取果实进行了实验研究。实验包括采摘成功率,采摘效率及采摘后是否对果实产生了损伤。实验结果表明,末端执行器在符合采摘要求的同时,对果实没有产生损伤,值得推广使用。5.介绍了移动苹果采摘机器人整体的情况,进行了实验室内苹果模拟采摘实验。

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 农业机器人发展概况

1.2.1 国外农业机器人研究成果

1.2.2 国内农业机器人研究成果

1.2.3 苹果采摘机器人研究现状

1.3 苹果采摘末端执行器国内外研究现状

1.3.1 国外苹果采摘末端执行器研究进展

1.3.2 国内苹果采摘末端执行器研究现状

1.4 研究意义和内容

1.4.1 课题研究意义

1.4.2 主要研究内容

1.4.3 技术路线

参考文献

第二章基于TRIZ理论的末端执行器整体设计

2.1 采摘对象特性分析

2.2 末端执行器设计目标

2.3 TRIZ理论概述

2.3.1 发明原理

2.3.2 技术特性

2.3.3 矛盾冲突解决矩阵

2.3.4 物质—场模型

2.4 苹果采摘末端执行器方案分析

2.4.1 问题分析

2.4.2 一般问题的抽象

2.4.3 矛盾矩阵的求解

2.5 末端执行器设计

2.5.1 结构形式

2.5.2 传动方式

2.5.3 驱动方案选择

2.5.4 材料选择

2.5.5 模块化设计方法

2.5.6 末端执行器工作过程

2.6 本章小结

参考文献

第三章末端执行器建模与仿真

3.1 模块化概念

3.2 设计软件UG简介

3.3 模块设计及装配

3.3.1 手指模块

3.3.2 驱动传动模块

3.3.3 机体模块

3.3.4 整体装配

3.4 三指末端执行器的快速设计

3.5 运动仿真

3.5.1 UG仿真流程

3.5.2 仿真结果分析

3.6 本章小结

参考文献

第四章控制系统硬件设计

4.1 控制系统硬件组成

4.2 上位机

4.3 单片机（下位机）的选用

4.4 力传感器及信号放大器

4.4.1 力传感器的标定

4.5 步进电机

4.6 电机驱动器

4.7 控制过程

4.8 本章小结

参考文献

第五章控制系统软件设计

5.1 PC机控制界面的编制

5.1.1 MSComm控件

5.1.2 串口选择与打开

5.1.3 末端执行器参数

5.2 下位机软件设计

5.2.1 80C52的串行口

5.2.2 步进电机控制

5.2.3 力传感器信号接收

5.3 上位机与下位机通信实验

5.4 本章小结

参考文献

第六章实验与结果分析

6.1 模拟果实抓取实验

6.1.1 力阈值的确定

6.1.2 抓取实验

6.2 采摘效率分析

6.3 果实抓取损伤研究

6.3.1 苹果表面损伤研究

6.3.2 果实硬度测量

6.3.3 可溶性固形物检测

6.4 末端执行器性能分析

6.5 实验室内模拟采摘实验

6.6 本章小结

参考文献

第七章结论和建议

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 后续研究建议

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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