【正文】 器人，采用氣動驅(qū)動器將草莓推到不同的等級方向。不過目前市場上商品化的采摘器品種還比較單一，且價格昂貴操作不便。美國在自動化收獲機器人的研究方面沒有一個很清晰的戰(zhàn)略，研究工作也基本處于停頓狀態(tài)。采用的收獲方式主要是機械震搖式和氣動震搖式，其缺點是果實易損，效率不高，特別是無法進行選擇性的收獲。采摘機器人是未來智能農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。在很多國家隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少，勞動力不僅成本高，而且還越來越不容易得到，而人工收獲水果所需的成本在水果的整個生產(chǎn)成本中所占的比例竟高達33%~50%。水果收獲期間需投入的勞力約占整個種植過程的50%~70%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到水果的儲存、加工和銷售，從而最終影響市場價格和經(jīng)濟效益。高枝水果的采摘還帶有一定的危險性。2004年11月1日頒布施行的《中華人民共和國農(nóng)業(yè)機械化促進法》還明確規(guī)定國家采取措施鼓勵，扶持農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，機械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢。從20世紀80年代中期開始，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機器人技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，以日本為代表的西方發(fā)達國家，包括美國、英國、法國、荷蘭、以色列、西班牙等國家，都在水果采摘機器人方面做了大量的研究工作，涉及到的研究對象主要包括甜橙、蘋果、櫻桃、甜瓜、葡萄、草莓等，試驗成功了多種具有人工智能的收獲采摘機器人。日本近年來開展了大量的收獲機器人研究項目，進展很快，但還未能真正實現(xiàn)商業(yè)化。我國在農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域的研究始于20世紀90年代中期，相對于發(fā)達國家起步較晚，果蔬采摘機器人的研究還處于起步階段。浙江大學的應(yīng)義斌等人完成了水果自動分級機器人的研究開發(fā)。果蔬采摘機器人操作者是知識水平較低的普通農(nóng)民，不是具有機電知識的專門的技術(shù)人員。日后的水果采摘機器人的研究工作必須朝以下方向發(fā)展:①能夠準確地識別和定位成熟果實，并且能引導(dǎo)末端執(zhí)行器準確的接近目標。⑤增強機器人系統(tǒng)的通用性。柑桔1345萬噸(占世界柑桔總產(chǎn)量的l3%，居世界第三位，是全球柑桔產(chǎn)量增長幅度最大的主產(chǎn)國)。近年來，為轉(zhuǎn)移農(nóng)村勞動力，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展，促進農(nóng)民增收，山區(qū)丘陵地區(qū)普遍把勞務(wù)輸出作為發(fā)展地方經(jīng)濟、增加農(nóng)民收入的一項重要舉措。水果的采摘期短，短期內(nèi)勞動強度大，這種矛盾更突顯了山區(qū)丘陵果業(yè)采摘的難度大的問題。高枝水果有的已經(jīng)遠遠高于2m，已經(jīng)屬于高出作業(yè)范疇。在沒有可靠的防護設(shè)施時，高處作業(yè)必須系安全帶，否則不準在高處作業(yè)。高處作業(yè)的大部分是青壯年，一般都是家庭的主要勞力。二是對果樹的損傷，即對樹的枝葉芽的破壞。另外，果農(nóng)可以少打矮壯素等農(nóng)藥，生產(chǎn)出更多的無公害果子，減少成本投入和對環(huán)境對水果的污染，游客可以品嘗到更新鮮衛(wèi)生的水果。農(nóng)業(yè)的根本出路在于機械化，是黨和國家各級政府，農(nóng)機科研、生產(chǎn)、推廣部門始終堅持的方向。國家支持有關(guān)的科研機構(gòu)和院校加強農(nóng)業(yè)機械化科學技術(shù)研究，根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和農(nóng)民需求，研究開發(fā)先進適用的農(nóng)業(yè)機械，支持農(nóng)業(yè)機械科研、教學與生產(chǎn)、推廣相結(jié)合，促進農(nóng)業(yè)機械與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展要求相適應(yīng)。目前急需一種介于兩者之間的，便于操作，價格低廉，效率較高的機械手臂。本課題將進行基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置的設(shè)計，構(gòu)型簡單，操作方便。手持固定部分還可增加整個裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員在長時間的操作過程中手腕疲勞程度。在氣候適宜開花多的年份，如果一株成年蘋果樹有5%的花、桃樹有15%~20%的花結(jié)的果實能達到成熟，就可以獲得豐收。基于伸縮式機械手臂的水果采摘裝置有很強的兼容性。設(shè)計內(nèi)容:(1)伸縮式機械手臂:手臂簡單自如地轉(zhuǎn)向和收縮。(5)手持固定部分:增加整個裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員手腕疲勞程度。水果的生產(chǎn)業(yè)以個體經(jīng)營為主，考慮到經(jīng)濟效益，采摘器的價格不能太高，否則會就很難普及。手臂上還裝有控制手柄，電源控制開關(guān)，手臂下端和手持固定部分連接。采摘頭一端與機械手臂相連，另一端與旋轉(zhuǎn)盤活動鏈接，圓形鋸盤固定連接在電動機轉(zhuǎn)軸上。萬向穩(wěn)定連桿為特殊材料制成，可向任意方向彎曲。接著一手握住手柄19，一手握住手臂，移動機械手臂靠近需要采摘的水果時，目測水果的方向，緩緩的捏緊控制手柄18使得圓形鋸盤1在旋轉(zhuǎn)盤3的帶動下旋轉(zhuǎn)到與水果的果蒂相垂直。基于伸縮式機械手臂水果采摘裝置操作簡單，采摘水果速度快，采摘水果完好，保質(zhì)保量。對于水果的采摘方式，多數(shù)的采摘機器人采用用刀剪斷果莖或直接用手爪擰斷果莖。一般來說，手指的數(shù)量越多，采摘的效果就越好，但控制也就越變得更復(fù)雜。日本的三重大學開發(fā)了在采摘水果時不需要直接接觸到水果的本體，而只需要抓住果莖的軟質(zhì)水果的采摘機器人。該裝置能夠方便地切斷果梗,并大大的降低了裝置的復(fù)雜性和對夾緊力控制精度的要求。剪切式結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對果實及枝條的傷害極小，但定位要求高。氣壓式整體輕便，不污染環(huán)境，能源豐富但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣壓技術(shù)復(fù)雜。采摘機構(gòu)由采摘頭，電動機，圓形鋸盤組成。拉索可用自行車剎車鋼絲繩做成。直流電動機具有調(diào)速性能好和啟動轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點。根據(jù)經(jīng)驗采摘水果，如蘋果、桃、梨、柑橘等，電動機的功率5W左右，轉(zhuǎn)速在5000r/min以上就能達到使用要求。鋸片外徑為50mm，鋸片內(nèi)孔直徑為5mm。(3)采摘水果時的扭矩太小忽略不計()。則:考慮到采摘器在采摘水果的實際過程中，并不是處于理想狀態(tài)，所受的力產(chǎn)生的最大彎矩，可在理想狀態(tài)的最大靜彎矩前乘一動載系數(shù)k，由于采摘器采摘時的工作環(huán)境狀況較好，取k=2~3，此動載系數(shù)考慮了實際操作中遇到的最大障礙時的載荷增值。這里采用了比較流行的Pro/Engineer軟件。Pro/Engineer是目前計算機輔助設(shè)計中最為專業(yè)的軟件之一。機械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機械手臂，直角坐標系機械手臂，球坐標系機械手臂，極坐標機械手臂，柱坐標機械手臂等。下圖為常見的六自由度機械手臂，它有X移動，Y移動，Z移動，X轉(zhuǎn)動，Y轉(zhuǎn)動，Z轉(zhuǎn)動六個自由度組成。單軸機械手臂看似簡單，只在單一方向往復(fù)運動，但在實際應(yīng)用上功能各異，種類繁多。常見的直交機械手組合有懸臂式，龍門式，直立式，橫立式等樣式。到了20世紀90年代，日本崗山大學的NaoshiKondo等人通過深入研究番茄的生理、物理特性，分析機械手的工作性能，在NoboruKawamura等人基礎(chǔ)上，研制出了7個自由度的機械手臂。美國佛羅里達大學開發(fā)了一種由兩個轉(zhuǎn)動副和一個滑動副構(gòu)成的球形坐標機器人，這種機器人的攝像系統(tǒng)裝在操作手的末端，水果的圖像位于滑動軸的中心，從而只要滑動軸稍微張開一定的角度就可以很輕易的采摘到水果。伸縮式機械手臂的主體部分由兩根套在一起的同心不銹鋼外管和內(nèi)管組成，其中外管的內(nèi)徑等于或略小于內(nèi)管外徑。采摘水果的果樹的高約為三米，內(nèi)外管長度為內(nèi)管為一米，外管為一米五，加上采摘人員的身高(保守估計一米，高度不夠時還可伸長手臂)，最長的總長度至少可到三米五。所謂輕量化，就是在滿足其性能的前提下，盡量減輕自身的重量。(3)采摘水果時的扭矩彎矩太小均忽略不計。根據(jù)采摘裝置在采摘水果的實際過程中，并不是處于假定的理想狀態(tài)，所受的力可在理想狀態(tài)的情況下乘一校核系數(shù)k，由于采摘器采摘時的工作環(huán)境狀況較好，取值為k=2，最后根據(jù)采摘器的使用條件合理的取值為=40N，壓桿最長是穩(wěn)