Sven Boedrij和Johan Baeten等人则专门展开了针对苹果采摘场景的研发，构建了一个苹果采摘末端执行器，也利用了一个小型摄像头抓取苹果图像，进而实现采摘作业。具体见图1-4。

1.3 国内研究现状及成果

国内是水果蔬菜生产和消费大国，但是受限于多方因素，在农业机械研发方面却暂时还落后于发达国家，因此该领域的技术进步迫在眉睫。尤其是面对当前国家智能化发展已经逐步向农业领域推进的情况，农业机器人将是未来发展新热点，目前已经有不少高校及研究机构投入该领域研究，在农业采摘机器人上大胆进行各种探索，并积极尝试进行智能机械研发，已经有不少成果。如东北农林科技大学陆怀民教授就带领其团队推出了林木秋果采摘机器人，这也是国内首创，上海交通大学则正在探索黄瓜采摘作业自动化实现方式，并开发了黄瓜采摘机器人，与此同时，针对番茄采摘领域的智能化升级，浙江大学也进行了相关机器人开发。

目前，前文提到的林木球果采摘机器人已经完成了现场作业试验，过程见图1-5。

1.4 主要研究内容

本文研究重点在于对苹果采摘机械手机构进行了详细解析与具体设计，同时还涉及到内部控制系统的开发，并基于已有成果对部分关键部件进行了细节性与具体性优化。主要基于实用性和智能性展开相应的开发工作，对苹果采摘末端执行器完成了细节建构与设计方案，从机械机构的设计与优化出发来实现苹果采摘质效要求，确保通过率。同时还结合苹果生物学特性分析，来提出具体的设计要求，以更好适应苹果现场采摘环境。

第二章 苹果采摘机器人方案设计

2.1 苹果的生物学特征

为了获取更为准确且真实的数据，本文对苹果园进行了实地考察并结合数据与资料搜集，对苹果园情况进行了整理，其行与行之间会留下一条较宽的道路，一方面是苹果树必须有一定生长空间，另一方面则是操作路径，为了更为高效率的进行园区管理，总体来看，苹果园地面一般较为平整，间距较为固定，一般保持在3.5到4.5m区间内，另外由于树木生长情况不一，因此苹果树之间也存在一定高度差，一般在1.2到1.8m区间内，苹果树高度普遍维持在3.5m以下，而苹果果体大小则依据直径进行判断，一般保持在30到90mm区间内，果子重量则一般保持在100到400g区间内。对苹果树强度进行观察发现与树龄与树形存在较高关联。由于苹果表皮娇嫩一旦出现磕碰就会导致果子迅速坏掉，因此采摘时必须格外小心，力度要尽量轻巧，不可硬拉，苹果拾取机器人设计过程中，这也是尤其需要强调的要点。

2.2 采摘机器人的选型

本论文对于苹果采摘机械手的开发需要基于两个要素条件展开，一个是已有工业机械手的优点，另一个则是苹果采摘工序特殊要求等。从资料来看，当前使用的工业机械手基于坐标型的区别进行划分，有五种，圆柱坐标型，见图2-1，直角坐标型，见图2-2，极坐标型，见图2-3，SCARA型，见图2-4，最后是关节坐标型，见图2-5。考虑到苹果采摘外部条件较为复杂，具有较高水平可变性和果子分布随机性，因此本文在手臂运动解决计划方面，最终选定关节坐标型机械手。

1.1.1 三级标题

   

图2-5 SCARA型机器人

2.3 苹果采摘机器人的机械手的选则

对苹果采摘特殊规律进行总结，发现目前市面上各类型苹果采摘机械手中，具有更强适用性和灵活性的还是关节坐标型。对苹果采摘机器人结构进行较为细节性的解析，认为其主要包括五大部件，分别是盘腰座旋转、大小臂俯仰、末端部件和腕部俯仰等。其中升降机构的安装位置一般设定在底盘，这样能够有效扩大垂直方向上作业灵活性和实用性，最终综合各方要素与要求将论文设计方案确定为六自由度串联式采摘机器人，能够较为完善的应对避障问题。设计方案中自由度示例可参考图2-6。

2.4 苹果采摘机器人总体方案设计

2.4.1 苹果采摘机器人设计原则

为了让论文方案中的苹果采摘机器人能够更为良好的适应实际果园采摘环境，在设计过程中需要遵循下述要点：

应该具备较为良好的避障性，同时基于苹果采摘实际需要提供足够的操作空间；

要综合衡量苹果采摘机器人获取成本与利用效率，将通用性纳入权衡范畴；

末端执行器要具备较高适用性和通用性，需要确保果实完整率，如能够通过更换末端执行器，就可以使用多类型果实采摘，如苹果或柑橘等；

由于该机器采购者与操作者通常都是普通果农，教育经历有限，因此操作简约化与便捷化将是重要考虑要素。

2.4.2 苹果采摘机器人设计目标及主要技术参数

本文设计方案目标：实现采摘机械手能够顺利完成指定采摘动作，末端执行器在进行作业时能够实现动作协调，包括苹果拾取与收集等，总之，目标是让果园作业更进一步走向无人化和自动化。机器人主要技术参数设计后获得数据如表2-1。

表2-1 主要技术参数
技术参数	设计目标
苹果识别率	大于80%
苹果定位误差/mm	小于15
苹果采摘成功率	不低于85%
一幅图象平均识别时间/s	不长于2.5
一个苹果平均采摘时间/s	不大于10

2.4.3 苹果采摘机器人整体结构设计

考虑到苹果园普遍情况下的地面条件，苹果采摘机器人移动方式的选择最终明确更具灵活性和平稳性的履带式移动小车，其优势在于，首先强度条件满足，其次橡胶履带提供了更为稳定的作业条件，减震性能较为出色。这种履带式移动机构，包容性强，能够适应多种地形条件，如地面起伏较大等，稳定性强，且具有一定的跨障能力，且支持面积大并且移动和转向都较为灵活，满足原地转向要求。另外一般会在该机构上配置升降平台，而机器人主体部件就被安装在这上面，将为机器人带来垂直活动的灵活性。

从动力来看，机器人基座和关节动力来源主要是松下伺服电机，其中装配的摆线行星减速器，提供了所需的减速功能，从而有效提高了输出扭矩。大小臂俯仰功能的实现也依靠伺服电机驱动，与此同时，腕部俯仰和旋转动作的完成则主要依靠两转法兰。拾取机器人末端连接装置与前者相同，也是法兰。此外末端执行器传动程序的实现则是以同步带带动主动轮这种构造达成，在安装有惰轮的前提下，能够实现刀片相反方向旋转动作，从而提供了必要的剪切功能。在末端执行器下方提供了一个果子收集组件，并且还与柔性管进行对接，确保果实能够通过柔性管道以更为轻缓的力道转移到收集篮。该机器构建三维构图情况见下图2-7，二维构图情况见下图2-8。

-

第三章 苹果采摘结构设计及计算

3.1 升降梯

在苹果采摘机器人设计方案中添加升降梯，其目的是为了扩大拾取范围，从而提供拾取动作更大操作空间与便利性。本次论文方案涉及的升降梯，具有较为稳固的承重能力，还兼具梯子功能，因此具有两用性，不装配机器人手臂的时候，也能够用来进行人工采摘作业，使得人工采摘更具安全性和效率性。对于液压缸标准如下表3-1。

基于实际作业条件与功能设计需要进行液压缸选型，并提出具体条件：

1：首先对缸径和杆径进行初步确定，一般内径标准设计取值是16mm。而活塞杆外径标准设计取值是14mm；

2：根据设计要求并结合苹果采摘作业普遍环境，认为行程最好的具有优先权，依据整个设计尺寸标准，将活塞行程标准取值选定为125mm；同时在满行程条件下，升降梯上下板间会存在一段固定距离，此时取值为287mm，而当处于最小行程条件下，则上下板的距离会拉升到最大值，即508mm。

图3-1给出了详尽的升降梯图例。

3.2 底盘旋转结构的设计

在本论文设计方案中，对于底盘旋转的实现路径，是以伺服动机为动力来源，并通过蜗杆和涡轮的接续传动完成。本文选择这种传动模式的原因主要在于该传动模式比一般传动更具效率，且具有工作稳定的优点，另外对外部噪音干扰少，还能够满足自锁等特定功能。

3.2.1 涡轮蜗杆的设计

基于需要对蜗轮蜗杆传动进行参数设计：

目前已经参数条件如下：

输入功率P，该项数值确定为3KW；

电机转速n，该项数值确定为每分钟2000r；

传动比i，该项数值确定为30；

此外，工作载荷要求冲击幅度较低，对此寿命Lh，该项数值确定为12000h。

基于上述条件提供具体设计方案：

1. 首先是对蜗杆传动类型的选择。

    该项并无特别要求，主要从国标推荐入手进行数据匹配，最终认为渐开线蜗杆具有更好适配性。

1. 其次选择蜗轮蜗杆材料。

    需要分别进行选择，对于蜗杆，由于对其传功功率要求并不是很高，且速度也较为均衡，甚至可以认为偏低，因此材料选定为45钢；对于蜗杆，由于要求效率高，因此需要具体更高的耐磨性能，同时螺旋齿表面还必须经过一定的调制处理，从而使得整体性能得到优化，此时硬度标准具有较大提升，范围区间能够大奥40到55HRC，为平衡成本与性能，环形齿轮部分的材料最终选定为青铜，与此同时轮芯的材料最终选定为灰铸铁HT100。

1. 最后是进行齿面接触疲劳强度方案。

    这一点主要是由于闭式蜗杆传动必须提供该项数据，要对齿根弯曲疲劳强度进行计算与试验，并得到最终结论，首先根据下面的式子获得相应的传动中心距：

                        （3-1）

（1）确定涡轮上的T2

取

=2，估取效率为

=0.8，故

T

=9.55

=9.55

=9.55

=349530N

mm

1. 确定系数K

由于涡轮蜗杆的工作载荷较稳定，所以取载荷分布不均匀系数

=1;由表选取使用系数

=1.15; 由于转速不高，可取动载系数

=1.05,故

K=

                             （3-2）

计算得K=1.15

=1.21

1. 确定系数Z

   

因为涡轮选用的材料是铸锡磷青铜，蜗杆选用的材料是45钢来传动达到减速的效果和增扭的目的，因此

。

1. 确定系数

   

先设蜗杆分度圆直径

和传动中心距a的比值

，从图中可查得

.

（5）确定应力

由于涡轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,其加工为金属模铸造，此外，蜗杆螺旋齿面硬度>45HRC，从表中查的涡轮的基本许用应力

=268MPa.

N=60j

                             （3-3）

计算得N=60

计算寿命系数得

故：

=0.82

268MPa=219.76MPa

计算中心距

a

mm

129.82mm

由于设计的整体尺寸及设计传动的要求，取中心距a=180mm。因i=30,从表中取模数m=5,蜗杆分度圆直径d

=50mm.这时

=0.28，从表中可查得接触系数

=3.1，因为

，故以上计算结果可用。

4：蜗杆和涡轮的主要参数和几何尺寸

1. 蜗杆

轴向齿距

mm,直径系数

，齿顶圆直径

，齿根圆直径

，蜗杆导程

，蜗杆齿顶高

 ，蜗杆轴向齿厚

，分度圆导程角

。

1. 涡轮

涡轮齿数z

=61,变位系数

验算传动比

，这时的传动比误差为

，是允许的

涡轮分度圆直径

涡轮喉圆直径

涡轮齿根圆直径

涡轮咽喉母圆直径

=22.5mm

5:校核齿根弯曲疲劳强度计算

                   （3-4）

根据

=+0.5，z

=62.21,从中可查得的齿形系数

=2.87.

从中查得：ZCuSn10P1制造的涡轮，

寿命系数

计算得

=8.22MPa

弯曲强度是满足的。

6：验算效率

；

；

与相对滑动速度

有关

=

=8.54m/s

从表中用插值法

=0.0204，

=1.1687；代入式中得

=0.855=

，大于原估计值，因此不需要重算。

7：精确等级公差得确定

由于所设计得蜗杆传动是动力传动，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆，涡轮精度中选择7级精度，侧隙种类为f，标注为8f，GB/T10089-1988.

8：三维建模，如图3-2，3-3所示：

9：二维图绘制如图3-4，3-5所示：

段落和层次标题以及各段落之间均为1.5倍行距。关

3.2.2底盘旋转涡轮轴的设计计算

旋转涡轮轴的功率

,转速为

=40r/min.

1. 初步确定轴的最小直径

先需要对最小直径进行一些前期计算，由于已经确定轴材料在本次设计中采用45钢，因此需要经过调制，从表差可得A

=120，

                         （3-5）

计算得

1. 轴得结构设计

具体的轴设计细节，需要从轴向定位出发，来逐一进行各段直径的具体数据确定，同时也需要在过程中完成对长度的计算。

1：最小直径d

假定在方案中取值为70mm，基于该数据为了能够闷盖动作，长度L

的取值最终确定是23mm。

2：由于设计方案中选择是滚动式轴承，且在充分考虑径向载荷要素后，最终确定为深沟球轴承，由于前文已经对最小直径进行了取值，从轴承目录中选择满足条件的沟球轴承6215，其尺寸为

，因此能够得到相应的d

数据，数值显示为75mm，配套的L

数据，数值显示为25mm，能够获得L

，计算得到的数据是50mm，在基本参数已经明确条件下，右端轴承采用套筒定位。

3：需要先确定安装齿轮处的轴径d

的取值数据，最终确定为76mm，同时对其左、右端分别采用套筒、轴肩这两种定位模式，另外齿轮轮毂宽度是已经给定的数据，即100mm，为了确保套筒端面能够非常安全的压紧齿轮，因此轴的端部长度L

需要稍微小于轮毂宽度，最终该项取值是99mm。另一端轴肩高度需要满足一定条件即h>0.07d,了因此最终取值是22mm，则相应的能够得到轴环直径d

的数据，具体取值是120mm，同时还能够得到轴环宽度L

的数据，具体取值是25mm。

4：为了能够达到实际装备条件，还需要提供d

和L

，基于实际方案的衡量，最终分别取值为175mm和15.5mm，在调心滚子轴承选择上，基于实际需要选择了调心滚子轴承16032，其基本尺寸为

，其中左、右端定位分别是轴肩模式、旋转底盘模式。因此能够得到d

和L

，分别将这两个参数取值为160mm和63mm。

5：轴向定位在本文方案中采用的平键连接，并直接进行查表，能够得到具体的平键数据b

h=22mm

14mm，考虑到键槽铣刀加工环节的性能要求，键槽长度需要稍微小于轮毂宽度，结合机械手册中查表所得最终取值是90mm，另外还需要注意的是齿轮与轴之间需要满足对称性要求，故此对二者间配合的测量主要利用的是基孔过度配合

；滚动轴承与轴的周向定位的实现是需要提供过度配合来达成，因此轴的直径公差为j

.

(3):按弯扭合成应力校核的强度

在进行该环节校核计算时，通常是针对弯矩和扭矩的截面，原因是这两者是承受最大的位置，查表可知，同时结合轴单项旋转这一设计方案中的要素，扭转切应力为脉动循环变应力，取

，轴上得计算应力

前文中已经对轴的材料进行了明确，方案选定是45钢，为了获得更适合苹果采摘机器人工作环境所需要的综合性能表现，需要经过一个调制流程，从表差可得，

。因此

，故安全。

1. ：三维建模，如图3-6所示：

图3-6 旋转涡轮轴

（4）：二维图绘制

3.3 大臂俯仰结构设计

前文已经提及大臂俯仰动作的实现，其动力来源主要是电机驱动，而扭矩要求的实现，则是通过摆线针轮行星减速器来完成。从苹果采摘机器人整体部件与结构来看，大臂都极为关键，其刚度性能能够对机器人整体精度起到非常直接的作用。从实际分析来看，大臂结构复杂，因此如果为了方便计算而将其进行简化，以简陋的杆件模型作为替代品进行等效分析，毫无疑问在力学解析上将遇到难以消解的误差。因此为了对大臂刚度与强度进行更为精确和有效的测量及检查，目前多适用ANSYS软件的有限元分析。将在后续研究中进行该方面知识的学习。

机器人的大臂要承担多处的负载，包括本体的手臂、手腕等处，基于该种情况，会有最大的力和力矩。为满足这种功能要求，大臂结构要具有优良结构，满足强度标准，材料选择也需要注意选择，本次设计选用球磨铸铁，由于该机构较为复杂，无法适用焊接方法，因为达不到精度和强度标准，因此为提高生产效率，此处适用铸造法，之后再对每个面进行再加工以提供精密度。图3-8就是大臂构造内容。

图3-8 大臂俯仰结构

3.4小臂俯仰结构设计

小臂俯仰的动力来源也是由电机提供，扭矩实现路径依靠的装置是摆线行星减速器，其原理是通过行星齿轮传动。目前该减速器应用较广，已经基本取到了另外几种减速装置，如普通圆柱齿轮减速器等。比较而言，该减速器优势非常突出，结构紧凑，所需装配空间占比小，噪音低耐用性非常强，运动平稳且具有优秀的高速比等。小臂俯仰的实现能够让整个苹果采摘动作更为流畅，采摘机械臂活动细节性更强，具有良好避障性。该部件材料也是球墨铸铁，这是因为该类型材料综合性能是适合当前设计场景，能够满足所需要强度和刚度。在实际设计防范中，需要将导向性、小臂自重、转动惯量等都纳入综合考量范围，另外，还需要在方案中提供一定缓冲设计。图3-9是小臂三维详情。

3.5腕部的结构设计

苹果采摘机械臂腕部结构，其功能是将小臂与末端执行器连接起来，同时也需要起到有效的支撑作用。因此需要较大的自由度，在本文设计方案中，提供了两个自由度，一个是俯仰方向，一个是旋转方向，在实际方案中，该机构设计需要考虑三个要点，首先，重要轻且结构协调并具有较高灵活性和紧凑性；其次，动作定位精度要满足要求；最后，满足强度刚度要求。

两自由度腕部设计通常有两个类型，一个是BT腕部结构，其一般是由B、R关节连接而成，另一个是BB腕部结构，其一般是两个B关节组成。但是需要注意的是RR腕部类型并不存在，因为其中关节组件的轴是平行的，这就会导致原本设计方案中的两自由度退化，最终只得到一自由度。因此本次方案设计中腕部设计采用的是BR类型，图3-10是腕部三维详情。

3.6 末端执行器的设计及计算

3.6.1 苹果采摘机器人末端执行器设计的总体原则

本次方案中机器人末端执行器设计原则需要考虑两个方面要素条件，一个是采摘环境，另一个则是采摘方法。需要经过可行性研究，并获得具体且针对性的专业参数计算结果，之后进行备选方案比较，最终获得合适的设计方案。在设计时，需要实现拣选苹果这一功能，还需要综合考虑成本性和易用性两个方面的要求，部件结构要尽量简单且耐用。按苹果果柄分离的方式可以将执行性进行分类，有吸附类型、剪切类型等。而如果是从摘取器动力模式进行分类，又可以有机械类、电气类等。本次设计方案选用的是更适合苹果采摘过程及相应质量要求的剪切类。

3.6.2 半球式末端执行器设计方案

该设计方案的最初构想灵感来自蛇吞咽的想法，但是在实际设计过程中进行了一定加工，并非简单四杆机制。总体来说，该机构动力装置的采用的气动马达，且对苹果果柄的切割方式与工具是通过切割球形刀片，之后再通过柔性管道将果子按照既定机械流程传送到水果盒中。因此为了实现顺利且灵活的切割动作，半球形刀片的外部形状合设计是满足180°采摘动作，并且在采摘过程中能够实现相同间隙宽度。同时还需要确保间隙边缘具有一定锋锐度，以便让采摘动作顺利完成，主要是需要实现两个采摘动作，一个是固定住果子，另一个则是果柄的切割，需要让采摘器和捡拾器并不共同一个手指，从而让整个采摘过程保持更高安全性。图3-11是执行器三维详情。

总体来说，本文末端执行机构的设计过程中，应用了仿生学原理，同时还实际考察了苹果采摘现场流程，因此将采摘过程设计为吞咽口形态。对蛇吞食的动作进行解析可知其有两个前后步骤，一个是张开并咬住的动作，另一个则是将咬住的物体吞下。我们将这两个动作与苹果采摘过程进行结合，对苹果采摘末端执行器的整体结构形态仿照了蛇嘴展开设计。对蛇头部分进行结构性简化模仿，设计为闭环连杆，此种结构形态对上颌动作影响较小。本文设计方案中采用的半球式末端执行器，基于苹果采摘现场实际情况，采用启动马达作为主要动力装置，带动刀片完成整个作业过程，机构结构较为简单，且能够完全处在采摘桶的包裹下，可以有效提高安全性，刀片可进行180°旋转，极大使用苹果采摘过程条件，实现无死角采摘，但是这种设计方案也并非毫无缺点，由于是气动驱动，导致整机运动迅速较快，采摘过程难免有些粗暴且容易出现碰撞，导致最终果子损伤率较高。因此本文最终没有采用该设计模式。

3.6.3 剪刀式末端执行器的设计和计算

该类型苹果末端执行器其动力装置是一个直流减速机，同时还有同步带、刀架等其他部件，其中电源供给是通过一个电路电池实现，且电源性能是12V，30W，提供自锁开关从而实现对直流减速机转动控制，在本文方案中，该装置转速是60转/每分，该装置会带动同步带轮，将动力传递到齿轮机构。总的动力传送路径是，主动轮到从动轮再到刀架最终实现刀片旋转，与此同时，主动轮到惰轮再到从动轮之后也会带动刀架最终完成刀片旋转，，但是这两个刀架的运动方向是相反的，从而让两个刀片运动方向也是反方向，并形成类似剪刀的形态。在实际应用中，该种剪刀式执行器，如果正方向转动则能够切割果柄，如果是反向向转动则能够有效防止卡刀情况出现，完成退刀动作。

同步带的优点：

其优点主要是由其传动形态决定的，其是一种啮合传动，因此能够具有其他多种传动模式的优点如车轮传动、链式传动等，基于此本文设计方案用同步带传动能够发挥最佳采摘效果。同步带材料也较多，有使用氯丁橡胶加纤维绳作为材料进行制作的，也有使用聚氨酯加钢丝作为材料进行制作的，本文基于苹果采摘设计性能需求及工作特点，选择前面一种材料的同步带。同步带传动优点非常突出，传动比精确，且比例及其稳定，还能够有效吸收冲击，且整体噪声水平较低，传动速比保持在较高水平，一般是1：10，同时能够达到的线速度水平，也非常优秀，超过50m/s。此外，在传动效率上也有较突出性能表现，能够达到98到99%，还具有非常宽泛的传递功率范围。同步带设计性能参数如下：

对传动比i的要求是能够满足1.1，同时小带轮转速n

要求是每分钟60转，传递功率在本文方案中要求是0.03KW,中心距a基于设计标准最终确定为300mm，并依据这些数据确定带及带轮。

具体计算过程为：

1. 确定同P

   

                         （3-6）

K

为载荷修正系数，K

=1.2

P

为工作电机上的功率P

=0.03KW

=1.2*0.03=0.036KW

1. 确定带的型号和

   

可以根据同步带传动的设计功率P

和小带轮转速n,由同步带选型图来确定所需的带的型号和节距

查表得：选用同步带得型号为L 型带  节距P

=9.525mm

（3）选择大小带轮得

可根据同步带的最小齿数确定，查表得

选小带轮齿数z

=12,故大带轮齿数为z

=1.1*12=12

故z

=12,

=13

（4）确定带轮的

d

=

=36.38mm

（5）验证带速v

由公式V=

计算公式得

V=

=1.14m/s<V

=40m/s

（6）求

L

=300mm+300mm+3.14*36.38/2

  =657.116mm

根据表3-2选择带节线长度及齿数：

L

=723.9mm                            z

=76mm

（5）计算a

     inv为渐开线involute      inv函数就是渐开线函数

Inv

inv

=tg

用逐步迭代法得

2.87

代入公式得

确定同步带的所需宽度

小带轮啮合齿数：z

=

=5.98<6

故啮合齿数K

=1-2*（6-z

）=0.96

基准额定功率：P

=0.44KW

=25.4mm

宽度系数：K

=(

)

额定功率：P

=

根据设计要求，

故宽带

=8.90mm，根据表b

=25.4mm.

图3-12中呈现的是末端执行器三维建模详情，图3-13则呈现的是二维解析详情。

3.7 电机的计算与选型

n=750,i=25,能够达到方案对大臂的性能要求及转动角度。

有扭矩和功率公式可得:

                           （3-7）

T=1/3*G1(L1+L5)^2+1/3*G2(L1+L2+H6)^2+1/3*G*R^2

=35.451kg*m^2

P>2.78kw

松下电机的选择如表3-3所示：

选松下电机MFDHTA390伺服电机。

3.8 轴承的选择、润滑及密封

通常来说，轴承选择需要满足两个要素条件，一个是轴直径，另一个则是轴承性能，而后者主要是将动静载荷、可靠性、额定寿命等等方面纳入综合衡量范畴。因此在选择过程中需要考虑以下内容，负载大小和方向，轴承转速与刚度、轴承安装与拆卸、旋转性与允许空间等方面。设计轴上对于载荷负载要求也并非一致，径向载荷高，与之相反的是轴向载荷小，因此可能出现如下问题，轴或壳体变形程度较为突出，同时还有安装定心差的情况。基于此，轴承选择了三种类型，即球面滚子型、深沟球型及单向推力型，前面两种能够承受径向载荷，在此种条件下，对于少量双向载荷也具有较低水平的负载力。

对于滚动轴承来说，其中一个重要要素就是润滑，具有多种作用，能够起到散热器的替代效用，对接触应力能够有效进行抑制，且具有振动吸收性，此外还能够提供防锈效果。通常来说轴承润滑有两类，即油润滑和脂润滑，对于这二者的选择，主要取决于轴承转速。在计算时，对轴承转速的描述，一般适用dn值，其中d指的就是轴承内径大小，单位是mm，而n则代表着轴承转速，单位是r/min。依据dn值可以有效判断润滑类型。在本论文设计方案中，由于配置有减速器，因此都会对转速起到一定抑制减速效果，使得实际速度处在非常低的水平，都处在810mmr/min这条线之下。而利用脂润滑的优势在于，形成的润滑膜强度相对来说略高一些，负荷承载水平也相对较大，且易放置易密封，而这些优势恰好更适用于苹果采摘机器人工作环境，果园条件下润滑剂频繁添加并不便利，因此这种润滑形式更具实用性。另外还需要考虑到润滑幼稚量的多少一般情况下是根据轴承内部空间而决定，因此对于润滑脂选择，还需要重视锥入度和滴点这两个参数，本文论文方案中轴承dn值偏低，基于此，更值得考虑的无疑是锥形且低穿透率的类型。此外还需要关注轴承密封设计，其主要目的是防止外部一些腐蚀或干扰物质进入轴承内部如灰尘、酸性腐蚀性气体及其他类型残渣等，同时还有防止润滑剂漏出的目的。目前常用轴承密封装置有两类，即接触式与非接触式。考虑到苹果采摘机器人的功能要求与设计规范，最终确定为非接触式密封。

第四章 苹果采摘机器人苹果识别和定位

在苹果采摘机器人设计过程中需要涉及到对苹果图像的研究，其中更值得关注具有更大效用的是苹果图像，而这些也被称为目标图像，而图像中其他要素则被归为背景。需要提供更为准确的苹果识别和定位设计，这一点的技术提升和要求实现也决定着苹果采摘机器人最终的质量情况，将影响到采摘成功率数据表现。所谓苹果识别，指的是从图像背景中能够准确找到并提取苹果颜色差，之后成功将其从背景色中分离出来；而所谓的苹果定位，则主要是针对CCD摄像机画面而言，需要在其坐标系中准确的辨识并找出苹果目标点三维坐标，之后进行坐标系转换，变成机器人系统中的基础坐标系的三维坐标。目前针对这两个方面的研究，国内外都在努力探索，也针对不同问题提出各自条件下的解决方案，从合理的果实图像、苹果特征提取及定位等等研究方向入手，都取得部分进展。以番茄采摘为例，需要解决的问题有三个，第一是成熟果子的自识别；第二是果子立体定位；第三是自然条件下背景色差等。王雅琴等通过大量综合分析与研究，对图像分割问题提出来一个具有良好效果的方法，就是利用2r-g-b分量来进行实现，利用该方法进行实验，其中分割成功率较为令人满意，能够有约88%的效果。Hayashi等则主要在实验中探讨了茄子的图像特征，并能够获得对此的较高质量的识别定位效果。总体来看，苹果采摘机器人装配的视觉系统，最关键的功能就是从复杂的图像背景中能够以较高分割率和识别质量将苹果目标区分出来，这也是机器人实现捕捉动作的前提，因此该视觉系统设计需要满足以下要点：（1）算法不能太复杂，且还需要满足实施的要求，这是基于苹果采摘过程的实际需求，定位和识别算法需要满足易用性和一定精度标准。整个采摘动作进行时，系统进行识别与定位所耗费的时间需要在技术参数允许区间内。（2）算法通用性条件。这主要有两个方向，一个是同一个对象通用性问题，另一个是不同类对象通用性问题。与此同时，算法还需要能够在复杂且多变的自然条件下发挥作用。

4.1 视觉系统标定

视觉系统校准，实际上指的就是实际利用的装置摄像机的校准，通过对内外部参数的捕获来完成。其中，摄像机内部参数，主要包括的是设备或器件原有的性能条件，如镜头畸变系数、放大系数等等，相应的，外部参数指的是在给定参考坐标系条件下，能够涉及到的摄像机坐标系的表达。而通常我们经常能够看到的摄像机手眼校准，实际上指的就是针对相机坐标系与执行器坐标系，基于一定目标与要求对这二者关系进行确定。相机安装位置并非处于末端执行器且不会跟随其进行移动的视觉系统，在英文中叫做Eye-to-Hand系统，反之相机位置是在执行器上且跟随变化的，叫做Eye-in-Hand系统。基于实际采摘作业对精确度的要求，本文设计方案采用手眼系统。

4.2 目标果实的识别

在本文设计方案中，对苹果识别并非基于单一要素，而是对面积要素、颜色要素同时还结合和形状要素。通常来说图像中会出现较为明显的红绿色差异，苹果红色较高。因此可以基于该特征，从RGB色差中选择需要的分量R,然后为了实现有效的区分，在3X3结构元素上，来不断进行形态学操作，从而能够有效对图像噪声点进行清理。对经过上面环节的处理后图像，需要进行标记和归类，同时针对苹果像素区域提供一个标准值，将小于这个标准值的区域面积进行去除，之后再进行目标苹果图像提取。之后环节则是苹果中心三维坐标检测，这里采用的实现方法是经过修改的原型霍夫变换。在实际采摘环境下，中心坐标并非能够完全探测到，因此需要进行目标区域质心标记。整个识别流程见图4-1。

4.3 苹果定位

本文方案设计中苹果定位方式采用的是双目视觉定位，能够提供更贴近实际条件的定位效果，原理是通过三角测量，相机左右眼参数一致，其中适用的光轴呈现平行状态，值得最终出现成像平面相互重合。图4-2中代表的是苹果计算几何模型。

从下图可知，P为目标对象中心点，b是相机基线长度。目标对象中心点横向坐标值在图中是用X

、X

进行代表，f是相机焦距，图像中目标对象中心点在左右眼的代表符号分别是P

、P

，最终得到的目标对象中心点的左右相机图像的视差公式是

,同时基于三角测量原理，能够得到最终定位即H

第五章 苹果采摘机器人避障功能的实现

为了有效增强苹果采摘机器人对实际园区环境适应的灵活性，尤为需要提高避障设计效能，本文方案中对采摘避障问题进行了要素探讨并结合已有机器人成果进行设计思考，认为主要需要考虑三个方向要点。（2）对果树枝叶进行不妨碍结果质量的修剪，使得苹果树枝叶更稀疏，从客观上达到一定避障效果；（2）装配视觉系统，主要是通过图像颜色空间的比对，从多种灰度图像中找到苹果枝叶与果子的色差模型，然后基于此用自适应阈值分割法对这些图像进行判断，将果子区分开来从而实现有效避障；（3）人工势场法的应用，以更为灵活的采摘动作来提高机器人避障效能。

5.1 人工势场的基本原理

上世纪八十年代中期人工势场法面世，其首倡者是Khatib，他是在自己的博士论文中首次进行了该办法的应用，主要买逆向的是机器人手臂的避障运动规划，并且取得了显著成果，机械臂即时避障成为可能，后来该方法也进行了升级与优化，在拾取机器人手臂运动规划研究领域中也进行了广泛探索。

从实际利用来看，人工势场法目前被广泛用于机械手运动规划等相关研究问题的解决，能够实现对下层即时控制，并基于球体绕障运动进行的规律总结与范围划定，能够获取平滑运动轨迹，与此同时，排斥场起到作用，因此在该方法控制下，机器人能够预先将运动轨迹排除障碍物潜在场地，从而获得相对路径安全。

但是，也需要看到人工势场法的不足，由于现实场景往往要素繁多，环境高度复杂，因此对于目标物与障碍物间的范围划定可能并不能十分准确，机器人以特殊运动路径进行运动时，无法如预期一样到达目标点，分析原因如下：

1. 全局最小问题。
2. 局部极小值问题。
3. 路径振荡问题。

5.2 人工势场的改进 

目前对于苹果采摘臂的设计，特别是针对路径规划这一环节，人工势场法具有较大优势且已经发展较为成熟，针对前面提到的问题，本文给出了一定改进对策。

1.势场函数的改进

这主要是面向全局最小问题提供有效应对方案，基于势场函数，尝试并完成对人工势场法的改进。全局最小问题分析中可知，苹果采摘机器人在实际作业中，靠近苹果目标点，此种条件下，附近存在障碍物，且已经进入其影响范围，但是由于此时全局范围最小点并没有落在苹果目标点上，导致机器人路径寻找失败，而对势场函数的修改，其主要目的就是让排斥场趋于零，这能够让苹果目标点成为范围内实际的最低点。

2.虚拟目标点法

前面讨论的势场函数法虽然发挥了一定作用，对目标到达情况无法满足精确度方面具有一定改善作用，但苹果采摘机器人在作业过程中，也可能会出现另外的错误情况，那就是在到达目标点前，就出现了合力为0的情况，此时装置感应就会认为其已经达到目标，并停止行进动作或来回振荡，使得原有路径规范无效化，这个过程就被叫做局部极小点问题。

解决该问题的一个有效路径就是虚拟目标点法，也就是说设置一个虚拟目标点，就能够有效避免局部极小点合力0的情况出现，因为此时会由新添加的虚拟目标点处出现一个虚拟力，从而在其作用下能够让局部极小点不会出现。

3.混沌优化算法

前面提到的两个方面，第一个解决了目标不可达问题，第二个则主要解决局部最小值问题，换言之这两个方法都具有局限性，无法同时应对两个问题，因此就在第一个方法的基础上对其进行一定改进，主要是融入混沌优化算法，从而获得了混沌人工势场法，从试验结果来看，能够同时解决本文提出的两个问题，甚至还能对存在障碍物的情况下如何寻找路径的问题提供解决方案。

当在本文方案中利用该方法进行路径设计时，此时外部障碍物的具体形态与特征等信息会被传感器搜集并获取，完成采样后，会基于该方法得到计算出机器人作业所需的最佳步长和方向角，从而让机器人能够准确达到预定目标点，反复进行前面这种计算处理流程，最终达到苹果目标点。

该方法的优点如下：

当传感器能够提供精确性较高的测量时，即便在可变环境下，机器人也能够实现快速移动效果，且避免出现局部极小点情况。

苹果采摘机器人能够适应动态条件下作用，满足实时避障要求，且不会出现局部极小点现象。在障碍物比较接近时也能够进行路径规划，当可能出现局部极小点情况时，馄饨优化算法能够提供有效解决方案。

结论

本文设计方案主要从苹果采摘机器人一般需要适用的作业环境与作业要求出发，应用机械结构和智能控制这两个设计方向，将之应用到该类型机器人方案中并实现了较好效果。苹果采摘机器人能够有效降低苹果采摘工作量，满足果园收获期采摘需求，且苹果质量能有较高保证，对苹果收获自动化发展有较大促进作用。本次毕业方案设计中，主要学习总结要点有：（1）利用了升降梯构造，从而让整体设备灵活性增强，大臂采用蜗轮蜗杆从而能够满足不同角度和方向的扭动需求，大小臂俯仰功能的实现其动力来源都是电机装置，其中应用了摆线行星减速器，与此同时，腕部旋转和俯仰动作的实现过程也与前两者相似。另外末端执行器的形态结构最终确定为剪刀式，从而提高苹果采摘质效，动力驱动来源是直流减速电机。（2）苹果机器人底盘设计，基于苹果园作业环境的实际考察，并对轮式与履带式等两种底盘进行分析，最终认为履带式具有更高适用性，能够在存在起伏的地面正常且稳定行进，且具有跨越一定障碍物能力，能够实现原地转向等，总体来说满足苹果作业环境要求。（3）对机器人视觉系统原理进行了资料查找和学习，对多颜色空间的识别和筛选过程中利用了统计分析法。利用R-G色差分量实现图像切割，同时配合自适应阈值分割算法将能够提供更满足设计所需的分割效果，让最终苹果采摘更具效率性。（4）本研究主要分析了苹果采摘机器人臂和末端执行器，同时还对其中应用的技术进行了一定阐述如图像算法和传感系统等。

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致谢