（图纸+论文）山茶采摘平台设计研究（全套完整）

此类机器人可以从事从采集酿酒用的葡萄直至清洗和摘取莴苣心的工作。

目前这类机器人正处于全面发展时期，将成为收获精致水果和蔬菜的基本工具，目前这些工作仍由手工完成。

圣地亚哥视觉机器人技术发明者德里克莫里卡瓦认为新采摘机器人要依靠先进的运算能力和液压技术，使机器手臂和手指具有近似于人手灵敏度的能力。

现代成像技术同样也使机器能够识别和挑选各种品质的水果和蔬菜。

方法就是将台机械化扫描机器送入果园。

装备有数字成像技术设备的机器人能够生成张三维地图，显示位置成熟度和水果质量。

台采摘机器人按照这些画面，使用他们的长机械臂仔细地采集成熟了的水果。

加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员会合作开发种水果采摘机器人。

上个月研究人员对原型机进行了检测，但是距离真正的广泛商业应用从理论上证明全方位轮是如何协调实现机器人的全方位运动的，并且为进步建立动力学模型提供基础。

本文作了三个合理的假设忽略本体及辊子的柔性忽略工作场地的不规则，即四个全方位轮能同时正常运转全方位轮与工作面有足够大的摩擦力，轮体不存在打滑现象。

首先设定移动机器人的几个不同坐标系，推导不同坐标系间的变换关系进而求轮体雅可比矩阵，并求出运动学问题的正逆问题最小二乘解。

在运动学基础上，求轮体复合系统在固定坐标系中的加速度及加速度能，并求出动力学正逆问题解，为全方位移动机器人的进步研究提供理论模型。

图山茶采摘平台移动底盘种山地行走系统用全向履带行走系统可分为轮式和履带式两大类。

轮式行走装置的特点是功耗低，较机动，但是通过性能比履带式差履带式的特点则是与地面接触面积大，通过能力强，且履带式行走装置可利用履带的差速实现转弯，转弯半径小，甚至是原地转弯。

但目前履带行走装置在使用的过程中存在两个较严重的缺点是转向时由于与地面接触面积大摩擦力大，所以功率消耗大，零件易磨损二是在改变运动方向时需要调整履带的朝向，增加了操作的复杂性。

.种全向履带，可实现履带不同角度横向平移的履带，其特征在于，所述全向履带具有履带主体，其由履带板和履带销组成，履带销将履带板连接起来构成履带链环履带板中间有孔，与主动轮啮合，每块履带板两侧各安装个毂轮，毂轮通过轴和轴承安装在履带板上，可以灵活的转动。

.根据所述的全向履带，其中履带板两侧的轮毂平行排列，毂轮的中心轴与传动轴线空间所成夹角为度。

综上分析，这种无需调整履带朝向便可实现自由转向的全向履带尤其适用于山区地形的果园采摘平台，它即具有履带的通过性强的特点适合山地坡地行走，而且在坡地行走的转向过程中无需调整履带的朝向，降低了操作的复杂度，提高了行走的稳定性。

其效果是电机驱动主动轮运转带动履带链环运动，在两侧履带链环出现转速差时会产生转向运动，由于本发明的履带板上安装有毂轮，所以此刻履带的转向无需改变朝向。

适合安装于农业用作业机械土木用作用机械或建设用作用机械等行驶车辆的全向履带。

我们结合轮式底盘和履带式底盘的优点和使用条件，决定用我们自主研究设计的全向履带作为山茶采摘平台的移动底盘。

.升降机构的设计升降机构可以选择丝杆导轨滑块直线滑轨式和直线轴承式等机构，并且我和指导老师也同时讨论了这几种机构的设计方案，但为了满足实验的要求，必须稳定可靠速度快动作准确方便控制等特点。

在指导教师的组织下，我进行了多次选择和分析.采用直线轴承式升降是种以低成本生产的直线运动系统，用于无限行程与圆柱轴配合使用。

由于承载球与轴呈点接触，故使用载荷小。

自由度绕轮轴的转动和沿辊子轴线垂线方向的平动和绕辊子与地面接触点的转动。

这样，驱动轮在个方向上具有主动驱动能力的同时，另外个方向也具有自由移动被动移动的运动特性。

轮子的圆周不是由普通的轮胎组成，而是分布了许多小滚筒，这些滚筒的轴线与轮子的圆周相切，并且滚筒能自由旋转。

当电机驱动车轮旋转时，车轮以普通方式沿着垂直于驱动轴的方向前进，同时车轮周边的辊子沿着其各自的轴线自由旋转。

图为全向轮的各结构和运动参量。

图全向轮运动参量的定义全方位轮协调运动原理图为采用全方位移动机构的车轮组合情况，轮中的小斜线表示触地辊子的轴线方向。

每个全方位轮都由台直流电机独立驱动，通过四个全方位轮的转速转向适当组合，可以实现机器人在平面上三自由度的全方位移动。

个全方位轮组成的机器人底座的力分析如图，其中为轮子滚动时小辊子受到轴向的摩擦力为小辊子做从动滚动时受到的滚动摩擦力为各轮转动的角速度。

图组合运动图四边形底盘动力轮分布在底盘的四个方向两两同轴且相互垂直，轮心到底盘重心的距离都等于如下图所示，假设每个轮子与地面的摩擦力分别为，按照力学公式推导如下图四边形底盘分析.当与方向相同此时机器人向方向运动当与方向相同此时机器人向方向运动与方向相反与方向相反时此时机器人原地旋转，方向与相反此时机器人向与的合力方向移动。

全向轮的参数设计假设图中所示的圆柱是全方位轮的理论设计圆柱，曲线是轮子滚动时辊子与地面的接触线。

曲线是等速螺旋线，曲线绕直线旋转周就形成了全方位轮辊子的曲面。

图辊子生成图由上述模型设计如下参数辊子最小端半径辊子轮廓上任意点相对于的距离及其最大值和最小值，由前面的推导知道，辊子最大半径辊子轴线与轮子轴的夹角辊子轴线与轮子轴的最小距离辊子的数目辊子的长度轮子的实际宽度。

模型分析运动学模型是全方位轮协调无碰运动轨迹时规划的理论依据，而动力学模型是研究动态环境下的实际时变运动规划问题的基础。

运动学建模可试验结果为工作速度根，在实验室中效果良好，但由于制造成本和适应性的制约，还不能满足商用的要求。

英国的蘑菇采摘机器人英国研究院研制了蘑菇采摘机器人，它可以自动测量蘑菇的位置大小，并选择性地采摘和修剪。

它的机械手包括个气动移动关节和个步进电机驱动的旋转关节末端执行器是带有软衬垫的吸引器视觉传感器采用摄像头，安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。

采摘成功率在左右，采摘速度为个，生长倾斜是采摘失败的主要原因。

如何根据图像信息调整机器手姿态动作来提高成功率和采用多个末端执行器提高生产率是亟待解决的问题。

国内研究进展在国内，果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。

东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，主要由自由度机械手行走机构液压驱动系统和单片机控制系统组成。

采摘时机器人停在距离母树，操纵机械手回转马达对准母树。

然后，单片机控制系统控制机械手大小臂同时柔性升起达到定高度，采摘爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生长方向趋近.，然后采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成次采摘。

这种机器人效率是天，是人工的倍。

而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率高。

另外，郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器人，采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向。

浙江大学的应义斌等完成了水果自动分级机器人的研究开发。

赵杰文等研究了基于颜色特征的田间成熟番茄识别技术，该方法对田间成熟番茄之间相互分离的情况有很好的识别效果。

梁喜凤等为分析并改善番茄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。

山茶采摘平台创意设计与方案.采摘机器人般组成采摘机器人般由执行机构驱动装置检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

执行机构即机器人本体，其臂部般采用空间开链连杆机构，其中的运动副转动副或移动副常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。

根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式圆柱坐标式极坐标式和关节坐标式等类型。

驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。

山茶，采摘，平台，设计，研究，钻研，毕业设计，全套，图纸摘要关键词前言.研究意义与目的.国内外研究现状山茶采摘平台创意设计与方案.机器人般组成.山茶采摘平台设计方案.研制概要采摘平台机械设计.底盘的设计基于全向轮的分析种山地行走系统用全向履带.升降机构的设计采摘平台电路硬件电路设计.系统原理框图.采摘主控制板结构及说明最小系统主控制板实物图.电源模块.伺服电机驱动电路.按键电路主控制板程序设计.系统主程序流程图.的产生软件生成硬件生成系统的调试总结参考文献致谢附录山茶采摘平台设计研究学生黄利指导老师李旭湖南农业大学东方科技学院，长沙摘要随着国内外采摘机器人的兴起，世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要历史时期，机械作业已逐步进入农业生产领域。

本文研究设计了能减轻人工劳动强度和提高工作效率的山茶采摘平台，平台由主控模块行走模块全向履带和升降模块组成。

系统以为核心控制器，通过对伺服电机的控制可实现采摘平台的行走控制和升降控制。

本文结合由铝型材制作的采摘平台的实物模型对系统的设计进行了分析和总结。

关键词机器人农业机械化采摘平台全向履带前言机器人技术的发展是个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。

机器人涉及多学科交叉综合人工智能机器人技术通信技术传感器技术仿生学机构学信息及编程技术计算机学材料学电子技术传动技术接口技术电机拖动学精密机械技术自动控制理论伺服传动技术等诸多领域的技术集成，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。

世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要历史时期。

我国是个农业大国，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，机器人已逐步进入农业生产领域。

采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用提高劳动生产率和产品质量保证果实适时采收，使其具有很大的发展潜力。

.研究意义与目的农业是国民经济的基础，这是不以人们意志为转移的客观经济规律。

农业生产力发展的水平和农业劳动生产率的高低，决定了农业为其他部门提供剩余产品和劳动力的数量，进而制约着这些部门的发展规模和速度。

近年来，采摘作业的效率提高问题已成为农业经济发展需突破的瓶颈问题之，目前在国内，果实采摘的成本普遍比较高，效率也低，人工采摘成为制约各地生产效率提高的个瓶颈。

在各地的采摘作业基本上还是手工完成，随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也将提高。

因此推广发展机械化收获采摘技术和研究具有重要的意义。

现今国内外有些公司已经解决了机器采茶的问题，但是由于该机器结构复杂，核心机构和工作部件需要进口，价格昂贵。

而且该机的易损部件也是核心零部件还不能国产化，导致使用成本大大提高，所以国内的机械化采茶的效率还很低，中小型茶农也很难购买该类机器，即使有能力购买采摘机，高昂的使用维护成本会使茶农的种植收益大打折扣。

针对这种状况，本文主要以山茶采摘平台作为研究对象，目标是提高采摘工作效率，降低茶农成本，提高利润。

山茶采摘平台行走控制系统设计的目的是用先进的机械化来替代繁重且低效益的农业生产方式，使农民采摘作业的更高效更科学化更省力。

利用山茶采摘平台行走控制系统实现对果实成熟时采摘的机械化，智能化。

极大地提高了采摘的工作效率，降低了人工作业的工作强度。

.国内外研究现状收获作业的自动化和机器人的研究始于世纪年代的美国年，采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获。

从世纪年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本为代表的西方发达国家，包括荷兰美国法