摘 要

该丝瓜采摘机器人为三自由度机器人，主要有三部分构成：丝瓜采摘移动平台、机械臂和末端执行器。丝瓜采摘机器人利用末端执行器来实现对丝瓜的抓取，末端执行器上的摄像头用来识别果实和定位，再利用机械臂的两轴协同移动以及底座的转动来完成对丝瓜的采摘，机械臂基于移动平台的设计保证了该机械臂对丝瓜的可持续性采摘。

该课题的工作思路如下：先查阅国内外对果蔬采摘机器人研究的相关资料，了解目前学者对果蔬采摘机器人的研究进展，对果蔬采摘机器人存在的问题、未来的发展趋势进行总结，并展望。再给出丝瓜采摘机器人的总体结构设计，从而进一步展开对采摘机器人具体部分的研究探讨。通过分析果蔬采摘机器人的作业环境特点，在几种不同结构的移动平台中选出最优结构。然后对机器人的关节驱动装置、传动装置、结构组成部分进行设计。在机械臂结构设计这一部分，需要从三自由度的各种机械臂结构中，确定最适合用于丝瓜采摘的机械臂结构。最后根据丝瓜的相关物理特性，设计出相应的末端执行器，完成对丝瓜采摘机器人的全部设计。本论文最后阶段就是在完成机器人具体的结构设计后，对采摘机器人结构的相关强度和稳定性进行校核，确保其能用于实际采摘作业。

关键词：丝瓜采摘机器人；移动平台；机械臂结构；末端执行器

The Structural Design of Luffa Picking Robot

ABSTRACT

The Luffa picking robot is a three-degree-of-freedom robot, which consists of three parts: a Luffa picking mobile platform, a manipulator and an end-effector. Luffa picking robot uses the end-effector to grasp the luffa. The camera on the end-effector is used to identify the fruits and locate the luffa. Then the two axes of the manipulator and the rotation of the base are used to complete the picking of the luffa. The design of the manipulator based on the mobile platform ensures the sustainable picking of the Luffa by the manipulator.

The work idea of this topic is as follows: First, consult the relevant information of fruit and vegetable picking robots at home and abroad, understand the current research progress of fruit and vegetable picking robots, summarize the problems and future development trend of fruit and vegetable picking robots, and look forward to it. Then the general structure design of the Luffa picking robot is roughly given, so as to further explore the specific part of the picking robot. By analyzing the working environment characteristics of fruit and vegetable picking robot, the optimal structure is selected among several mobile platforms with different structures. Then the joint driving device, transmission device and structure components of the robot are designed. It is worth mentioning that in the structural design of the manipulator, it is necessary to determine the most suitable structure for Luffa picking from the three-degree-of-freedom structure of various manipulators. Finally, according to the relevant physical characteristics of the luffa, the corresponding end-effector is designed to complete the design of the Luffa picking robot. The final stage of this paper is to check the strength and stability of the structure of the picking robot to ensure that it can be used in actual picking operations after the completion of the specific structure design of the robot.

Key words：Luffa Picking Robot; Mobile Platform; Robot Arm Structure; End Actuator

目 录

1 绪论………………………………………………………………………………………………………1

1.1 研究的背景和意义…………………………………………………………………………1

1.2 国外技术研究现状………………………………………………………………………1

1.2.1 西红柿采摘机器人…………………………………………………………………………2

1.2.2 多功能葡萄采摘机器人……………………………………………………………………2

1.2.3 甜瓜采摘机器人…………………………………………………………………………3

1.2.4 苹果采摘机器人…………………………………………………………………………3

1.3 国内技术研究现状………………………………………………………………………………3

1.4 发展趋势………………………………………………………………………………4

1.5 本章总结………………………………………………………………………………5

2 机器人结构设计 ........…………………………………………………………………………………. 6

2.1 采摘作业环境特点………………………………………………………………………………6

2.2 丝瓜采摘机器人的总体结构设计…………………………………………………………7

2.3 移动平台的选择和设计……………………………………………………………………8

2.3.1 移动平台的选择…………………………………………………………………………8

2.3.2 移动平台的设计…………………………………………………………………………10

2.4 机械臂结构设计…………………………………………………………………11

2.4.1 机械臂关节传动机构的设计…………………………………………………………11

2.4.2 机械臂关节驱动机构的设计……………………………………………………………13

2.4.3 机械臂扭转关节结构设计……………………………………………………………15

2.4.4 机械臂设计………………………………………………………………….................18

2.5 末端执行器结构设计…………………………………………………………………23

3 相关结构设计校核………………………………………………………………………………27

3.1 采摘机器人整体稳定性校核…………………………………………………………27

3.2 机械臂强度校核…………………………………………………………………………………29

4 结论 …………………………………………………………………………………………31

致谢 ………………………………………………………………………………………33

参考文献 …………………………………………………………………........................34

1 绪 论

1.1 研究的背景和意义

现阶段，我国还是个发展中国家，农村人口占大多数，因此我国目前还是农业大国。由于中国社会经济结构的转变，越来越少的人能够从事与农业活动。实际上，进入21世纪以后，中国面临着越来越严重的人口老龄化问题，越来越多的年轻人不再选择与农田打交道，从而导致果蔬的劳动成本价格提高，进而导致果蔬价格的上涨。在果蔬的种植过程当中，需要人去观察果蔬是否成熟，并不时的需要搬移梯子以帮助采摘，所以果蔬采摘作业也是一项危险性的劳动活动。从当前来看，劳动力的缺失已经真正成为威胁中国果蔬种植者的一项因素。

如果采摘员的缺失问题迟迟不能解决的话，那么丝瓜种植业将会在可预见的未来里从市场消失。这些背景显示出在未来自动化的丝瓜采摘机器人的发展趋势是不可阻挡的，他们用来解决中国农业上所暴露的困难：劳动力的缺失破坏了市场的稳定性和可持续性。农业精细化操作和自动化机器人将是解决这个问题的关键。然而，这些解决方案依然处于初期阶段，它们在市场上还是不够成熟的。目前，采摘机器人有许多国家和学者已经进行了研究，有苹果采摘机器人、黄瓜采摘机器人和草莓采摘机器人等，但是丝瓜采摘机器人在果蔬采摘的研究却是一片空白，因此研发丝瓜采摘机器人一方面不光能填补国内外研究在这方向的空白，另一方面对于响应党中央提出的中国制造2025、工业4.0，提升中国制造业综合实力和国际竞争力具有重大的意义。

1.2 国外技术研究现状