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      臍橙采摘機器人真空吸盤應用

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-17 12:42:44    瀏覽次數:14    評論:0
      導讀

      0 引 言臍橙營養豐富,具有很高的食用、藥用價值,廣受大家的喜愛。根據贛州市果業局統計,截止到2016年底贛南市臍橙種植面積33.33萬hm2,總產量300萬t,是全世界種植面積最大,全國第一的臍橙產區[1]。隨著臍橙種植面積和產量的增加,贛南臍橙已經發展成為集種植生產、倉儲物流、精深加工于一體的產業集群,臍橙無損采摘向

      0 引 言

      臍橙營養豐富,具有很高的食用、藥用價值,廣受大家的喜愛。根據贛州市果業局統計,截止到2016年底贛南市臍橙種植面積33.33萬hm2,總產量300萬t,是全世界種植面積最大,全國第一的臍橙產區[1]。隨著臍橙種植面積和產量的增加,贛南臍橙已經發展成為集種植生產、倉儲物流、精深加工于一體的產業集群,臍橙無損采摘向機械化、智能化發展是必然趨勢。而末端執行器作為采摘機器人的重要裝置之一,其工作效率直接影響到采摘作業的成功率、速度和損傷率[2]。

      國外對于果蔬采摘機器人末端執行的研究起步較早,研究領域較廣[3-6]。其中,Bac等[7]設計了一種甜椒采摘末端執行器,采用真空吸盤吸附與氣動唇形切刀切割果梗相結合的采摘方式;Silwal等[8]設計了一種蘋果采摘末端執行器,采用繩驅動3指包絡夾持果實的采摘方式;而國內對于果蔬采摘末端執行器的研究相對較晚[9],近年來發展較快,在黃瓜、草莓以及番茄等[10-14]領域都取得一定的進展,傅隆生等[15]設計了一種獼猴桃采摘末端執行器,采用3個電機驅動機構(吸附、夾持、旋轉分離)的采摘方式,單果采摘時間為22 s,采摘速度較低;葉敏等[16]設計了一種荔枝采摘末端執行器,采用擬人指夾持果梗并結合旋轉切刀切割果梗的方式,不適合類球簇生型果蔬的采摘;張水波[17]設計了一種柑橘采摘末端執行器,采用氣動柔性三指抓握與氣動馬達驅動割刀切割果梗的采摘方式,結構尺寸較大。國內學者設計的末端執行器控制系統普遍是基于單片機獨立開發設計,與機械臂的集成度較低。

      由于臍橙的生長特性和生物特性與其他果蔬具有一定的差異性,現有設計方案無法直接運用。因此,本文在臍橙生物力學特性與靜力學分析的基礎上,利用氣動機構速度快、電動機構精度高的特點,設計一種采摘速度高、控制難度低、與機械臂集成度高的臍橙采摘末端執行器。研制試驗樣機進行臍橙采摘試驗,驗證機構的合理性,以期為后期臍橙采摘機器人的整體設計提供技術支持。

      1 末端執行器的機構組成與工作原理

      所設計的末端執行器主要由機械部分、控制系統和視覺系統組成,本文主要進行機械部分和控制系統的研究設計,視覺系統采用現有的研究技術。

      1.1 末端執行器的機構組成

      如圖1所示,末端執行器主要包括:與自主設計的機械臂相連接的連接架、吸附機構、夾持機構、旋切機構等,以及搭載的視覺系統(不涉及其研究開發),其中夾持機構是關鍵機構。

      吸附機構主要由下氣缸(型號XC10×60)、真空吸盤(型號ZP25DS)、吸盤支座等部分組成。旋切機構主要由上氣缸(型號TD10×40)、鋸齒圓盤切刀、切刀護罩、切刀連接架、強磁高速直流電機(型號RS550,24 V)等部分組成。由于末端執行器手指的自由度越多,抓取動作越為靈活,抓取效果也越好,但其系統的復雜程度、成本和控制難度也都會因此而增加[18]。因此,本文基于欠驅動原理,采用兩指式夾持機構,以一個電機作為動力輸出即可,此機構由V型手指、緩沖材料(硅膠)、電阻式薄膜壓力傳感器(型號FSR402,量程10 kg,精度±5%~±25%)、提供動力的步進電機(型號42HS4817A4,靜力矩0.52 N?M,步距角1.8°)、連接電機軸和滾珠絲杠的梅花聯軸器(BF系列)、將轉矩轉化為推力的滾珠絲杠機構(型號SFU1204-3)、安裝于絲杠螺母上的螺母座、連接手指底座和螺母座的連桿、導向軸等部分組成。

      圖1 末端執行器結構圖
      Fig.1 Structure diagram of end-effector

      1.連接架 2.梅花聯軸器 3.導向軸 4.滾珠絲杠 5.螺母座 6.連桿 7.手指底座 8.下氣缸 9.吸盤支座 10.V型手指 11.吸盤 12.硅膠13.電阻式薄膜壓力傳感器 14.鋸齒圓盤切刀 15.切刀護罩 16.強磁高速直流電機 17.切刀連接架 18.上氣缸 19.視覺系統 20.光電傳感器 21.步進電機
      1.Connecting bracket 2.Plum blossom coupling 3.Guide shaft 4.Ball screw 5.Nut seat 6.Connecting rod 7.Bottom cylinder 8.Finger base 9.Sucker support 10.V-type finger 11.Sucker 12.Silica gel 13.Resistive film pressure sensor 14.Sawtooth disc blade 15.Cover of cutter 16.DC motor of strong magnetic and high speed 17.Connecting bracket of cutter 18.Top cylinder 19.Vision system 20.Photoelectric sensor 21.Stepper motor

      1.2 工作原理

      臍橙采摘流程如圖2所示,視覺系統不斷獲取目標果實和果梗的位姿,機械臂進行位姿調整,定位完成后末端執行器開始工作。為了避免果簇中其它果實對采摘作業的干擾以及末端執行器對果簇的損傷,除了需要機械臂的避障和軌跡規劃之外,還需要末端執行器進一步將臍橙單果從果簇中分離。本文利用下氣缸推動真空吸盤作為吸附機構接近并吸附果實,下氣缸推桿復位后,果實可被吸盤拉拽遠離果簇且果梗位于2個V型手指所在的中心平面。之后,夾持機構開始工作,步進電機驅動滾珠絲杠帶動螺母座(滑塊)向前移動,從而推動連桿拉動安裝于手指底座(曲柄)上的2個V型手指對果實進行包絡夾持,當手指表面的電阻式薄膜壓力傳感器所受正壓力達到設定的安全閾值之后,步進電機停止轉動同時吸盤關閉。然后,旋切機構開始工作,上氣缸推桿推動由強磁高速直流電機驅動的高速旋轉的切刀實現對果梗的旋切,果實與果梗的分離后,上氣缸推桿復位同時強磁高速直流電機停止工作。最后,末端執行器夾持臍橙跟隨機械臂運動到果實收集區,夾持機構復位卸果從而完成單果采摘作業。

      圖2 臍橙采摘流程圖
      Fig.2 Flow diagram of navel orange picking

      2 臍橙受力分析與夾持機構設計

      2.1 臍橙數學模型與采摘手指工作空間

      贛南臍橙標準[19]中,三級果到特級果的橫徑范圍為60~95 mm。而實際調研數據顯示,果實最大外形尺寸(r×c)為109.38 mm×102.45 mm,最小外形尺寸(r×c)為51.36 mm×51 mm,有部分果實橫徑不滿足級數標準要求,故本文將橫徑超過標準規定范圍的果實定義為畸形果。由于畸形果數量較少,本文只考慮采摘橫徑范圍為50~100 mm的臍橙,其他特例不在本文考慮范圍中。

      選取紐荷爾臍橙為研究對象,選取30個成熟果實對其形狀尺寸進行測量計算,得到臍橙果形指數(果實縱徑與橫徑的比值)為1~1.1。由此定義臍橙模型為標準長橢球體,果實表面任意一點的坐標(x,y,z)滿足方程(1)。

      式中r為臍橙橫徑,mm;c為臍橙縱徑,mm。

      以臍橙橫徑范圍為指標,以臍橙赤道面為基準進行夾持機構建模(圖3)。為保證手指指節內表面與可采橫徑范圍的任意臍橙在夾持時都有4個相切點,以保證4個傳感器都能實時反饋壓力值,本文利用CAD對手指相關參數進行模擬優化,最終得到理想參數:遠指指節長度l1為35 mm,近指指節長度l2為35 mm,兩者夾角θ為140°,手指底座長度l4為31 mm、連桿長度l5為60 mm。為防止手指指根與吸盤外徑干涉,取手指指根長度l3為38 mm。當手指底座(曲柄)處于水平極限位置時夾持范圍最小,此時夾持直徑Dmin為50 mm,當手指底座(曲柄)相對支點O的轉角δ為20°時,手指有效夾持范圍達到最大,此時夾持直徑Dmax為100 mm。為保證機構不存在死點同時減小機構的結構尺寸,本文采用對心式曲柄滑塊機構作為傳動機構[19],在轉動角0°≤δ

       
      關鍵詞: 臍橙 農業應用
      (文/小編)
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