高架栽培草莓采摘机构设计研究_胡宪亮.pdf

江 苏 农 机 化 2 0 2 5 3 8 3 增 强 脱 贫 地 区 和 脱 贫 群 众 内 生 发 展 动 力 完 善 覆 盖 农 村 人 口 的 常 态 化 防 止 返 贫 致 贫 机 制 建 立 农 村 低 收 入 人 口 和 欠 发 达 地 区 分 层 分 类 帮 扶 制 度 按 照 巩 固 升 级 盘 活 调 整 的 原 则 推 进 脱 贫 地 区 帮 扶 产 业 高 质 量 发 展 构 建 成 长 性 好 带 动 力 强 的 帮 扶 产 业 体 系 将 发 展 联 农 带 农 富 农 产 业 作 为 中 央 财 政 衔 接 推 进 乡 村 全 面 振 兴 补 助 资 金 优 先 支 持 内 容 加 快 补 齐 脱 贫 地 区 农 村 基 础 设 施 短 板 优 先 布 局 产 业 发 展 所 需 配 套 设 施 发 展 面 向 脱 贫 地 区 的 职 业 教 育 持 续 开 展 雨 露 计 划 就 业 促 进 行 动 持 续 做 好 中 央 单 位 定 点 帮 扶 深 化 东 西 部 协 作 推 进 万 企 兴 万 村 行 动 集 中 支 持 国 家 乡 村 振 兴 重 点 帮 扶 县 强 化 易 地 扶 贫 搬 迁 后 续 扶 持 深 入 实 施 兴 边 富 民 行 动 健 全 脱 贫 攻 坚 国 家 投 入 形 成 资 产 的 长 效 管 理 机 制 9 保 障 措 施 加 快 建 设 农 业 强 国 必 须 坚 持 和 加 强 党 的 全 面 领 导 把 党 的 领 导 贯 彻 到 农 业 强 国 建 设 各 领 域 各 方 面 各 环 节 确 保 党 中 央 决 策 部 署 落 到 实 处 各 级 党 委 和 政 府 要 高 度 重 视 三 农 工 作 坚 决 扛 起 主 体 责 任 将 农 业 强 国 建 设 列 入 重 要 议 事 日 程 纳 入 国 民 经 济 和 社 会 发 展 规 划 等 确 保 农 业 强 国 建 设 各 项 任 务 不 断 取 得 实 质 性 进 展 各 有 关 部 门 要 加 强 政 策 协 同 配 合 强 化 规 划 项 目 资 金 要 素 间 的 有 效 衔 接 避 免 重 复 安 排 建 设 对 本 规 划 确 定 的 重 大 任 务 和 重 大 工 程 项 目 优 先 保 障 土 地 供 应 完 善 乡 村 振 兴 投 入 机 制 健 全 农 村 金 融 服 务 体 系 发 展 多 层 次 农 业 保 险 重 点 支 持 农 业 强 国 建 设 关 键 领 域 和 薄 弱 环 节 加 强 涉 农 干 部 培 训 提 高 三 农 工 作 本 领 打 造 一 支 政 治 过 硬 适 应 新 时 代 要 求 具 有 服 务 农 业 强 国 建 设 能 力 的 三 农 干 部 队 伍 实 施 乡 村 振 兴 人 才 支 持 计 划 坚 持 本 土 培 养 和 外 部 引 进 相 结 合 加 强 高 校 涉 农 专 业 建 设 提 升 职 业 教 育 水 平 建 强 农 业 强 国 建 设 人 才 队 伍 建 立 健 全 农 业 农 村 法 律 规 范 体 系 推 动 东 部 沿 海 发 达 地 区 有 条 件 省 份 率 先 建 成 农 业 强 省 鼓 励 中 西 部 地 区 经 济 发 展 水 平 较 高 资 源 条 件 较 好 的 市 地 加 快 建 设 农 业 强 市 引 导 有 条 件 的 县 市 区 加 快 建 设 农 业 强 县 分 类 探 索 差 异 化 特 色 化 发 展 模 式 重 大 事 项 及 时 按 程 序 向 党 中 央 国 务 院 请 示 报 告 高 架 栽 培 草 莓 采 摘 机 构 设 计 研 究 胡 宪 亮 1 洪 飞 2 李 莹 华 2 黄 泽 军 1 朱 嘉 伟 1 吴 嘉 俊 2 摘 要 文 章 基 于 高 架 栽 培 草 莓 设 计 了 一 款 采 摘 机 构 对 其 进 行 模 块 化 设 计 和 3 D 建 模 根 据 采 摘 机 构 工 作 时 运 动 状 态 设 置 合 理 的 约 束 与 载 荷 对 该 机 构 进 行 有 限 元 分 析 进 一 步 验 证 重 要 零 部 件 的 刚 度 性 能 与 强 度 性 能 结 果 表 明 采 摘 机 构 运 行 平 稳 能 够 完 成 连 续 作 业 提 高 了 采 摘 效 率 具 有 较 高 应 用 价 值 关 键 词 草 莓 高 架 栽 培 采 摘 机 构 建 模 有 限 元 分 析 机 械 臂 0 引 言 草 莓 属 蔷 薇 科 多 年 生 草 本 植 物 果 实 柔 软 多 汁 富 含 多 种 维 生 素 营 养 丰 富 被 称 作 水 果 皇 后 随 着 人 民 生 活 水 平 的 不 断 提 高 人 们 对 水 果 的 营 养 价 值 更 加 注 重 草 莓 种 植 产 业 得 到 快 速 发 展 从 2 0 1 0 年 开 始 中 国 成 为 世 界 上 最 大 的 草 莓 生 产 和 消 费 国 家 截 至 2 0 2 2 年 我 国 草 莓 种 植 面 积 达 1 4 7 5 万 h m 2 年 产 量 接 近 4 0 0 万 t 位 列 全 科 研 开 发 11 DOI 10 16271 ki jsnjh 2025 03 015江 苏 农 机 化 2 0 2 5 3 球 第 一 江 苏 省 作 为 全 国 优 质 草 莓 主 产 区 之 一 2 0 2 2 年 草 莓 种 植 面 积 达 2 0 7 万 h m 2 位 居 全 国 第 一 占 全 国 比 重 达 1 4 1 国 内 草 莓 的 种 植 方 式 主 要 有 平 地 栽 培 高 垄 栽 培 和 高 架 栽 培 等 其 中 高 架 栽 培 草 莓 通 过 悬 挂 使 栽 培 床 离 开 地 面 果 实 在 栽 培 床 两 侧 悬 垂 式 生 长 相 对 于 高 垄 栽 培 环 境 结 构 化 条 件 优 外 界 干 扰 少 更 适 合 机 器 人 采 摘 能 够 克 服 连 作 障 碍 减 少 劳 动 力 投 入 实 现 清 洁 生 产 2 3 目 前 我 国 草 莓 采 收 过 度 依 赖 人 工 方 式 劳 动 强 度 大 人 工 成 本 高 亟 需 机 械 化 采 收 设 备 完 成 草 莓 采 收 作 业 本 文 针 对 高 架 栽 培 模 式 下 草 莓 采 摘 设 计 了 一 种 视 觉 识 别 定 位 机 械 臂 移 动 和 机 械 爪 夹 持 切 断 的 自 动 采 摘 机 构 并 对 重 要 零 部 件 进 行 了 有 限 元 分 析 以 期 为 草 莓 采 摘 机 器 人 进 一 步 发 展 应 用 提 供 参 考 1 结 构 设 计 本 文 基 于 高 架 栽 培 模 式 进 行 草 莓 采 摘 机 构 的 设 计 以 H 型 高 架 为 例 成 熟 莓 果 分 布 于 高 架 两 侧 果 梗 长 度 大 多 在 5 8 c m 平 均 直 径 为 2 2 m m 4 根 据 总 体 需 求 设 计 莓 果 识 别 夹 持 采 摘 和 沿 高 架 移 动 工 作 流 程 根 据 种 植 环 境 采 摘 机 构 选 择 轮 式 设 计 自 上 而 下 为 视 觉 功 能 模 块 采 摘 功 能 模 块 和 驱 动 功 能 模 块 各 功 能 模 块 分 布 如 图 1 所 示 视 觉 功 能 模 块 包 含 摄 像 机 控 制 芯 片 和 相 应 连 接 件 选 用 O p e n M V 4 H 7 P l u s O V 5 6 4 0 摄 像 头 模 组 使 用 以 S S D 算 法 为 核 心 的 深 度 学 习 视 觉 识 别 系 统 对 其 进 行 成 熟 草 莓 识 别 训 练 和 采 摘 模 块 引 导 采 摘 功 能 模 块 采 用 关 节 式 机 器 人 结 构 机 器 人 小 臂 长 2 0 c m 大 臂 长 4 0 c m 机 械 爪 长 2 0 c m 旋 转 底 座 高 6 c m 根 据 实 际 采 摘 环 境 要 求 机 械 爪 为 结 构 简 单 和 工 作 行 程 短 的 回 转 型 夹 持 手 爪 机 械 臂 舵 机 选 用 D S 3 2 3 5 数 字 电 机 夹 爪 工 作 时 在 平 行 于 地 面 的 平 面 上 做 微 动 因 而 设 置 一 极 限 状 态 大 臂 垂 直 于 地 面 机 械 爪 平 行 于 地 面 机 械 臂 的 工 作 范 围 如 图 2 所 示 驱 动 功 能 模 块 包 含 车 架 和 底 部 小 车 的 驱 动 电 机 主 要 用 材 是 6 0 6 1 T 6 铝 合 金 材 料 驱 动 电 机 选 用 3 0 W 减 速 电 机 组 2 机 构 建 模 选 择 S o l i d W o r k s 建 模 软 件 进 行 机 构 建 模 草 莓 采 摘 机 构 整 机 质 量 3 4 4 k g 大 质 量 零 件 集 中 在 驱 动 模 块 驱 动 模 块 质 量 为 3 0 7 5 k g 机 构 左 右 对 称 质 心 位 于 机 构 的 中 下 部 分 保 证 机 构 运 行 平 稳 建 模 后 的 末 端 执 行 机 构 结 构 如 图 3 所 示 其 中 1 号 活 动 齿 轮 与 舵 机 相 连 作 为 主 动 轮 与 2 号 活 动 齿 轮 啮 合 二 者 在 舵 机 的 驱 动 下 带 动 机 械 爪 闭 合 在 执 行 机 构 最 末 端 是 由 刀 片 挡 板 和 橡 胶 薄 膜 组 成 的 夹 持 剪 切 功 能 部 分 当 机 构 开 始 采 摘 工 作 后 机 械 手 指 在 齿 轮 的 驱 动 和 连 杆 的 限 位 下 靠 拢 橡 胶 薄 膜 和 草 莓 果 梗 接 触 果 梗 在 柔 性 材 料 的 包 裹 下 被 夹 紧 同 时 刀 片 和 挡 板 也 逐 渐 靠 拢 当 二 者 接 触 时 执 行 机 构 就 完 成 了 剪 切 此 后 机 械 爪 在 主 控 系 统 的 指 引 下 保 持 闭 合 状 图 2 机 械 臂 极 限 状 态 工 作 示 意 图 1 草 莓 收 集 篮 2 驱 动 电 机 3 轮 式 小 车 车 身 4 旋 转 底 座 5 机 械 夹 爪 6 摄 像 机 7 机 械 臂 图 1 轮 式 草 莓 采 摘 机 构 示 意 图 12江 苏 农 机 化 2 0 2 5 3 态 直 至 成 熟 莓 果 被 放 入 收 集 篮 中 才 会 松 开 爪 手 进 入 下 一 轮 采 集 建 模 后 的 五 轴 机 械 臂 机 构 结 构 如 图 4 所 示 当 五 轴 机 械 臂 运 动 时 舵 机 1 作 为 旋 转 底 座 的 一 部 分 驱 动 机 械 臂 整 体 绕 竖 直 轴 线 旋 转 舵 机 2 驱 动 大 臂 做 俯 仰 运 动 舵 机 3 驱 动 小 臂 做 俯 仰 运 动 舵 机 5 驱 动 末 端 执 行 机 构 做 俯 仰 运 动 舵 机 4 驱 动 末 端 执 行 机 构 做 机 械 臂 平 面 以 外 的 旋 转 运 动 5 台 舵 机 相 互 配 合 驱 动 机 械 臂 做 出 灵 活 复 杂 的 空 间 运 动 建 模 后 的 驱 动 模 块 总 体 结 构 如 图 5 所 示 由 于 小 车 内 部 空 间 不 大 且 需 配 置 的 部 件 较 多 所 以 将 电 机 布 置 在 底 板 之 上 省 去 传 动 机 构 直 接 与 轮 胎 相 连 根 据 建 模 后 的 结 构 草 莓 采 摘 机 构 工 作 流 程 如 下 1 搜 寻 阶 段 沿 既 定 轨 道 行 驶 接 近 成 熟 果 实 此 时 机 械 臂 整 体 侧 转 4 5 度 机 构 总 体 高 度 达 到 1 0 0 c m 便 于 识 别 莓 果 2 采 摘 阶 段 机 构 接 近 成 熟 果 实 小 臂 和 末 端 舵 机 协 同 调 整 位 置 机 械 爪 向 中 心 收 拢 切 断 并 夹 紧 果 梗 3 转 向 阶 段 机 构 采 摘 完 莓 果 在 旋 转 底 座 的 带 动 下 移 至 草 莓 收 集 篮 的 上 方 4 收 集 阶 段 大 臂 小 臂 协 同 动 作 机 械 爪 进 入 篮 内 夹 爪 打 开 放 下 成 熟 草 莓 完 成 收 集 5 离 开 阶 段 夹 爪 保 持 打 开 小 臂 先 抬 升 部 分 距 离 而 后 大 臂 运 动 离 开 篮 子 小 臂 再 微 调 到 达 转 向 阶 段 的 位 置 6 回 位 阶 段 机 械 臂 回 到 搜 寻 阶 段 开 始 时 的 位 置 此 时 采 摘 机 构 完 成 一 次 采 集 工 作 并 为 下 一 次 的 采 集 工 作 做 好 准 备 3 重 要 零 部 件 有 限 元 分 析 铝 合 金 板 是 驱 动 模 块 中 重 要 的 承 重 部 件 为 1 橡 胶 薄 膜 2 挡 板 3 铝 合 金 手 指 右 4 舵 机 5 金 属 掌 骨 6 2 号 活 动 齿 轮 7 舵 盘 8 视 觉 模 块 硬 件 9 固 定 扣 1 0 1 号 活 动 齿 轮 1 1 连 杆 1 2 铝 合 金 机 械 手 指 左 1 3 不 锈 钢 刀 片 图 3 末 端 执 行 机 构 结 构 图 1 舵 机 1 2 旋 转 底 座 3 舵 机 2 4 大 臂 5 舵 机 3 6 小 臂 7 舵 机 4 8 舵 机 5 图 4 五 轴 机 械 臂 机 构 结 构 图 1 底 板 2 轮 胎 3 电 机 支 架 结 合 体 4 角 铁 5 前 后 板 6 顶 板 7 侧 板 图 5 驱 动 模 块 总 体 建 模 结 构 图 13江 苏 农 机 化 2 0 2 5 3 了 解 其 在 工 作 过 程 中 的 变 形 和 受 力 情 况 采 用 S o l i d W o r k s 的 S i m u l a t i o n 插 件 5 对 其 应 力 和 变 形 做 分 析 相 关 部 件 质 量 为 采 摘 模 块 0 9 9 k g 顶 板 4 0 5 k g 运 载 的 草 莓 2 5 k g 采 摘 机 构 整 体 3 4 4 k g 驱 动 模 块 各 合 金 板 的 材 质 均 为 6 0 6 1 T 6 铝 合 金 由 于 不 存 在 能 明 显 观 测 到 屈 服 强 度 的 点 因 而 采 用 R p 0 2 规 定 非 比 例 延 伸 率 为 0 2 时 的 应 力 代 替 模 型 材 料 参 数 见 表 1 3 1 顶 板 有 限 元 分 析 对 顶 板 进 行 有 限 元 分 析 对 其 四 边 和 角 落 的 螺 纹 孔 进 行 约 束 设 置 载 荷 主 要 源 于 前 中 部 的 采 摘 机 构 重 量 以 及 后 中 部 的 运 载 草 莓 重 量 经 静 态 分 析 后 在 顶 板 边 缘 的 中 部 地 带 采 摘 机 构 大 底 板 的 边 缘 以 及 草 莓 篮 子 的 边 缘 均 产 生 了 较 大 的 应 力 最 大 应 力 为 0 4 1 7 6 M P a 远 小 于 6 0 6 1 T 6 材 料 的 屈 服 强 度 以 R p 0 2 代 替 2 4 1 7 M P a 因 而 满 足 强 度 要 求 顶 板 在 载 荷 的 影 响 下 呈 现 中 部 凹 陷 边 缘 正 常 的 位 移 特 点 最 大 位 移 约 为 0 0 1 m m 几 乎 不 会 对 小 车 内 部 安 装 部 件 构 成 影 响 3 2 侧 板 底 板 有 限 元 分 析 对 前 后 侧 板 进 行 有 限 元 分 析 设 置 前 后 侧 板 的 载 荷 和 约 束 结 果 表 明 最 大 等 效 应 力 分 布 于 上 侧 孔 位 边 缘 为 3 0 7 9 8 P a 远 小 于 材 料 屈 服 强 度 满 足 强 度 要 求 应 变 主 要 产 生 在 左 右 上 角 孔 以 上 的 小 部 分 上 沿 区 域 最 大 值 为 3 4 1 0 7 对 底 板 进 行 有 限 元 分 析 结 果 表 明 最 大 等 效 应 力 分 布 于 对 应 固 定 支 架 的 内 侧 孔 为 1 4 5 5 1 0 7 P a 小 于 屈 服 强 度 满 足 强 度 要 求 底 板 最 大 应 变 为 1 2 2 3 1 0 4 变 形 最 危 险 的 部 分 在 与 电 机 连 接 的 孔 位 附 近 需 重 点 关 注 3 3 机 械 爪 有 限 元 分 析 对 机 械 爪 进 行 有 限 元 分 析 在 抓 取 果 梗 的 过 程 中 取 平 均 单 果 质 量 2 5 g 静 摩 擦 系 数 0 3 对 机 械 爪 设 置 载 荷 和 约 束 得 到 末 端 手 指 等 效 应 力 和 应 变 结 果 最 大 等 效 应 力 产 生 于 手 指 的 中 段 为 1 0 0 1 1 0 7 P a 小 于 屈 服 强 度 满 足 强 度 要 求 最 大 应 变 同 样 产 生 于 手 指 的 中 段 区 域 为 9 4 4 3 1 0 5 顶 部 最 大 偏 移 值 为 0 0 5 9 m m 与 果 梗 的 最 小 直 径 1 6 5 m m 相 较 非 常 微 小 因 而 可 以 判 定 不 会 影 响 到 夹 紧 工 作 机 械 爪 的 设 计 是 合 理 的 4 结 论 本 文 基 于 高 架 栽 培 模 式 设 计 了 一 款 草 莓 采 摘 机 构 在 视 觉 识 别 和 末 端 剪 切 夹 持 一 体 化 的 功 能 需 求 下 对 其 进 行 模 块 化 设 计 和 3 D 建 模 对 重 要 零 部 件 进 行 有 限 元 分 析 结 果 表 明 该 机 构 运 行 平 稳 能 够 完 成 连 续 作 业 提 高 了 采 摘 效 率 具 有 较 高 的 应 用 价 值 参 考 文 献 1 云 国 产 业 大 脑 云 果 2 0 2 4 年 中 国 草 莓 产 业 数 据 分 析 简 报 E B O L 2 0 2 4 0 3 2 6 2 0 2 5 0 1 2 0 h t t p s w w w 1 6 3 c o m d y a r t i c l e I U 7 T B R 4 P 0 5 1 1 B 3 F V h t m l 2 赖 景 煌 台 湾 草 莓 高 架 化 离 地 栽 培 模 式 J 长 江 蔬 菜 2 0 1 2 3 0 8 6 5 2 5 5 3 周 明 源 路 河 王 红 清 不 同 栽 培 模 式 对 草 莓 生 长 发 育 的 影 响 J 中 国 蔬 菜 2 0 2 0 3 7 5 5 5 9 6 4 4 高 义 虎 草 莓 采 摘 关 键 技 术 研 究 与 机 械 手 优 化 设 计 D 泰 安 山 东 农 业 大 学 2 0 2 1 5 刘 开 举 赵 林 栋 生 萍 等 基 于 S o l i d W o r k s S i m u l a t i o n 的 取 件 机 械 手 爪 体 结 构 仿 真 和 优 化 设 计 J 中 国 铸 造 装 备 与 技 术 2 0 2 1 5 6 4 7 1 2 基 金 项 目 2 0 2 4 年 度 汕 头 大 学 双 院 协 同 育 人 和 一 站 式 学 生 社 区 融 合 建 设 工 作 研 究 2 0 2 4 S T U X S C 0 2 通 信 作 者 吴 嘉 俊 E m a i l j i a j u n w u s t u e d u c n 作 者 单 位 1 盐 城 市 农 业 机 械 试 验 鉴 定 站 2 汕 头 大 学 收 稿 日 期 2 0 2 5 0 2 0 7 表 1 模 型 材 料 参 数 参 数 弹 性 模 量 G p a R p 0 2 M P a 抗 拉 强 度 M P a 密 度 k g m 3 设 计 值 7 1 0 2 4 1 7 2 8 0 0 2 7 0 0 0 14