油茶振动采收机举升部件的虚拟样机设计Word格式.docx
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图1国内油茶产出量及种植面积情况
Fig1Camelliaoutputandplantingareaindomestic
油茶具有可观的经济效益。
目前市场上的毛茶油每千克售价达50元，且供不应求，而经过精炼出来的茶油每千克不低于300元。
其中湖南企业金浩茶油王品牌茶油每千克高达390元。
茶油是植物油中的上品，全身都是宝，具有极高的营养价值和保健作用，适合现代人追求健康生活的要求。
联合国粮农组织已将茶油定为重点推广的健康型高级食用植物油，且发达国家食用植物油基本上已实现木本化，人均每年可达到20千克，而我国目前仅为每人每年0.1千克，市场发展潜力巨大。
2007年我国进口油脂油料1509万吨，国产只有1035万吨，仅占46%,其中进口橄榄油4500吨，花费高达2000多万美元，对国际油料市场的依赖性很强。
另外，油茶树属常绿阔叶树，适应性强，能抵御各种自然灾害，不与粮棉争地，且绿化荒山，保持水土，涵养水源，不仅有较强的抗二氧化碳和氯等有害气体的功能，还是很好的防火树种，能显著改善农村生态面貌和人居环境，实现人与自然的和谐相处[2]。
2009年1月11日，由湖南省林业科学院主持，浏阳市林业局等多个单位共同完成的“油茶雄性不育杂交新品种选育及高效栽培技术与示范”科研成果获得了2009年度国家科学技术进步二等奖。
该成果在油茶杂交育种理论和应用技术等方面有重大创新，是油茶科研领域的一个重要里程碑。
目前，通过杂交育种方式选育出的首批10个高产优良杂交组合，每公顷平均年产油量达450.76?
660.65千克，在湖南及我国油茶适宜产区推广应用并产生了巨大的经济和社会效益。
由于高产优良油茶树的推广，油茶种植面积不断扩大，釆摘效率低下问题显得越来越突出，目前我国的油茶果采摘工作基本上都是人工采摘，其作业环境差，劳动强度大、费时费力和生产成本高，都严重制约着油茶产业的快速发展[3]。
油茶果的采摘难以实现机械化的原因一方面是油茶属于灌木类树木，树枝较为茂密且韧性强，造成采摘工作难以进行；
加上油茶果采摘时正是油茶初花期，采摘时容易损伤花殖，影响来年油茶树结果，另一方面油茶果适应采摘周期短（一般自由七天左右），在人工采摘效率十分低下的情况下，是很容易错过最佳采摘时期，一错过采摘时间，油茶果爆裂导致油茶籽掉落地面，这将影响油茶的产量。
快速发展的油茶业需要采摘作业机械化以实现规模化经营和管理从油茶业的长远发展来看，采摘作业机械化将是未来科技发展必然的趋势，这也符合我国经济从劳动密集型向技术密集型的转变[4]。
1.2国内外果蔬收获机械研究现状
机械化收获作业的研究始于20世纪60年代的美国，采用的收获方式主要是机械振摇式和气动振摇式，其缺点是容易对果实损坏、效率不高和容易采摘还未成熟的果实等缺点。
从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，以日本为代表的发达国家，包括美国、法国、英国、西班牙等国家，在收获采摘机的技术研究上做了大量的研究工作，试验成功了多种收获采摘机器，如西红柿采摘机、葡萄采摘机、黄瓜采摘机、西瓜收获机器和蘑菇采摘机等[5]。
1.2.1国外收获机械的研究现状及趋势
美国学者Schertz和Brown于1968年率先提出采用机械化技术收获果实。
随着第一台西红柿采摘机在美国的问世，日本和欧美等国家对收获机器的研究有接近30年的历史，近十年的发展速度尤为惊人。
美国作为世界上的科技大国，其收获机器的技术发展速度最快。
美国具有成熟的行走式收获机器理论技术，这些要归功于自身发达的科学技术、广阔的领土、较高的机械化程度。
2004年，世界农业博览会在美国加利福利亚开幕，该次展览会上美国加利福利亚西红柿机械公司展出了两台全自动西红柿采摘机。
它首先利用采摘机的执行部件将西红柿连枝带叶割倒运输到分选仓，由于仓内具有能识别红色的光谱分选设备，这样就可以把红色的西红柿挑选出来，然后将其通过输送带传送到随行卡车的货舱内，而未成熟的西红柿连同枝叶一道被粉碎，喷撒在农田里作为肥料。
在西红柿种植单位面积产量有保证的前提下，展出的这台长12.5m、宽4.3m的西红柿采摘机的效率为每分钟可高达一吨多西红柿，每小时可收获70多吨西红柿[6]。
日本的采摘机技术发展最成熟，最大的原因在于自身的自然资源决定的。
众所周知，日本的土地资源贫乏、劳动力不足、人口密度大、多山地，因此要大力发展温室作业。
但是温室内的温度高、湿度大、不舍和长时间工作，因此日本必须选择机械化和自动化相集合的发展方向来弥补自身的短板。
经过多年的发展，在施肥机器人、育苗机器人、西红柿采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜采摘机器人等理论研究与应用上都代表着世界的顶尖水平。
日本Kondo-N等人研制的黄瓜采摘机器人采用六自由度的机械手，这种机械手可以在倾斜棚支架下工作。
首先黄瓜的栽培方式须为机械化设计而设计。
要求黄瓜果实在倾斜棚的下侧，这样就便于黄瓜与叶的分离，为以后的检测与采摘更加容易。
黄瓜的识别是根据黄瓜的反射特性，在摄像机前加上虑波片，末端执行器上有果梗探测器、切割器和机械手指。
采摘时，调整机械手的位置，让其抓住黄瓜，由果梗探测器寻找到果梗，然后切割器切断果梗，机械手回收至输送带上，完成一次采摘工作[7]。
此外Kondo-N等人还研究开发出草莓采摘机器，针对草莓的不同栽培模式（传统模式和高架方式）研制出了相对应的采摘机器。
该机器有5个自由度采摘机械手，釆摘执行机构采用真空系统螺旋加速切割器。
收获时，先确定作业目标的空间位置，接着采摘机械手移动到合适的采摘位置，同时末端执行器向预定位置移动直到把草莓完全吸入；
然后检测到草莓位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗便达到指定预期位置，接着由螺旋加速切割器旋转切断果梗，完成草莓的采摘工作。
1996年，荷兰农业环境工程研究所（IMAG）研制出来一种黄瓜收获机器。
该研究在荷兰2公顷的温室里进行，黄瓜按照标准的园艺技术种植并把它培养为高拉线缠绕方式吊挂生长。
该机器采用红外视觉系统分辨黄瓜果实，并探测其位置。
采摘时，末端机械手只收获已成熟黄瓜，对未成熟的黄瓜不构成损坏。
机械手安装在行走车架上，行走车为机械手的操作进行初步定位。
机械手共有7个自由度，采用三菱（Mitsubishi）RY-E26自由度机械手，另外在底座还专门增加了一个线性滑动自由度。
黄瓜收获后自走运输车完成输送，运输车上有可以移动的集装箱，其中每个集装箱可以运输300根黄瓜。
整个系统在温室工作，试验结果为工作速度10s/根，实验室中收获效果良好，但由于制造成本高、适应程度较低等制约，还不能满足市场化的要求。
1.2.2国内收获机械的研究现状及趋势
国内的林果采摘机技术的研究相对于发达国家起步较晚，主要以高枝剪等手工采摘工具为主，费时费力效率低。
近年来有一些采摘的机器，如伸缩杆式林果采摘器、指型水果采摘器、簧压式摘取机构。
这些机器因为没有突破效率低下的问题，未能得到市场的认可。
根据袖茶林地土壤作业特点和行株距可选用中小型的机械进入林地，履带式的车载后悬挂式是比较常见的传统设备，不少院校和研究所都以此为基础，进行采摘机械手的相关研究，其中以东北林业大学的陆怀民教授研制出来的林木球果采摘机器人起步较早，主要是以5个自由度的机械手的执行机构，行走机构，液压驱动系统和单片机控制系统组成。
采摘时，机械手停在距采摘对象3—5m处，单片机控制系统根据实际情况控制机械手，同时大、小臂柔性地升起达到预期的高度，机械手张开并适时摆动，对准采摘对象大小臂同时动作,使釆摘手顺着树枝生长方向趋近1.5—2m，然后采摘手的梳齿夹拢果枝,大小臂驱动釆摘手按上次抬升的路径向后返回,梳下枝上的球果，这样完成采摘作业。
这种采摘机械的效率是500kg/d,大概是人工采摘效率的30—50倍。
对树枝和果实破坏较小，采净率相对高的采摘特点。
东北林大大胆的尝试了林果采摘，对国内的林果采摘技术发展做出了贡献。
但由于采摘效率低，操作复杂不适合推广，设备价格昂贵，没有实现市场化上海交通大学曹其新教授等人研究开发的草莓采摘样机作业时可根据采摘对象的标准样本，改变或调整样机采摘草莓的种类，并可一机多用，即便是没有经过专业培训的操作人员，也能很容易地掌握其操作方法。
我国林业采摘机器人的应用和推广有待于引起更大的重视和投入更高的研发资金，昂贵的采摘机价格对林业机械的发展有巨大的局限性。
虽然我国多年内一直加重在林业机械上的研发投资，但相对于发达国家比重较低。
其次采摘机器人涉及的学科较多，工作环境是非结构的开放系统，许多不确定因素给采摘机器的研究带来了很大的困难。
采摘机器人在一定程度上代替人类的工作，但其使用还远远没达到普及的程度[8]，原因在于其中存在两个关键问题：
1）采摘机智能化程度不高，还不能满足现代果实采摘的要求。
林果采摘的特点是需要采摘机具有相当高的智能和柔性生产的能力及适应复杂的非结构环境，一方面采摘机的自由度越多，运动约灵活，但对其的控制却增加了难度；
2）使用效率和采摘效率问题，采摘机的工作季节性强，导致了使用效率低；
经过对油茶果的实地考察，林果采摘效率低下一个很大的原因在于采摘位置的准确定位问题没有得到实际解决，油茶果在釆摘时，采摘机很难具有较好的自动识别能力。
现实的采摘环境下，通常采用的是人机协作的采摘方式，即由人工选取果实和判断果实的部位，机器手负责采摘。
采摘机器的利用率问题一直困扰着研发人员，目前研制出来的果实采摘机只能采摘一种果实，如何解决这一问题，可通过对于形状相似的果实，考虑改变采摘手的末端执行器的张开程度来达到目的；
而对于形状不同的果实，可通过更换机器手的末端执行器达到采摘目的。
这样采摘机器的利用率将会得到大大的提高。
针对我国油茶林立地环境、采摘作业条件等特征，提高林业采摘机主要技术参数，研发制造出油茶果采摘机，提高我国林业生产水平，加快实现林业现代化进程，其发展应用潜力非常巨大。
1.3研究意义
随着科学技术的快速发展，诞生于上世纪60年代的美国机器人技术越来越被世界各国重视，已经在国民生产的许多领域得到了广泛的应用。
但在林业领域，由于其经济和技术上的特殊性，实用化程度较低。
国际上一些发达国家，特别是日本和一些欧美国家，上世纪八十年代就已经开始研究，取得了一些成果，开始进入应用研究阶段。
当前我国在该领域的研究还处于起步阶段，要达到世界先进水平，必须加大人力和财力的投入。
农林业机械化生产比单纯的劳动力手工生产有许多优点：
1）解决农村劳动力不足的问题我国农村面临人口老年化问题，而且随着农林业生产的规模化、多样化、精确化要求越来越高，劳动力的不足问题将越来越明显。
油茶的采摘作业属于劳动密集型工作，再加上时令要求，劳动力问题将很难解决。
油茶果采摘机正是在这种情况下应运而生。
2）改善人工作业环境收获作业一般都在户外进行，自然环境比较恶劣，人工采摘费时、费力，油茶果采摘机的运用将大大改善人工采摘的工作环境。
3）提高生产效率，降低生产费用农林业生产率很低，约为非农业生产的25%，主要是因为劳动力费用消耗大，占用了生产费用的50%左右。
因此，传统的农林业生产的技术经济效果低，引进油茶果采摘机来提高生产率，具有非常大的意义。
4）降低劳动强度农林业生产集约化程度高，劳动强度大，采摘机在农林业生产中的作用在于完成以机械形式难以解决而且劳动集约化程度高的作业。
从经济性方面分析，在农林业生产作业中，收获采摘是费力最大、耗时最多的一个环节。
据统计，约占整个生产量的50%—70%。
为了保证产品的质量，要求做到适时釆摘，同时，采摘作业质量的好坏直接影响到产品后续的存储和加工，从而最终影响市场价格和果农的利益。
如何以低成本获得高质量的产品是果蔬生产环节中必须要重视和考虑的问题。
由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍很低，目前国内果蔬类采摘工作基本上人工作业，随着人口老年化的加剧和农村劳动力的减少，农林业生产成本也会相应提高，这样就会大大降低产品的市场竞争力，因此发展机械化收获技术，降低人工劳动强度和生产费用，提高产品质量和劳动生产率，保证林果的适时采收，具有很大的发展潜力。
在我国耕地紧张的情况下，发展茶油作为食用油是必要和可行的，而且油茶还是一种抗污染能力极强的树种。
目前我国的油茶面积大约为4500亩，年产茶油25万吨，年产值可达到120亿，近年来各地地方政府的大力支持发展种植油茶业，根据《全国油茶产业发展规划（2008-2020）》，到2020年我国的油茶业能突破9300亩，也就是说，油茶产量增加到10倍以上，产值相应的也要增加到10倍以上，从而使得油茶的产量占到食用油产量的15%。
随着设施农林业的发展和作业机械化的要求，研究开发林果收获机械，实现机械化、自动化收获是现代林业工程的重要课题。
目前，国内的油茶收获设备处于研究阶段，课题组研制的油茶果采摘机采摘效率是人工的十几倍。
采摘臂和采摘头是油茶果采摘机的关键执行部件，其工作性能对采摘机的收获效率和收获速度具有重要的影响，对执行机构的结构设计和工作空间进行分析研究并开展优化具有重要的意义。
1.4本文主要研究内容
本文主要介绍了现阶段国内外油茶果机械采摘的研究状况和虚拟样机技术，通过分析几种举升部件的优缺点，并结合油茶果采摘的工作环境和特性要求，从而研究设计出一款合适的油茶振动采收机举升部件的虚拟样机，并对其主要部件进行了详细设计;
同时利用Solidworks软件对各零部件进行了三维实体建模和整机虚拟装配，并对机构进行了静态和动态干涉检查[21][23]。
2油茶振动采收机举升部件的总体方案设计
2.1油茶树栽培方式和油茶果生物特性
油茶果油茶果树生物特性、栽培方式和种植环境等因素是采收机总体结构设计的依据和前提,决定着采摘机的结构形式和作业方式。
生物特性指标包括株高、树冠面积、径粗等。
通过对油茶果树的株高、果实的生长位置、果实特点等特性与行距、株距等栽培方式数据分析油茶果实生长范围与收获作业特点,作为采摘机设计时的依据[9]。
据权威调查油茶林种植密度根据地块、坡度、光强度和管理水平确定。
土层深厚、肥沃的平地,株行距3mx3m,栽植1110株/hm;
坡脚和缓坡地株行距3mx2.5m,栽植1335株/hm。
经过改良后的成熟油茶树一般高为2-3m,冠幅直径一般为1.5-3m。
油茶树为常绿小乔木，树高一般在2-3m，主树干直径可达20-80cm,树枝较为茂密，树冠直径为4m左右，树龄一般在200年。
一棵油茶树枝可结5-10个果实，如图2.1所示，单个成熟果实的直径在30-50mm之间，重量一般为50克。
2.2油茶振动采收机举升部件的总体方案设计原则
2.2.1最优的工作空间
采收机的工作空间是其末端执行器采摘头上某一参考点所能达到的所有点的集合，是衡量采收机工作能力的一个重要指标。
釆摘臂的主臂和副臂越长,工作空间就越大,采摘范围相对来说就越广,通用性也就越好,而且还可以减少行走机构的移动频率,进而提高采收机效率。
但是,这跟机械设计原则简单紧凑相违背。
最优的设计是在工作空间满足采收机作业的情况下,采摘臂长度尽量小[10]。
常用体积指标v对采收机工作空间进行评价,即:
（1）
（1）式中,V为工作空间的体积;
L为各采摘臂长度之和。
为了使采收机的作业目标在预期的工作空间内,不仅需要考虑体积指标,而且还要考虑工作空间的形状。
因此,应根据油茶果的实际分布情况和釆摘作业的需要,对采摘臂的运动学进行分析,选择合适的采摘臂构型、自由度数和各臂长度[11]。
2.2.2合理的结构
此处省略
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该论文已经通过答辩
2.2.5尽量采用少的自由度
自由度越多,灵活性越好,机器就具有越好的操作度。
但同时会增加机器的复杂化,控制困难等问题，因此,在满足机器正常工作的情况下,自由度尽量少。
综上可知,釆收机举升部件的设计根据具体作业要求,分解采摘作业动作,将举升部件分成采摘臂和采摘头两部分,参照有关工业设备设计中的关节配置方式,设计出具有最优工作空间、避障能力和可操作度的关节类型和配置[14]。
2.3油茶振动采收机举升部件的总体结构
2.3.1举升机构
举升机构有多种分类方式。
按臂架的形状分类，有直臂式和曲臂式两种基本型式；
按工作臂的型式分类，有四种基本型式，分别为：
垂直升降式、折叠臂式、伸缩臂式和混合臂式。
根据高空作业车，一般设有变幅机构、回转机构、平衡机构和行走机构。
依靠变幅机构和回转机构实现载人工作斗在水平和垂直方向的移动；
依靠平衡机构实现工作斗和水平面之间的夹角保持不变，依靠行走机构实现工作场所的转移[15]。
垂直升降式高空作业车的升降机构有剪叉式和套筒式两种，其中剪叉式应用较为广泛。
剪叉式升降机构由多组铰接成剪形的交叉连杆框架组成。
剪叉式升降机构在连杆框架间装有液压缸，通过液压缸的伸缩来改变连杆交叉的角度，从而达到改变升降高度的目的。
该型式的主要特点是结构简单、工作平稳、负载能力强，适合较低高度的作业，但其升降机构只能做垂直运动，这导致其作业范围狭小，所以它的使用场合较少[16]。
伸缩臂式高空作业车的升降机构由多节套叠、可伸缩的箱形臂组成。
当行驶时，作业臂收缩套叠；
当工作时，各节臂采用或独立、或顺序、或同步的方式伸缩，以此改变臂架的伸出长度来满足不同的作业需求。
该型式的主要特点是操作简单、动作平稳，同时可以获得较大的作业高度与作业幅度，因此应用非常广泛。
折叠臂式高空作业车的升降机构是由多节箱形臂铰接而成的。
折叠臂式通常采用2～3节折叠臂，各节臂的折叠和展开运动由各节臂的液压缸完成。
该型式的主要特点是适合较低高度的作业，升降机构灵活多样、适应性好、越障能力较强，因此它的应用也比较广泛[17][22]。
将折叠臂和伸缩臂结合在一起组成的臂架型式被称为混合臂式，这种臂架型式融合了两种基本型式臂架的优点，不仅作业高度和作业幅度较大，越障能力也较强，但它的结构也最为复杂。
根据以上的对比分析，油茶振动采收机举升部件的总体结构采用折叠臂式举升机构。
这种机构在液压缸的驱动下可以自由升降，且所占空间小，避障能力较好，其主要部件包括转台，上臂，下臂，机械手爪，液压伸缩缸等。
根据任务要求最大作业举升高度为2.5m，根据油茶树株距可知最大作业半径大概为2.12m，上臂拟定最大仰角为60度，下臂拟定最大仰角为45度，机械手爪及连接部分大概为1m长，不妨设上臂长为L2，下臂长为L1，上下臂铰接点之间的距离为0.25m。
根据图3上下臂示意图有：
图2上下臂示意图
Fig2Theschematicdiagramofupperandlowerarm
（3）
（4）
将数据代入（3）、（4）式中求得L2≈1805.97mm，L1≈970.01mm,所以可取L2为1820mm，L1为1000mm。
2.3.2转台
转台属于油茶振动采收机执行机构的回转机构，能够扩大幅度作业范围。
其上端
铰接下臂，通过变幅油缸支撑下臂举升。
由左右支撑板、变幅油缸座、底板、以及其它一些加强板焊接构成。
转台模型如图3所示。
2.3.3下臂
下臂也叫做大臂，它起到支撑上臂的作用，它由左右槽钢、两端的组合板、伸缩油缸支座、变幅油缸支座组成。
其中大臂各板件是焊接而成，各轴套也是焊接在相应的销轴孔内。
下臂模型如图4所示。
图3转台
Fig3Assemblyofturntable
2.3.4上臂
上臂的作用就是下端铰接下臂，上端铰接液压伸缩缸，是由上臂油缸及调平油缸支座、以及相应的加强板焊接而成。
调平油缸上端铰接在上臂的油缸支座上，下端与铰接于振动液压伸缩缸上的紧固架铰接在一起，通过拉动该紧固架保证振动液压伸缩缸始终处于水平位置。
上臂模型如图5所示。
图4下臂
Fig4Assemblyoflowerboom
图5上臂
Fig5Assemblyofhigherboom
2.3.5机械手爪
机械手爪的主要作用是抓住油茶树。
其主要由机械手爪，加强焊接件组成，其上连接有液压伸缩缸，连接架等。
机械手爪模型如图6所示。
图6机械手爪
Fig6Assemblyofmanipulatorclaw
3液压系统设计
3.1举升部件的示意结构
折叠臂式举升机构的工作原理简述如下：
油茶振动采收机开至工作地点，根据工作状态调整好距离，回转车厢工作台至需要位置，然后利用上、下臂油缸的动作配合是机械手爪达到需要的工作高度和角度，再利用液压驱动机械手爪做来回反复运动，以实现油茶振动采收。
工作结束后，通过液压控制是举升机构恢复原来状态[18][24]。
举升机构由转台，臂架及液压伸缩缸三个基本部分组成。
它的工作方式是:
1、油茶振动采收机停好后，通过调节转台使举升机构达到合适位置；
2、通过各伸缩液压缸的协调运动,使连接在4号液压伸缩缸上的机械手爪处于合适高度及角度；
通过以上各种动作的组合,协调完成机械手爪的空间定位。
3.2液压系统的要求
总体要求各种独立及协调动作必须收放平稳、无抖动、晃动现象；
在作业过程中不得有回缩现象,在收回状态时不得由于自重而下落。
上、下臂工作时,应保证起升、下降作业时动作平稳、准确、无爬行、振颤、冲击及不出现驱动功率异常增大等现象；
工作平台在额定载荷下工作时,应能在任意位置可靠制动[26]。
3.2.1上臂油缸动作回路
运动方向由手动换向阀A来控制,缸杆4可快速伸出,缩回时为避免由于自重而快速下落,在油路上串联节流阀3调节速度,同时串联液控顺序阀4,以保证在任意位置停止时,油缸不会因为自重而下落。
液压油缸2的最大伸缩量
可根据图9求得：
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