水果分拣平台开发设计毕业论文.docx
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水果分拣平台开发设计毕业论文
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摘要
作为世界水果生产第一大国，我国的水果行业在水果分拣方面一直面临巨大挑战，为迎合市场实际需求现设计一款水果分拣平台，该平台的核心机构为六自由度机械臂是，由一系列关节连接起来的连杆所组成，各零件间用螺栓和螺母连接，转动轴配有轴承。
在满足设计要求和强度的情况下，尽量减少材料用量。
用D-H法求解给定六自由度机械臂的位姿矩阵与运动学方程，建立出相应的数学模型，利用MATLAB软件进行编写程序，利用好结构参数，求出方程的最佳结果，因为每个关节都有相对应最佳转角，对各个末端执行器求解并进行运动仿真。
为提高仿真程序的普适性，在手爪末端添加一个移动自由度。
关键词:
水果分拣平台六自由度机械手MATLAB
Abstract
Astheworld'slargestfruitproductioncountry,China'sfruitindustryhasbeenfacinggreatchallengesinfruitsorting.Inordertomeettheactualdemandofthemarket,afruitsortingplatformisdesigned.Thecoremechanismoftheplatformisa6-DOFmechanicalarm,whichiscomposedofaseriesofconnectingrodsconnectedbyjoints.Thepartsareconnectedbyboltsandnuts,andtherotatingshaftisequippedwithbearings.Undertheconditionofmeetingthedesignrequirementsandstrength,thematerialconsumptionshallbeminimized.TheD-Hmethodisusedtosolvetheposematrixandkinematicsequationofthegivensixdegreeoffreedommanipulator,andthecorrespondingmathematicalmodelisestablished.TheMATLABsoftwareisusedtoprogram,andthestructuralparametersareusedtogetthebestresultoftheequation.Becauseeachjointhasthecorrespondingoptimalangle,eachendactuatorissolvedandthemotionsimulationiscarriedout.Inordertoimprovetheuniversalityofthesimulationprogram,amovingdegreeoffreedomisaddedattheendofthegripper.
Keywords:
fruitsortingplatform6-DOFmanipulatormatlab
1绪论
1.1关于水果分拣平台课题背景及研究的目的与意义
背景：
中国在世界水果生产是第一大国，在我国，水果生产业一直以来都是种植产业中的一大重要组成部分，据统计，我国的水果的种植总量可占世界的水果的种植总量的25%左右，并且该数值每年都在急剧增长，从2014年到2019年，四年间我国的水果产量从2.33亿吨增加到了2.63亿吨。
随着总产量的迅猛增长，水果行业对各类满足产品生产的机器也有了更多的需求，然而，虽然我国如今的水果总产量和品质较高，在国际上趋于较为高端的水平，但是我国水果行业在国际市场上的竞争却一直疲软，行业现状为：
以国内市场为主，出口占比在国际上远低于种植总量占比，贸易额和总产量有着巨大差距。
以上现象的根本原因在于我国的水果行业的商业化程度低，导致产品的竞争能力不高。
产品是否具有核心竞争力主要取决于产品品质是否优良和产品的处理是否高效。
而我国生产的水果品质已有较高水准，因此竞争力低的根本原因为水果产后处理能力较弱，在分拣、包装、码垛、营销等地方与其他国家相比有着严重不足。
意义：
水果通常在采摘、清洗和打蜡等环节后还要经过分拣，按不同的规格分类包装，由于水果的检测与分类技术自动化程度不高，水果分拣环节大部分仍然由人工完成，而人工作业效率低下浪费大量时间成本，水果具有难保存易腐坏的特点，采摘后处理的时间有限，若不尽快处水果腐烂变质后就不能利用，造成大量浪费，给水果产业带来大量损失。
因此提高水果分拣环节的生产效率是提高我国水果行业在国际上的竞争力的最关键所在。
水果分拣平台是人类智慧的结晶。
如今的企业中，人力物力仍然占很大一部分，企业想要得到更好的发展，就必须把人力物力这一块占比投入得更少，把精力都花在技术服务上。
[2在中国，水果自动分拣系统相对于其他国家来说开始得很晚，所以在很多关键技术上还是需要依靠国外技术，导致了设备成本会非常髙的问题。
在当今智能技术的蓬勃发展下，水果智能分拣技术在我国水果市场中一定会有很大的利用空间和广泛的应用。
1.2水果分拣技术研究现状
按目前我国分拣技术来说，针对于水果的检测和分拣这两方面的技术非常薄弱，直接导致我们很多一流的水果却不能以一流的价格进行售卖，所以会使得水果品质的附加价值属性没有被体现出来。
我国的分拣技术还有很大的提升空间，必须要把水果产后处理能力重视起来。
相对于国外的水果自动分拣分类技术的成熟，我国应用在水果分类这块技术发展得比较迟，由于相关设备成本较高的原因，所以许多技术应用仍属于实验阶段。
我国目前现有的水果检测技术还处于人眼与手动、半机械阶段，对人的感觉依赖性非常大，分类速度慢不说，准确率还很低，最重要的是可靠性也得不到保证，很难达到国际上的相关要求标准。
近年来，为了提高水果加工品质，国内外已在水果分拣领域取得了各种进展，市场上各类水果分拣方法各有利弊，大体上可分为以下几类：
按水果大小分拣的大小分拣法、按水果重量分拣的重量分拣法还有根据水果内外观品质分类的内外部品质分拣法。
1.2.1根据水果外形大小分拣法
这种方法是水果分拣法中使用得最为广泛使用的一种传统方法。
当前，滚筒式分拣法在日常中应用最为广泛，用滚筒式进行分类分拣法分拣水果的机器为滚筒式分拣法，该机器的主要组成有上料机构、导果机构、分拣机构以及下料机构等。
机器运行过程中，先要用倾斜输送器将水果提高到一定高度，之后经传送带将水果送入果箱中，开启阀门，并通过导果槽板，导果槽板通常设计为V型，以减少水果堆积，之后水果会进入分拣机构，分拣机构设计为滚筒式，滚筒上设有直径逐级增大的圆孔，水果自导果板落于滚筒边缘并落入与之对应大小的孔中进行自动校径分选，直径小于第一个分拣孔的水果由第一个分拣孔掉至果篮中，其余水果继续滚动，以此类推，最终大小相似的水果被分在同一果篮中，并被运送到下一个工序。
滚筒式分拣机器结构相对简单，制作成本不高且对水果的损伤小，效率较高，但局限较大只适用于球状水果。
除了滚筒式分拣机还有一些大小分拣机利用浮力、振动、光电传感器分拣，这些方法分拣效率较低，机器成本较高，但这些方法可以对水果进行无几乎零损伤的非接触性测量，而且能适用于绝大部分（90%）水果的分拣。
1.2.2关于水果重量的分拣法
重量分拣法相对大小分拣法对水果的损伤更小，通用性更大，但分拣精度低。
比较简便的按重量分拣法分拣的分拣机械常以杠杆原理为基础进行分拣，但这类机械比较原始，误差较大，不适用于大规模生产。
现在，市场上也有更复杂的机械重量分类器。
机械称重分选机可分为两种类型:
秤式固定式和秤式移动式。
近年来，传统称重方法逐渐被传感称重技术取代，以更为精准，便捷，高上限的姿态出现在我们面前，传感称重在现代科技中应用也越来越广泛，渗透在各行各业中。
随着科技潮流，国内外也随之跟上科技时代的步伐，研制开发出电子称重分拣机。
在微型主机控制系统中，接收来自压力传感器的输出信号并对信号进行采样、放大、滤波、转换、计算和处理，然后将控制信号传给输出终端，终端作出相对应的动作步骤，从而达到对水果分拣分选的效果。
在现有电子称重水果分拣平台的基础上，研发者重新对测控系统进行研究设计，用跟为先进的单片机控制技术取代了原来传统的PC控制。
该系统由微型主机控制，所以可以根据我们需要的分拣分选准则，能够有效地提高控制精度和机械手爪的灵活度，在现实应用前景具有很大的意义和必要。
以色列eshetilo公司和美国autoline公司生产的电子称重分离器在分离检测技术上已经是相当的成熟，效率高，分离精度高。
但由于设备操作比较复杂，成本也很高，所以要在中国推广使用的话会有一定难度。
我国对水果分拣平台研究设计还仍然在考察设计阶段，需要我们与国外技术进行一个更多的技术交流沟通，打造出具有中国特色的水果分拣平台。
1.2.3关于水果外部品质的分拣法
市面上水果的外观质量主要还是分为形态的大小、水果的表面缺陷、表皮的色料、形态及成熟度等物理因素来判断，水果的外部品质分类有光电色及光泽泽及PC电脑端图像处理泽等，彩色渴求法根据不同颜色的反射光波来区分果皮光泽度。
处理方法是利用电脑视觉技术，一次测量水果模样、水果大小、整个果实的损伤程度及类型、水果整体成熟度，并得出相对应的数值，依靠自己设定好的数值范围对水果进行分拣分选。
1.2.4对于水果内部品质分拣方法
用传统的变形法和声学法来检测水果内部品质不仅会水果内部结构造成不同程度的损伤，还会因为环境因素影响测试结果。
所以，随着近红外光谱与核磁共振技术不断发展，能很好的保护农产品内部结构不受损伤的同时，还能保证测量环境不受干扰，保证了水果内部含糖量，水果整体硬度，酸度和水果内部缺陷等测量数值的准确性，从而进一步以更加科学权威的方法去保证水果附加价值属性，保证一流水果以一流的价格售出。
其优点也是非常明显：
检测效率高，能同时对多种特性特质进行检测。
1.3水果分拣技术发展方向
水果分类系统一般以自动视觉为基础，通过摄像机收集水果和蔬菜的图像信号信息。
将水果作为目标转换成图像信号并将其传输到水果图像处理系统以获得有效的图像信息，例如像素分布、亮度和转换成数字信号的水果的颜色。
水果分类系统计算这些信号以提取水果特性，然后根据该分类的结果控制设备在现场生产线上的动作。
在水果分拣系统中，传统的手工分拣方法被自动分拣方法所取代，从而极大地降低了成本，提高了分选效率。
国内一些比较大型的水果生产企业主要依靠国外进口设备进行水果分类，费用高昂，无法由中小型水果生产企业承担。
我国正在进一步研究水果分类系统，但是在许多工业实践中使用较少。
为了响应我国水果和农产品自动化的加工需求，我们开发了一个研究与开发系统，以自动识别水果，并设计了一个自动实时低成本水果分类系统。
从该系统中，系统硬件选择低功耗高性能的树莓派平台与树莓派专用摄像头，对各种水果进行实时分类是与本发明中开发的实时水果分类算法结合进行的。
在排序之后，系统通过USB信号、串行端口或无线信号向上机器传输结果，从而便于由上机器处理下一机械控制模块。
1.4水果分拣平台课题的主要研究方向
1、为了使设计更加规范，合理，需要我们从各零件选型选材不断优化选择。
2、使用SolidWorks进行对设计造型建模。
3、为了使设计可行，可靠，各零配件关联，将会对零件进行装配及运动仿真，
2水果分拣平台机械结构设计
2.1分拣平台功能概述
本课题所研究的水果分拣平台能实现的主要功能为：
对苹果，香蕉，草莓，葡萄，西瓜，五种水果完成分类识别，在视觉的前提下，使用机械手进行对5种水果的分拣。
具体实现方法为在视觉的基础上，首先通过信号采集器（即摄像头）去采集获取对蔬果图像信号，并以水果为被抓取目标转换为图像信号，传送给水果图像处理系统。
通过传感器识别出不同大小的水果,利用机械手将识别的目标投放到机器上对应的存放区域。
当分拣机器手到达设定好的位置坐标时便自动完成对存放区域内水果的卸载工作。
机械爪需要达成如下要求：
1.机械手对不同水果的夹力的不同，找到对应水果的最合适的夹力。
2.确保机械手在夹运过程中的平稳，效率和准确性。
3.重复第二步骤，反复尝试选择不同的特征，最终调整出最优的水果分类算法。
水果分拣平台关键技术就是一个能够实现夹取水果的机械手，为了充分的实现夹取水果的这个功能，我们将机械手六个转动自由度的旋转动力依靠MG996-R舵机实现。
2.2结构设计及舵机参数
2.2.1水果分拣平台工作原理
在视觉的基础上，通常通过摄像头采集蔬果图像信号，以水果为被摄取目标转换为图像信号，传送给水果图像处理系统。
传感器用于识别不同大小，形状，类型的水果，机械手将识别出的水果放入机器相应的存放区域中。
分拣机器人到达指定位置后，自动在储箱中进行水果卸货处理。
若要保证精度和效率，就需要通过运动仿真等相关软件，对果蔬的主要操作部件进行有效的捕捉、分析和优化。
为了确定最佳的参数值，建立了一个测试平台来验证测试的成功。
反复优化选取的特征参数，最后设计出一种可行的水果分类算法，完成对常见的5种水果（苹果，香蕉，草莓，葡萄，西瓜）进行分类识别。
2.2.2水果分拣平台机械臂结构设计
通过搜集资料，在舵机驱动六自由度机械臂原型中，选择如图所示结构。
该种原型的优点突出。
首先，结构简单，构成骨架的基础件种类少易加工，主要尺寸可由舵机尺寸推导得出，减少了设计难度。
其次，零件由板材加工而成，在节省材料简化工艺的同时兼顾了强度。
关键在于，舵机扭矩有限，板材重量轻，载荷小，具有较高的可行性；整个机械手的自由度很高，完全能够满足课题要求的水果分拣工能，在机械手的尾部，我们通过手爪的开合实现对水果的抓取和放下，这一部分也是依靠电机驱动的，电机顺时针转动时，手爪合上，反向转动时，手爪打开。
图2.1水果分拣平台机械臂设计原型
2.2.3舵机参数
MG996-R舵机的主要参数如下表。
表2.1MG996-R舵机主要参数
重量：
55g
工作电压：
5-6V
尺寸：
40*20*36.5mm
工作电流：
>100mA
速度：
0.14sec/60°6V
死区设定：
4us
堵转扭矩：
13kg/cm6V
类型：
模拟单轴
2.3基础件的选择
基础结构件是构成机械臂骨架的主要结构，其与MG996-R舵机共同构成六自由度机械臂的“躯干”。
根据原型结构，基础件主要包括长U形支架、L形支架、长L形支架、U形横梁等。
图2.2转轴关节配合图
长U形支架是与舵机相连，用来固定舵机，同时充当连杆的结构。
U形末端互为对称的套孔是舵机输出轴（也是关节转动轴）的定位孔。
如图所示，是长U形支架、舵机、舵盘、长L形支架的配合示意图。
要避免干涉和连接稳定性，需满足舵机、舵盘、L形支架的配合总宽度等于长U形支架的跨度。
宽度比舵机厚度略宽。
同时，要使舵机无干涉的转动，长度必须大于长L形支架的长度，板材抗压强度有限，也不宜太长。
长L形支架作为舵机支座，基本尺寸与舵机一致。
舵盘是舵机配套零件，尺寸已确定。
综上，对于配合零件A、B的尺寸，有如下通式：
（2-1）
其中，为零件A配合面尺寸，在取加号时为A、B对应配合面在对应尺寸方向上的距离，在取减号时为A、B对应配合面在对
（2-1）
其中，为零件A配合面尺寸，在取加号时为A、B对应配合面在对应尺寸方向上的距离，在取减号时为A、B对应配合面在对应尺寸方向上的重合距离，为零件B配合面尺寸。
同理，对于n+1个零件配合时的情况，有如下通式：
（2-2）
根据此式列写方程和方程组便可求解每个零件的具体尺寸，不能确定的可以在满足条件的范围内取值。
计算结果（各零件的具体尺寸）见零件图，此处不表。
另外，U形横梁是构成机械臂底座的零件，并没有配合要求，故其尺寸根据整体协调要求自行确定。
2.4连接件的选择
连接件作为连接基础件的零件，需要保证通用性，应该以标准件为主。
舵机与长L形支架间的连接，由于舵机孔直径为4.2mm，故选择M4的螺栓和螺母。
其标准代号分别为GB/T5783M4*10和GB/T6170M4。
输出轴因与长U形支架定位孔在存在相对转动的同时还需要接触支撑，故需要添加轴承，选定标准代号为的深沟球轴承。
其他部分的连接使用M3的螺栓和螺母。
其标准代号分别为GB/T5783M3*8和GB/T6170M3。
2.5手爪的选择
手爪主要参考已有手爪设计绘制。
如图所示，实践证明该种设计具有多种优点。
（1）基础结构是双摇杆机构，运动原理简单，同时容易控制。
在只使用一个电动机驱动时，选用双摇杆机构可以同时完成工件旋转和旋转中心本身在一定角度内的摆动，成本较低。
（2）虽然它可以被设计来满足几乎两边的运动，但带有两个振荡器的单向曼尼福德机构的两边的运动是不对称的。
目标夹紧装置与扫帚杆同时接触是不合适的，也不常见，但只能在一定的时间内满足条件，爪爪只能在有限的尺寸下抓住目标。
对称结构可以提高机构对不同尺寸目标的适应性，同时还能提高手爪夹持运动的稳定性。
（3）两对称结构的原动件间用不完全齿轮进行啮合，缩短加工周期，使用一个舵机就能控制两个原动件的运动，简化了动力结构。
图2.3手爪装配体
2.6材料选择
树莓派控制的六自由度机械臂的用途以个人DIY和实验室使用为主，在材料选择上，应兼顾成本和防锈蚀，为基本部件选择的材料为45号钢。
45常用建筑钢，中碳浸渍。
能满足在工作需求的同时，成本低廉，性价比高，取材方便。
标准件的材料由国家标准确定。
手爪在尽量减轻质量的同时也有一定的强度要求，选用牌号为7075的硬铝合金。
在我们日常生活中7系铝合金是一种常见的合金，品种选择很多。
在很多用得到的铝合金场合中，7075合金强度指数最高，锌是该系列合金组成中的主要合金元素，少量镁元素可以提高材料的抗热性，同时可以提高强度，而密度仅为常用钢材的三分之一左右。
所以7075在减小自身负载的同时，保证了强度和硬度。
3关键零部件校核计算
3.1机械臂舵机负载校核
将水果分拣平台机械臂简化，得到简化模型，如图3.1所示，然后根据力矩公式可计算出各舵机的负载力矩、额定转矩以及机械臂的最大夹持重量，计算过程如下。
图3.1机械手臂简化模型
根据确定的材料，45钢和7075硬铝合金的密度为：
;
（式3-1）
3.1.1杆2与杆3间舵机负载校核
如图3.2所示，负载力矩为：
（式3-2）
而舵机额定转矩为：
（式3-3）
则允许的最大夹持重量为：
（式3-4）
其中，为手爪末端与转动轴的轴向距离，
（式3-5）
则
图3.2杆2与杆3三维模型
3.1.2杆3与杆4间舵机负载校核
如图3.3所示，负载力矩为：
（式3-6）
其中D为转动轴与原点间的距离。
允许的最大夹持重量为：
（式3-7）
图3.3杆3与杆4三维模型
3.1.3杆4与杆5间舵机负载校核
如图3.4所示，负载力矩为：
（式3-8）
允许的最大夹持重量为：
（式3-9）
综上，机械臂在空载状态下可以正常运动，允许的最大夹持重量为188.33g。
图3.4杆4与杆5三维模型
3.2螺栓的设计计算
该机械臂与底座是依靠螺栓联接的，由于此处为持续受力点，因此这个地方使用的螺栓是很有必要进行相应参数设计计算并且进行强度校核的。
机械臂与底座通过四个螺栓联接，四个螺栓的位置分布在一个直径60的圆上，通过测量的出，螺母最大受力为：
（式3-10）
由于该系统工作载荷比较稳定，所以可以取残余预紧力；而螺栓受到的总拉力等于残余预紧力与工作拉力之和，即。
螺栓在固定时会用到金属垫片，因此螺栓在安装时施加的预紧力：
（式3-11）
计算
。
根据螺栓危险剖面直径的强度计算公式（安全系数
）
（式3-12）
计算得。
。
考虑到安装的便利性，取
。
4机械手MATLAB仿真
4.1仿真原理
机械臂的六个自由度均为旋转自由度。
然而对于实际运用来说，全为旋转自由度的情况只是多种问题中的一种。
对于软件仿真来说，最重要的并非解决一个问题，而是通过程序语言的编写使其可解决多种问题，即，最重要的不是求特解而是求通解。
基于这种考虑，在编写MATLAB仿真程序时，我在原有六个旋转自由度的基础上添加了一个移动自由度和手爪末端执行器用于抓取物体的旋转自由度。
4.2D-H法
使用该方法可以将与机器人手臂或机器人手臂各关节相关的坐标系进行了整合，并使
用4X4均匀变换矩阵来描述相邻两根杆之间的位置姿态关系。
关节末端执行器相对于
参考坐标系的位置可以通过矩阵变换得到，从而给出了机械臂的运动方程。
D-H变换矩阵由四部分组成:
n为旋转矩阵，P为位置矩阵，0为透视矩阵，I为尺
度变换矩阵。
矩阵n是坐标系中x轴相对于每个关节的基本坐标系的方向宇宙。
矩阵。
是y轴相对于参考坐标系的方向余弦。
矩阵A是z轴相对于参考坐标系的方向余弦。
P
是坐标系相对于参考坐标系的相对位置向量。
0是--个所有东西都等于0和I的矩阵，
通常是[
（1）]，只有当相对于参考坐标系的相对坐标系除了旋转外还有长度变化。
，I
值不为1,其值为变化后长度与变化前基准长度的比值。
（式4-1）
我们用D-H法建立机械臂的位姿矩阵。
1
2
2.1
4.3位姿矩阵
机械手由一-系列相互连接配合的连接器组成，相对坐标系固定在机械手的每个关节
上，利用矩阵来描述这些坐标系之间的相对位置。
描述相对坐标系与下一-个连杆相对坐
标系之间的相对位置和姿态关系的一致变换矩阵4*4称为A.矩阵A是描述分段坐标
系之间的相对位置和姿态的一-致变换矩阵
若表示第一-个连杆坐标系对于基坐标系的位置和姿态，表示第二个相对坐标系相对
于第-一个坐标系的位姿，那么第二个坐标系在基坐标系中的位姿可由下列矩阵的乘积得
到:
=
（式4-2）
同理，若表示的是第三个连杆坐标系相对于第二个相对坐标系的位置和姿态，则：
=
（式4-3）
对于七自由度机械手（因为第8个自由度对末端执行器位置不会产生影响，所以不进行讨论），有下列T矩阵：
=
（式4-4）
确定了在给定的关节转角后末端执行器在基坐标系中的坐标位置。
图4.1机械手臂简化模型
上图为机械手臂初始状态时的简化模型。
O-XYZ为机械臂的基坐标系，此外每个关节处均固定一个相对坐标系。
杆1—杆8为机械手臂每两个关节间的连接操作臂，—6为每个关节处的关节转角。
初始状态下，在基坐标系XYZ中：
θ1为杆2在xOy面内绕z轴的转角。
Θ2，θ3，θ4，θ5，θ6为杆3、杆4、杆5、杆6、杆7在yOz面内绕x轴的转角。
Θ7为杆8沿杆7移动的距离。
根据结构设计，各杆长度为：
,令
。
各相对坐标系间的位姿齐次变换矩阵为
;
;
;
;
则在基坐标系中，机械臂在发生运动（θ2,θ3,θ4,θ5,θ6，θ7）后，每个关节末端坐标值为：
;
;
;
;
这些是机械臂的运动学方程。
根
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