多足行走自動摘果機器人的設(shè)計

陳敏生 徐梓麒 肖鈺倫 姚偉林 潘嘉偉 毛星 王杏進

摘 要：鑒于菠蘿的生長特性和地形環(huán)境，以及考慮到人工采摘的安全性與效率，設(shè)計了一個可控制其行走和采摘的多足機器人，該機構(gòu)操作簡單，安全性高，采摘效率快。工作時，采摘員控制機器人對菠蘿柄進行剪斷，從而順利采摘菠蘿。所以要對該多足行走自動摘果機器人進行總體設(shè)計，運用軟件對機械臂及其他機械結(jié)構(gòu)進行了虛擬建模，并對關(guān)鍵部件進行了校核，驗證了關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。此設(shè)計能夠有效地解決大部分果農(nóng)采摘菠蘿時的難題，促進了菠蘿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：菠蘿；采摘；機器人；多足；機械臂

0 引言

菠蘿，又稱鳳梨，為著名熱帶水果，為多年生水果，乃我國四大名果之一。菠蘿果實品質(zhì)優(yōu)良，營養(yǎng)豐富，含有大量的果糖，葡萄糖，維生素B、C，磷，檸檬酸和蛋白酶等物質(zhì)，能分解蛋白質(zhì)、幫助消化，有一定的利尿作用，對腎炎和高血壓者有益，對支氣管炎也有輔助療效。菠蘿有極好的經(jīng)濟價值，菠蘿葉中含有一種優(yōu)質(zhì)的葉脈纖維———菠蘿麻，是優(yōu)質(zhì)的紡織原料，具有很高的經(jīng)濟價值。

1 菠蘿采摘的現(xiàn)狀分析

菠蘿植株的葉片呈螺旋形排列，簇生于蓮上，菠蘿成熟時，葉片變?yōu)楦镔|(zhì)，呈劍狀，有些菠蘿品種的葉片邊緣還會長出剌來，易扎傷人的手。目前，絕大多數(shù)菠蘿的采摘是人工進行的，每到菠蘿的成熟期，采摘菠蘿的勞動強度大大加大，這是菠蘿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大難題。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，，機械化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異，所以實現(xiàn)水果產(chǎn)業(yè)的機械化迫不及待且有著重大的意義。水果的收獲是水果生產(chǎn)的重要部分，但是每到采摘時期，艱辛的采摘工作，過低的采摘效率，造成果實由于過于成熟而無法適時收獲，這讓果農(nóng)們吃盡了苦頭。菠蘿的釆收就是一個很典型的實例。為促進水果的發(fā)展，對水果采摘機械化自動化的研宄顯得格外重要。

2 總體結(jié)構(gòu)及工作流程設(shè)計

2.1 多足行走自動摘果機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該摘果機器人由多足行走裝置、機械臂、齒輪摘果剪刀、wifi視頻遠程遙控裝置及中央控制計算機組成。

2.2 系統(tǒng)工作流程

1）手機打開wifi連接該機器人發(fā)出的wifi信號，打開軟件獲取機器人摘果機械臂上的攝像頭傳送來的視頻和遙控按鈕頁面。

2）遠程遙控該多足行走自動摘果機器人進入菠蘿田，行走到菠蘿前，遙控摘果機械臂，機械臂末端齒輪剪刀進行剪切動作，將果柄剪斷。

3）機械臂恢復初始位置，機器人繼續(xù)向前，進入下一次工作。

3 主要部件的結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計

3.1 多足行走裝置的設(shè)計

基于仿生學原理，采用六足行走裝置，有利于在坑坑洼洼的菠蘿田地里行走，運動靈活，方便采摘工作。采用橡膠式防滑和觸地即停裝置，使該六足機器人不會在菠蘿田地中打滑和踩空，抓地更加有力，行走更加平穩(wěn)。

3.1.1 多足行走裝置的程序設(shè)計

該多足行走裝置由18個智能串口雙軸LX-16A數(shù)字舵機和一系列的連接件組成。該款舵機采用串行總線，通過控制板引出一個I/O口連接舵機，舵機之間通過雙接口進行上下串聯(lián)，達到一條線控制所有舵機的目的。

通過數(shù)據(jù)的運算，可以達到舵機的各種動作的完成，繼而使多足行走裝置達到：前行、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、站立及蹲下等動作。運用各種算法也可以達到觸地即停的效果，使多足行走裝置實現(xiàn)在凹凸不平的地面行走的功能。

3.2 機械臂及齒輪摘果剪刀的設(shè)計

機械臂采用3自由度設(shè)計，用于控制齒輪摘果剪刀進行精確的空間定位，摘果剪刀則采用2自由度設(shè)計，分別用于控制末端剪刀機構(gòu)的開閉和齒輪的旋轉(zhuǎn)。

本設(shè)計中，關(guān)鍵問題是對菠蘿果實的采摘，如果剪切機構(gòu)不穩(wěn)定造成剪不斷或者無法正常定位，將嚴重影響其工作的可靠性。該齒輪摘果剪刀通過齒輪與齒條的嚙合作用，能夠可靠并穩(wěn)定地實現(xiàn)剪切動作。

此機構(gòu)通過wifi視頻遠程遙控舵機旋轉(zhuǎn)使拉繩纏繞起來，綁在拉繩孔的拉繩使搖柄上的齒輪順時針旋轉(zhuǎn)向前推動齒條，從而帶動齒條刀片向上運動，與橡皮刀口配合完成剪切運動。成功采摘下菠蘿后，舵機反轉(zhuǎn)，釋放拉繩，由復位彈簧讓齒條刀片回歸常態(tài)。

3.2.1 機械臂及齒輪摘果剪刀的程序設(shè)計

采摘機構(gòu)也是由LX-16A數(shù)字舵機控制，所以其運行方法與行走機構(gòu)類似。

采摘機構(gòu)的程序設(shè)計有兩種，一個是采用反復掃描，二是按鍵定位。之所以采用兩種方法掃描，是為了彌補軟件遙控界面按鍵不足而作出的設(shè)計。因為在機械臂上有四個舵機控制，這既提高了采摘精度，也提高了控制難度，為此設(shè)計了兩種運動方法，也能讓遙控更加簡便，能對每個按鍵進行最大化的利用。同樣，該設(shè)計不會對整體遙控產(chǎn)生過大沖突，因為最底下舵機的左右掃動搖擺角度較小，采用掃動并不會有過多的時間損失，因此該設(shè)計方法是切實可行的。

3.3 wifi視頻遠程遙控裝置

本設(shè)計的遙控與監(jiān)控使用了WIFI視頻傳輸控制模塊套件實現(xiàn)，該模塊具有8M Flash，64M大內(nèi)存以及高清攝像頭，可以滿足需求。

通過手機APP進行遠程遙控與監(jiān)視現(xiàn)場的情況。APP上有10個按鍵分別執(zhí)行控制不同的功能。

左邊的上下左右分別控制六足的前后左右運動，中間的按鍵控制六足的起立和蹲下。右邊的左右控制機械臂的左右轉(zhuǎn)動，上下分別控制機械臂上面兩個舵機的前后運動。中間的按鍵控制機械臂剪斷和采摘果實。

4 結(jié)語

針對菠蘿作物的特殊性，設(shè)計出了一款相對簡單有效的多足行走自動摘果機器人，目前開發(fā)出的模型機器人已經(jīng)證明了技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性。該機器人的設(shè)計解決了人工采摘時被菠蘿果實上的芒刺和葉子上的銳齒刺傷的問題，使得使用者不用進入菠蘿田地便能摘下菠蘿，極大程度上解放了勞動力，節(jié)約了采摘成本。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、原理明確、操作方便，在實際運用中可以為使用者提供方便，可促進菠蘿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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