智能遠(yuǎn)程控制水果采摘機(jī)的研制

薛政坤　劉春麗

摘要：該采摘機(jī)是在傳統(tǒng)機(jī)械臂基礎(chǔ)上，采用了先進(jìn)的機(jī)械機(jī)構(gòu)、傳動方案和控制系統(tǒng)，使得果農(nóng)在采摘水果過程中更加地智能和便捷。采用SolidWorks軟件設(shè)計全部零件，可以實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)的動態(tài)仿真。該作品獲得了2017年遼寧省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)；舵機(jī)； 控制；機(jī)械臂

1 研制背景及意義

隨著世界人口的急劇增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所承受的壓力越來越大，對大規(guī)模、高效率的生產(chǎn)模式的需求也日益明顯。同時，科技的發(fā)展和各種理論、技術(shù)的突破，也使得這類生產(chǎn)模式成為可能。農(nóng)業(yè)機(jī)器人憑借其無疲勞、高效率的優(yōu)勢起到相當(dāng)重要的作用，自動采摘機(jī)器人正是在這種背景下誕生的。20世紀(jì)末開始，美國、日本、法國、印度等許多國家開始了對自動采摘機(jī)器人的研究，并取得了一定成果，但應(yīng)用情況并不樂觀。本作品運(yùn)用在智能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程（在家中或者控制室中）控制采摘機(jī)，完成整個采摘過程。其可以大幅度地節(jié)省人力，減輕勞動強(qiáng)度，提高采摘效率。具有應(yīng)用前景廣闊、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)勢，填補(bǔ)國內(nèi)空白。

2 采摘機(jī)的組成及工作原理

2.1 簡介

該采摘機(jī)由采摘收集系統(tǒng)和整理系統(tǒng)兩部分組成。采摘收集系統(tǒng)為機(jī)械臂采摘結(jié)構(gòu)，通過對舵機(jī)的控制，使得圖臂桿六自由度靈活的轉(zhuǎn)向擺臂，最頂端裝有夾頭（夾頭上安裝有用來剪枝的刀片），與此同時，還安裝有攝像頭用來回傳現(xiàn)場圖像。下半部分則為車體水果收集箱，其頂端采集回來的水果通過管道進(jìn)入車體，車體與管道的銜接處安裝有紅外傳感器，用來計數(shù)采集回來的水果數(shù)量并顯示在車體上的顯示屏上。水果進(jìn)入車體的管道后，會被車體內(nèi)的整理系統(tǒng)合理地擺放在車體內(nèi)。 當(dāng)收集箱集滿或完成采摘任務(wù)時，可控制車體的后背蓋全自動打開，此時后背蓋變?yōu)榧茉谲圀w與地面之間的斜坡，使得水果合理的卸出。

2.2 采摘收集系統(tǒng)

采摘收集部分裝有兩個刀片和一個環(huán)形漏斗，采摘時通過攝像頭將影像傳輸回來，可以選擇人工控制機(jī)械臂或者選擇機(jī)械臂自動采摘。采摘時環(huán)形網(wǎng)袋會套住果實(shí)，將果實(shí)的枝干部分靠入爪機(jī)構(gòu)中，爪子的合并使得刀片將枝干剪斷，使果實(shí)通過與環(huán)形漏斗滑入車體。

2.3 整理系統(tǒng)

整理系統(tǒng)由一個小型舵機(jī)和三個步進(jìn)舵機(jī)組成。用支架將三個步進(jìn)舵機(jī)組成XY軸平面坐標(biāo)系，運(yùn)用絲桿結(jié)構(gòu)將小舵機(jī)與一個運(yùn)輸小平臺連接，使支架上的小舵機(jī)連接的小型運(yùn)輸平臺可在XY坐標(biāo)系平面內(nèi)有序運(yùn)行。小舵機(jī)控制平臺開關(guān)，水果能夠正確墜入系統(tǒng)指定位置。

2.4 工作部分

在工作部分中，機(jī)械臂的頂端的夾頭上安裝有一套剪枝刀片，用于適當(dāng)?shù)臅r候?qū)χl的裁剪。機(jī)械臂的本體擁有五個自由度即可有五個獨(dú)立的關(guān)節(jié)運(yùn)動，手機(jī)端使用藍(lán)牙與51單片機(jī)端的串口藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)異步通信。機(jī)械臂的動作分別采用了無人工干預(yù)的全自動分配聯(lián)動算法，使控制變得相當(dāng)簡單。采集回來的水果經(jīng)過中間的減速緩沖帶進(jìn)入收集箱，為了確保水果的品質(zhì)，在車體收集裝置的入口處安裝了一個運(yùn)送平臺，水果進(jìn)入平臺后停止運(yùn)動。此時水果也遮攔住了入口處所放置的紅外傳感器，再經(jīng)過誤差排除即可完成一次有效計數(shù)。

車體內(nèi)部的整理系統(tǒng)將水果按程序有序整齊地排列在收集箱中，卸水果時，收集箱的后蓋自動打開，車體后蓋形成一定角度的斜坡以便水果自動傾倒到地面。車體內(nèi)配有LED燈管，在夜晚來臨或者光線不足時可以開啟燈光進(jìn)行光線補(bǔ)償。

2.5 顯示記錄部分

顯示記錄部分由紅外傳感器和顯示屏組成，它可以實(shí)時測出進(jìn)入箱體內(nèi)的水果個數(shù)，并通過顯示屏顯示出來。

2.6 控制原理

該機(jī)器控制系統(tǒng)為：嵌入式Openwrt系統(tǒng)的ARM控制板，手機(jī)電腦等終端設(shè)備直接連入網(wǎng)即可與此控制板通信。同時夾頭的上方也安放一顆720P的高清攝像頭并且使用常見的USB線與ARM控制板連接，最高可以以30幀的流暢度將采集到的現(xiàn)場的圖像信息通過Openwrt的ARM控制板回傳到控制終端。機(jī)械臂的本體擁有五個自由多即可有五個獨(dú)立的關(guān)節(jié)可運(yùn)動。手機(jī)端使用藍(lán)牙與51單片機(jī)端的串口藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)異步通信。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）巧妙運(yùn)用機(jī)械臂六自由度結(jié)構(gòu)完成復(fù)雜情況的采摘功能，在控制算法上采用獨(dú)創(chuàng)的聯(lián)動算法，讓操作者輕松上手。

（2）使用基于Linux內(nèi)核的開源嵌入式Openwrt系統(tǒng)，將該系統(tǒng)與路由器整合并掛載攝像頭完成遠(yuǎn)程圖像回傳，并結(jié)合手機(jī)App實(shí)施遠(yuǎn)程控制。

（3）利用舵機(jī)、電機(jī)以及設(shè)置運(yùn)送平臺，采摘回來的水果得以完好的進(jìn)入收集裝置中。

（4）在車體內(nèi)裝有整理裝置，可以使采集好的水果在車體內(nèi)有序地擺放，減少水果互相碰撞造成損傷。

（5）具有記錄功能，能準(zhǔn)確地反應(yīng)出箱體內(nèi)部水果的個數(shù)。

3.2 應(yīng)用

相比現(xiàn)階段我國國內(nèi)采摘機(jī)器，該采摘機(jī)具有多功能化、操作簡便、可靠性高、智能化等優(yōu)點(diǎn)。對該采摘機(jī)的使用者文化程度要求不高，使用方法簡單，維修維護(hù)方便，價格合理，便于果農(nóng)使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計，高等教育出版社，2005，12，203212.

[2]江耕華，胡來容，陳啟松.機(jī)械傳動設(shè)計手冊，煤炭工業(yè)出版社.

[3]胡小安，趙德安.果樹采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究最終報告，40000158X2006AA10Z254/01.中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，2014.

[4]周學(xué)才，李衛(wèi)平，李強(qiáng).開放式機(jī)器人通用控制系統(tǒng)[J].機(jī)器人，1998（1）.

基金項(xiàng)目：由遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助（項(xiàng)目編號：201810146050）

作者簡介：薛政坤（1997），本科，專業(yè)領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械電子工程；劉春麗（1972），講師，專業(yè)領(lǐng)域機(jī)械設(shè)計。