智能水果采摘機械手臂的研究＊

吳麗源 ， 潘文杰 ， 黃友霞 ， 周 菁

（安徽三聯(lián)學院機械工程學院，安徽 合肥 230601）

1 研究背景

我國作為一個農(nóng)業(yè)國家為了促進農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械化、自動化與智能化是實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，并成為農(nóng)業(yè)發(fā)展力量的必要條件。近年來，隨著我國自動控制和機械臂技術(shù)的迅速發(fā)展，機械臂從工業(yè)領(lǐng)域逐漸滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)機械臂能夠滿足采摘的要求成為關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。在收獲的時候，采摘需要大量的人力物力資源，并且效率不高。水果富含營養(yǎng)，對人體有很多好處，人們對水果的需求與日俱增。因此，水果種植面積逐漸增加，而采摘是種植過程中最耗時的，所以水果采摘機械手臂的設(shè)計具有重要意義。

2 水果采摘機械手臂的設(shè)計方案

日常生活中水果的種類繁多，每種水果的生產(chǎn)環(huán)境有所不同，果樹的高度也有所不同。本文主要研究關(guān)于蘋果等水果類采摘智能機械手臂的研究。本機械手臂主要包括兩部分，分別是兩自由度的移動載體和四自由度的機械手臂。機械手臂的第一自由度控制機械手臂底座的轉(zhuǎn)動，二三自由度控制機械手臂伸展，第四自由度控制機械爪的張開與閉合。機械手臂的結(jié)構(gòu)簡圖及傳動簡圖如圖1、圖2所示。

圖 1 機械手臂的結(jié)構(gòu)簡圖

圖 2 機械手臂的傳動簡圖[2]

2.1 采摘機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)機械手臂工作時動作形態(tài)中坐標形式的不同，農(nóng)業(yè)機械手臂可分為以下四種：圓柱坐標型、直角坐標型、極坐標型和多關(guān)節(jié)型。

1）圓柱坐標型。該類機械手臂的工作范圍是一圓柱體，它是由轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)組成的機械臂，結(jié)構(gòu)比較簡單。它主要是由垂直柱子、水平移動關(guān)節(jié)和底座構(gòu)成[3]。這類機械手臂的水平移動關(guān)節(jié)裝在垂直柱子上，能自由伸縮，并可沿垂直柱子上下運動；垂直柱子安裝在底座上，并與水平移動關(guān)節(jié)一起繞底座轉(zhuǎn)動。圓柱坐標型機械手臂的特點有：占地面積比較小，活動范圍比較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊，定位精度比較高等。但是，靈活度比較差是圓柱形機械手臂的主要缺陷。

2）直角坐標型。直角坐標系末端執(zhí)行器的工作位置是由三個相互垂直的并且做直線運動的軸來確定的。這種機構(gòu)比較簡單，適合自由度要求不多的機械手臂，由于三軸互相垂直，可以當成空間直角坐標系來看，所以這一類的機械臂定位都是很精確的[4]。但是這類機械手占地空間比較大，靈活性不好，如果用在農(nóng)業(yè)上會存在一定局限性。

3）極坐標型。極坐標型的機械手臂的工作行程和路徑是半個球的形狀。極坐標型的機械手臂的形成與旋轉(zhuǎn)坐標型機械手臂比較相似，極坐標型手臂同樣也可以非常靈活地抓取放在機械手臂旁邊的各種東西，就像旋轉(zhuǎn)坐標型手臂一樣，轉(zhuǎn)座帶動著整個手臂進行旋轉(zhuǎn)[5]。這個功能類似肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。極坐標手臂存在一定弊端，就是肩關(guān)節(jié)是無法伸展和彎曲的。它的第二個自由度的肘關(guān)節(jié)可以控制前臂的上下運動。它的第三個自由度實現(xiàn)的是前臂的各種伸展運動。前臂“內(nèi)部”關(guān)節(jié)的伸縮帶動著末端的夾持器在機械手臂上收放。要是沒有該關(guān)節(jié)，手臂只能抓取放在前面的一個有限的二維圓周里面的物體[6]。

4）多關(guān)節(jié)型。多關(guān)節(jié)機械手臂具有很高的靈活性，因為其具有很高的自由度，常見的有四軸、五軸和六軸，他們所對應(yīng)的工作范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊。工作過程中機械臂之間的干涉較小，能擬合空間任意曲線，自由編程，完成自動化的工作。關(guān)節(jié)型機械手臂也存在一定的缺點，那就是末端負載很有限，機械結(jié)構(gòu)的剛度較小。

在選用機械手臂的類型時，要考慮：首先機械手臂要移動到蘋果類水果的位置，其次要能選中所要采摘的水果，最后要能把它采摘下來。根據(jù)采摘蘋果類水果需要的條件，本文采用多關(guān)節(jié)四軸機械手臂。本機械手臂采摘的時候主要是把蘋果類水果的莖給剪斷，所以末端所需要的負載很小，這一點正好彌補多關(guān)節(jié)機械手臂末端負載小的弊端[7]。機械手臂的實際尺寸是根據(jù)蘋果類水果生長高度來確定的。

2.2 采摘機械臂的傳動設(shè)計

本文設(shè)計的關(guān)節(jié)多為摘果輔助的四軸機械手臂，每軸配備TD8120MG的轉(zhuǎn)向器，輸出扭矩為10kg/cm。通過控制舵機的運動，依次控制機械手的運動，實現(xiàn)果實的采摘[8]。當舵機收到一個簡單的控制命令時，可以根據(jù)命令自動轉(zhuǎn)向一個相對準確的角度，所以舵機非常適合多關(guān)節(jié)機械手臂使用。舵機的結(jié)構(gòu)簡單，由直流電動機、電機控制器和減速機等組成，然后封裝在一個外殼中，便于安裝伺服單元[9]。這樣，相對簡單的輸入信號便可以實現(xiàn)相對準確的旋轉(zhuǎn)角度。舵機裝有電位計或其他角度傳感器，可以用于檢測輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度，而控制板主要用于根據(jù)電位計的信息準確控制和保持輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度。

舵機工作時由控制電路接收信號源的控制信號，信號發(fā)給驅(qū)動器，再由驅(qū)動器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；齒輪組也就相當于減速機將電機的速度按照一定的減速比成大倍數(shù)縮小，通過P=FV可知當速度變慢，力就會增加，由此可以將電機的輸出扭矩放大相應(yīng)倍數(shù)，然后輸出。電位器和齒輪組的末級是一起轉(zhuǎn)動，從而可以測量舵機軸轉(zhuǎn)動角度；電路板負責檢測和判斷電位器舵機轉(zhuǎn)動角度，從而可以使舵機轉(zhuǎn)動到指定的角度，也可以使舵機保持在指定角度[10]。

舵機的控制通常需要一個大約20ms的時間脈沖，這一時間脈沖的高電平一般是0.5ms～3.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。180°角度伺服馬達所對應(yīng)的控制關(guān)系如下：0.5ms-0；1.0ms-45°；1.5ms-90°；2.0ms-135°；2.5ms-180°，如圖3所示。

圖 3 舵機控制的角度時間圖

2.3 采摘機械手臂底座設(shè)計

機械臂靈活的移動范圍相對較小，這就導(dǎo)致了機械臂在果園中無法自由移動去采摘果實，為了解決這一問題，可以設(shè)計一個可移動的機械臂底座，以增加機械臂的靈活性，適用于果園摘果。蘋果果實的生長地面一般不平坦。因此，所選的機械臂應(yīng)該能夠在各種路面上前進，以方便后續(xù)采摘移動。因此，可以選用履帶式車輪、平板式車架，這使得機械臂的運動平穩(wěn)，容易固定。

2.4 采摘機械手臂底座控制傳動設(shè)計

底座的傳動方式選取普通的360馬達，該馬達軸長12mm，軸徑2.4mm，底座的控制采用遙控控制。機械手臂底座的控制板接線要注意細節(jié)，發(fā)射板按下，打開底座上開關(guān)，底座就會行走。

3 機械手臂的控制流程

該裝置增加了電控集裝箱、電機槽、軸承套、原理箱，此外靈活使用軸承達到高空潤滑和連接緊固裝置的作用。本裝置還利用人的手和手臂的動作，實現(xiàn)對輪式機械手動作的操控，使操作更為形象和準確；作品還裝配了目標定位監(jiān)控的無線攝像頭，擴大了使用范圍；同時，還實現(xiàn)了目標自動定位功能，體現(xiàn)了作品的智能化，進一步提高了工作效率。具體控制流程如圖4所示。

圖 4 機械手臂控制流程圖

4 結(jié)束語

我國是水果生產(chǎn)及消費大國，每當面臨水果收獲季節(jié)時，勞動力短缺，水果的采摘成為大問題。因此，對智能水果采摘裝置進行研究有極大的應(yīng)用價值。農(nóng)業(yè)對機械化的需求在不斷攀升，機械手作為一種較為先進的農(nóng)業(yè)采摘工具，在水果采摘中起著至關(guān)重要的作用。它從模仿人手臂動作的角度出發(fā)對智能水果采摘裝置進行研究，從而解決采摘季節(jié)勞動力短缺等問題，實現(xiàn)了農(nóng)機結(jié)合，緩解了農(nóng)民生產(chǎn)與經(jīng)濟壓力，進而促進國家經(jīng)濟的發(fā)展。