自動(dòng)分揀系統(tǒng)中機(jī)械手執(zhí)行部的設(shè)計(jì)

劉江彩 崔彪

摘要：本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)分揀系統(tǒng)中機(jī)械手執(zhí)行部，應(yīng)用在基于視頻智能識(shí)別的分揀系統(tǒng)中，可以大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。以河北省種植面積最大的梨樹為例，通過在梨樹果實(shí)的各個(gè)生長(zhǎng)周期中果樹從開花、授粉、疏花、蔬果、套袋、去袋、采摘操作等需求設(shè)計(jì)不同機(jī)械手執(zhí)行部，從而滿足一臺(tái)帶分揀執(zhí)行部的機(jī)械手，可以替代8-15人的人工分揀。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;執(zhí)行部;自動(dòng)分揀

一、設(shè)計(jì)題目的提出及主要任務(wù)

目前，我國(guó)是世界上果樹種植最廣泛的國(guó)家，種植面積和產(chǎn)量均居世界第一。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《2018年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，我國(guó)果樹面積為11136千公頃，即1.67億畝。盡管有如此大的種植規(guī)模，果樹從開花、疏花、蔬果、套袋、去袋、采摘一直都是人工操作。由于作業(yè)場(chǎng)景復(fù)雜、果樹種類多樣性等原因，果樹機(jī)械管理智能化一直處于起步階段，百億級(jí)果樹智能化系統(tǒng)市場(chǎng)的大門遲遲沒有被打開。由于我國(guó)正處于農(nóng)村勞動(dòng)力人口減少、人口老齡化的階段，農(nóng)村剩余勞動(dòng)力越來越少，這也意味著，雇傭勞動(dòng)力完成果樹管理、勞作人員的費(fèi)用會(huì)不斷增加。即便如此，也面臨著無人可雇傭的尷尬局面。當(dāng)今在機(jī)器人與智能化日益普及的現(xiàn)狀下，誰先拿下“果樹智能化全生命周期管理控制系統(tǒng)”，誰就能拿下這塊空白市場(chǎng)的第一桶金。

由于各種果品形狀、大小、性質(zhì)不同，工作環(huán)境不同，需要有不同功能的末端執(zhí)行部。履帶車、機(jī)械臂、視頻智能識(shí)別軟件也日益廣泛應(yīng)用，唯有不同功能的末端執(zhí)行部未見上市。末端執(zhí)行部是集機(jī)械制作、機(jī)電傳感、控制于一體的綜合部件，末端執(zhí)行部是實(shí)現(xiàn)智能化果樹農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是各國(guó)在智能機(jī)械化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域急需解決的問題。

二、機(jī)械手的概述

機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，同時(shí)也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它能夠模仿人手和臂的某些動(dòng)作，從而通過這種功能進(jìn)行設(shè)置程序，進(jìn)行固定抓取、搬運(yùn)、或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)器人末端執(zhí)行器裝在操作機(jī)手腕的前端（稱機(jī)械接口），用以直接執(zhí)行工作任務(wù)。根據(jù)作業(yè)任務(wù)的不同，它可以是夾持器或?qū)Ｓ霉ぞ叩?。夾持器是具有夾持功能的裝置，如吸盤、機(jī)械手爪、托持器等;專用工具是用以完成某項(xiàng)作業(yè)所需要的裝置，如用于完成焊接作業(yè)的氣焊槍、點(diǎn)焊鉗等。并由此，將焊接機(jī)器人又可細(xì)分為：C02焊機(jī)器人、TIG焊機(jī)器人、MAG/MIG焊機(jī)器人、氣焊機(jī)器人、釬焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、激光焊機(jī)器人等。而目前機(jī)械手在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的較少，本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)分揀系統(tǒng)中機(jī)械手執(zhí)行部的設(shè)計(jì)就是為解決目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一系列問題，從而通過自動(dòng)化設(shè)備打造智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，提高產(chǎn)業(yè)效率。

三、技術(shù)路線

果樹智能化全生命周期管理控制系統(tǒng)由履帶車+機(jī)械臂+人工視頻智能控制系統(tǒng)+（自制）末端執(zhí)行部構(gòu)成。可以針對(duì)不同的果實(shí)的軟硬度、形狀等特征，開發(fā)新的人工智能軟件及配套的傳感器和末端執(zhí)行部，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

（一）控制方式

采用STM32單片機(jī)控制：?jiǎn)纹瑱C(jī)的存儲(chǔ)器用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。單片機(jī)的I/O引腳通常是多功能的且外部擴(kuò)展能力強(qiáng)，體積小，成本低，運(yùn)用靈活，易于產(chǎn)品化。面向控制，能有針對(duì)性地解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價(jià)格比。具有抗干擾能力強(qiáng)，適用溫度范圍寬。可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。

通過壓力傳感器感知物體抓緊力的大小，去控制螺桿電機(jī)的轉(zhuǎn)角，進(jìn)而控制氣缸的壓力;重力傳感器感知物體重量的大小，重力信號(hào)反饋給單片機(jī)做計(jì)重存儲(chǔ)，待計(jì)重確認(rèn)后，單片機(jī)執(zhí)行后續(xù)相關(guān)動(dòng)作。采用柔觸分揀裝置，借助壓力傳感器、荷重傳感器采集信息輸入到控制器中，及時(shí)檢測(cè)裝置外部變量，調(diào)整電氣控制裝置完成機(jī)械部分動(dòng)作。執(zhí)行部的控制器采用高速的微控制器，與圖像識(shí)別裝置建立通信連接，完成物品抓取動(dòng)作。

（二）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的自動(dòng)分揀系統(tǒng)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，為了機(jī)械手能在農(nóng)業(yè)中穿梭方便內(nèi)置電池，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

四、對(duì)梨樹生長(zhǎng)周期各種形態(tài)進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械手

（一）疏花

在梨樹開花初期，為了確保梨樹產(chǎn)果質(zhì)量，一般會(huì)進(jìn)行人工疏花。關(guān)于控制梨樹的合理負(fù)載有句話是“疏果不如疏花，疏花如疏蕾，遲疏不如早疏”。所以，如果現(xiàn)在梨樹正處于花蕾期，那就要開始疏蕾了，疏蕾講究越早越好，一般在花序分離初期進(jìn)行，疏去弱蕾。如果沒來得及疏蕾，那就要疏花了，因?yàn)槔鏄?個(gè)花序中邊花先開，所以疏花時(shí)應(yīng)留邊花，疏去晚花、中心花，初花期的花一般都是好花，應(yīng)全部保留，一個(gè)花序應(yīng)保留3-5朵邊花。

我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手疏花蔬果末端執(zhí)行工具主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動(dòng)作;通過搖桿來控制手臂到達(dá)相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉多余的弱花和畸形果。

（二）授粉

人工梨樹人工授粉可使用點(diǎn)授、撣授法以及液體噴霧授粉這三種方法，在點(diǎn)授方法中，授粉時(shí)間最好是在開花當(dāng)日或是次日，選擇毛筆、軟雞毛或是橡皮擦作為沾花粉的器材，間隔20厘米點(diǎn)授1個(gè)花序，每個(gè)花序中可點(diǎn)授1～2朵花。

我們?cè)O(shè)計(jì)的授粉執(zhí)行器主要以旋轉(zhuǎn)氣缸為基礎(chǔ)，在旋轉(zhuǎn)氣缸旁增加兩個(gè)限位氣缸。啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)工作碰到兩個(gè)限位氣缸可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)功能;在旋轉(zhuǎn)氣缸上固定一把毛刷（毛刷規(guī)格可自行規(guī)定）。毛刷通過旋轉(zhuǎn)氣缸的動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)人工授粉的要求。

（三）蔬果

1.按距離留果：一般梨樹每15-20cm留一個(gè)果，強(qiáng)樹壯枝留果距離稍近，10-15cm留一個(gè)果，弱樹、弱枝留果稍遠(yuǎn)，20-25cm留一個(gè)果。

2.看果苔副梢留果：果苔副梢強(qiáng)壯，2個(gè)副梢留雙果，一個(gè)副梢、中弱副梢留單果，無副梢的花序不留果。

3.以花序位置留果：在一個(gè)花序中，選留下部的1-2個(gè)果，其果柄長(zhǎng)粗，能長(zhǎng)成大果，果形標(biāo)準(zhǔn)。疏去花序上部的花果。

4.整棵協(xié)調(diào)布局：樹冠內(nèi)膛和下層適當(dāng)多留，外圍和上層少留;輔養(yǎng)枝多留，骨干枝少留;骨干枝中部多留，下部少留;盛果期樹背上枝多留，背后枝少留;花多樹弱時(shí)少留。

我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手疏花蔬果末端執(zhí)行主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動(dòng)作;通過搖桿來控制手臂到達(dá)相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉多余的弱花和畸形果。視覺系統(tǒng)中設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)花果形態(tài)規(guī)格，機(jī)械手執(zhí)行器會(huì)根據(jù)視覺系統(tǒng)鏡頭對(duì)不合格的花果進(jìn)行處理。疏花疏果的總體原則是：保證產(chǎn)量，提高品質(zhì)，選優(yōu)去劣，調(diào)節(jié)分布。

（四）套保護(hù)紙袋

1.紙袋的選擇

目前市場(chǎng)上梨紙袋種類繁多，應(yīng)合理選擇紙袋。不同的梨品種，在紙質(zhì)、紙層和顏色上均有不同要求。對(duì)紙袋的基本要求是：遮光度良好，經(jīng)風(fēng)吹雨淋后不易變形、不破損、不脫蠟，雨后易干燥，對(duì)梨果的不良影響小。袋的規(guī)格通常為寬14-16厘米，長(zhǎng)18-19厘米，袋口中間有一半圓缺口，便于張開紙袋，袋口底部?jī)蓚?cè)有出氣孔，便于雨水流出，以免袋中積水。

2.套袋注意事項(xiàng)

（1）套袋順序：先套上部果，再套下部果，先套內(nèi)膛果，再套外圍果。

（2）綁扎松勁要適當(dāng)，不要用力過大，防止折傷果柄，拉傷果柄基部或捆扎絲扎得過緊影響果實(shí)生長(zhǎng)或過松導(dǎo)致刮風(fēng)時(shí)果實(shí)脫落。

（3）袋口不能扎成喇叭口狀，以防積存雨水、藥物流入袋內(nèi)或病蟲進(jìn)入袋內(nèi)，也不要把葉片套入袋內(nèi)。

（4）套袋時(shí)，通氣放水口一定要張開，果實(shí)一定要處于袋子中部。

（5）套袋期遇雨或藥后6天未套完者，應(yīng)重新細(xì)致噴藥。

（6）露水未干或藥液未干時(shí)不能套袋。

（7）梨果套袋最好全園、全樹套袋，便于套袋后的集中統(tǒng)一管理。若要部分套袋則要選擇初盛果期的中庸或中庸偏強(qiáng)樹，不要選擇老弱樹、虛旺樹、病樹、孤樹、風(fēng)口樹、小老樹。

我們?cè)O(shè)計(jì)的套袋執(zhí)行器為圓形手爪，在圓形手爪下面安裝一個(gè)底座用來裝紙袋;我們利用氣缸的伸縮來控制機(jī)械環(huán)形伸縮裝置。并且在執(zhí)行上安裝充氣裝置，避免袋口變形套袋失敗。在套袋前提前將袋充氣，使全袋膨膠起來，兩底角的出水氣孔張開。在袋口下2-3厘米處，套上果實(shí)，從中間向兩側(cè)依次折疊袋口，幼果懸空在袋中，不與袋壁貼附果實(shí)袋，應(yīng)捆綁在近果臺(tái)的果柄上部，注意應(yīng)將梨果置于袋中央部位，使之懸空，以防止紙袋摩擦果面而形成銹斑。綁口時(shí)不能把袋口綁成喇叭狀，以免積存藥液流入袋內(nèi)，引起藥害。每花序套1個(gè)果，1果1袋。我們?cè)谔状鼒?zhí)行器的上方安裝扎口執(zhí)行器，當(dāng)套袋完成后對(duì)其封口進(jìn)行扎口，扎口由鐵絲扎口釘通過對(duì)封口進(jìn)行夾緊，鐵絲釘對(duì)其封口夾緊后完成自動(dòng)套袋操作。

（五）在果樹成熟后去掉保護(hù)紙袋

梨果套袋后比不套袋梨果含糖量有所下降，采前除袋在一定程度上增加果實(shí)的含糖量，反而對(duì)果點(diǎn)和果皮顏色有較大影響，所以采前除袋降低了套袋改善果實(shí)外觀品質(zhì)的效果。因此，對(duì)于不需要著色的品種應(yīng)帶袋采收，等到分級(jí)時(shí)除袋，這樣可以防止果實(shí)失水、碰傷和果面的污染。

我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手去保護(hù)袋末端執(zhí)行工具與疏花疏果執(zhí)行器為同一個(gè)，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動(dòng)作;通過搖桿來控制手臂到達(dá)相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉保護(hù)袋。

在果實(shí)成熟后有選擇性地采摘：

實(shí)商品化處理主要包括選果、分級(jí)、單包裝、裝箱等環(huán)節(jié)。

（1）選果時(shí)首先剔除病蟲果、畸形果、機(jī)械損傷果、小果、不符合衛(wèi)生指標(biāo)果。分級(jí)按果實(shí)大小、形狀進(jìn)行分級(jí)。

（2）單果包裝用于遠(yuǎn)銷、冷藏的應(yīng)進(jìn)行單果包裝，包裝材料選用網(wǎng)套、包裝紙等，袋梨果可不摘袋即作單果包裝。

（3）裝箱同一箱同一批采用同一等級(jí)果，同-箱中要求果實(shí)大小基本一致，放置時(shí)要求果實(shí)排列整齊、果梗側(cè)斜朝、層間用紙板隔開。

我們?cè)O(shè)計(jì)的采摘執(zhí)行器主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動(dòng)作;通過搖桿來控制手臂到達(dá)相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠剪下梨果的枝藤。在剪刀執(zhí)行器下方安裝柔性6爪執(zhí)行器，收集摘取的梨果后裝入收集箱。

（六）采摘后根據(jù)大小品質(zhì)自動(dòng)分揀

梨外觀等級(jí)規(guī)格指標(biāo)分為特等、一等、二等，要求充分發(fā)育，成熟，果實(shí)完整良好，新鮮潔凈，無異味、不正常外來水分、刺傷、蟲果及病害。色澤具有本品種成熟時(shí)應(yīng)有的色澤，果形端正比較端正可有缺陷，但不得有畸形果果面缺陷。

我們?cè)O(shè)計(jì)的自動(dòng)分揀機(jī)械手執(zhí)行部，機(jī)械手設(shè)有6根柔性軟爪，主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制軟爪緊和松的動(dòng)作;通過視覺相機(jī)對(duì)梨進(jìn)行圖像采集，根據(jù)梨的大小通過視覺檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分類，再通過自動(dòng)分揀機(jī)械手執(zhí)行部將梨按照分類裝入到相應(yīng)規(guī)格收集箱中。

（七）分揀后自動(dòng)套保護(hù)網(wǎng)

在梨采摘分揀后需要將梨套一層保護(hù)網(wǎng)，防止在運(yùn)輸過程中磕碰對(duì)梨造成損壞。我們選擇的保護(hù)網(wǎng)為珍珠棉泡沫網(wǎng)材質(zhì)。保護(hù)網(wǎng)尺寸按照梨的規(guī)格選擇3款規(guī)格保護(hù)網(wǎng)，分別為：6x10cm、7x12cm、7x14cm。

我們?cè)O(shè)計(jì)的自動(dòng)套保護(hù)網(wǎng)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)械手設(shè)有4根弧形柔性軟爪，執(zhí)行部裝有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。機(jī)械手根據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)梨的規(guī)格確定后，機(jī)械手選擇相應(yīng)尺寸的保護(hù)網(wǎng)后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)到梨的上方，機(jī)械手4爪進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作，將保護(hù)網(wǎng)套中梨后4爪再翻回完成套保護(hù)網(wǎng)操作。

（八）套網(wǎng)后自動(dòng)計(jì)重裝箱：

自動(dòng)計(jì)重裝箱操作主要是通過碼垛機(jī)械手將不同外形尺寸的包裝貨物，整齊、自動(dòng)地碼（或拆）在托盤上（或生產(chǎn)線上等）。為充分利用托盤的面積和碼堆物料的穩(wěn)定性，機(jī)械手具有物料碼垛順序、排列設(shè)定器。可滿足從低速到高速，從包裝袋到紙箱，從碼垛一種產(chǎn)品到碼垛多種不同產(chǎn)品。應(yīng)用于搬運(yùn)、碼垛等。

自動(dòng)計(jì)重裝箱執(zhí)行器機(jī)械手采用6爪執(zhí)行器，為減少抓取起來的梨掉落，在機(jī)械執(zhí)行器手抓上面設(shè)有橡膠涂層，增大機(jī)械執(zhí)行器手爪與瓜類的摩擦力。并且我們?cè)?爪執(zhí)行器上安裝了拉力傳感器，拉力傳感器會(huì)產(chǎn)生細(xì)微拉伸，通過拉力傳感器的細(xì)微拉伸距離從而判定梨的重量。

五、結(jié)語

在國(guó)內(nèi)，果樹種植在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占了很高的比例，而果品分揀僅僅局限于采用人工分揀，或?qū)⒐分饌€(gè)放置到載有托盤的傳動(dòng)帶的分揀機(jī)上分揀，效率很低，且經(jīng)過多次轉(zhuǎn)運(yùn)容易損傷果品。設(shè)計(jì)自動(dòng)分揀系統(tǒng)中機(jī)械手執(zhí)行部，應(yīng)用在基于視頻智能識(shí)別的分揀系統(tǒng)中，可以大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新

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