花卉采摘機械手末端執行器及控制方案的設計

殷紅梅，王 迪，呂 力

（1.淮安信息職業技術學院，江蘇 淮安 223003；2.淮安市高級職業技術學校，江蘇 淮安 223005）

0 引言

隨著花卉養殖用途的不斷推廣，人們對于花卉的需求的不斷提高，花卉已經成為人們提高生活質量，改善生活環境的一個重要用品。以玫瑰為例，采摘的玫瑰可以用在高級香水、醫藥、食品、化妝品、香精、香料、及工藝品。由于國內很多地區受氣候條件的限制，環境的約束以及玫瑰制作流程較為緩慢等問題，滿足不了市場的需求。目前，花卉采摘主要還是采用人工勞作，每到花卉收獲時節，都有大批農業勞動者加班加點、不分晝夜的搶抓時間，勞動強度大，效率低，且不可避免的存在花卉擠損的問題，成本高。因此，研制一種中小型花卉采摘機便有著迫切的需要。其中末端執行器作為終端執行部件是采摘機械書的核心構件。本文即是涉及專門針對以玫瑰花為主要花卉采摘對象的機械手末端執行機構，具有良好的研究價值與市場前景。

1 末端執行器設計

本文設計開發一種花卉采摘機械手的末端執行機構，該機構以玫瑰花為主要采摘對象，設計專用花卉抓取、包納、剪切構件，采用氣動驅動控制實現張合。采用萬向節連接執行器與機械手，實現多方向位置變換，采用直流力矩電機實現末端執行器的動作驅動。末端執行器結構示意圖見圖1，機械手簡化示意圖見圖2。

圖1 末端執行器結構示意圖

圖2 機械手簡化示意圖

圖3 齒輪齒條嚙合示意圖

該機構解決方案是：設計抓取切割球形薄型槽爪，在氣缸與連接法蘭的連接下通過齒條狀活塞桿與扇形齒輪的嚙合進行張合，詳見圖3，末端執行器工作位置垂直向下，閉合時槽爪包納被采摘花卉，其邊緣的圓弧形刀片同時實現花梗切割動作。采用萬向節實現末端執行器與機械臂的連接，在直流力矩電機的驅動下，末端執行器進行轉動至機械臂末端花卉存儲槽位置，松開薄型槽爪，花卉落入存儲槽內。末端執行器返回至垂直向下位置繼續工作。

在二號關節臂上設計固定逆止閥存儲槽，關節臂工作位置向上時，逆止閥處張開狀態，花卉順利落入存儲槽；關節臂工作位置向下時，逆止閥自動關閉，以免花卉在重力作用下掉落。在二號關節臂存儲槽上安裝重量傳感器，實時記錄被采摘花卉重量，以便及時回收花卉，記錄收獲成果。

切割刀片為圓弧形涂層硬質合金刀具，通過螺栓機夾在置刀槽中，為可更換刀片。

末端執行器與機械臂采用十字型萬向節進行連接，靈活度好，活動范圍大，可實現末端執行器至存儲槽的180°無障礙旋轉。末端執行器選用直流力矩電機，反應速度快，轉矩與轉速波動小，機械特性與調節特性線性度好。

2 末端執行器控制方案

圖4 末端執行器控制方案原理圖

末端執行器控制方案原理如圖4 所示。末端執行器控制方案如下：①PLC 控制器發出啟動信號，直流力矩電機接收信號通過機械傳動驅動末端執行器向下進給至花卉位置；②PLC 控制器繼續發出信號完成以下動作，開啟氣缸，推動氣缸內活塞進行運動，促使球形薄型槽型爪張開，瞬間閉合，利用氣壓瞬間切斷花梗，花卉滯留在槽型爪凹槽內；③PLC 控制器發出信號，末端執行器向上旋轉至水平位置，再向左（或右）旋轉至存儲槽位置；④PLC 控制器發出信號，氣缸中活塞退回，槽型爪張開，花卉落入存儲槽。末端執行器復位至垂直向下位置，準備下一個循環動作。由此，末端執行器一次完整動作完成。

3 機械手工作過程

機械手整體工作過程如下：首先由手持式遙控設備發出啟動指令，啟動信號，驅動伺服電機，在伺服電機的帶動下，機械臂開始動作至花卉上方，末端執行器向下進給至花處，定位完成后，末端執行器開始動作，槽型爪張開進行花卉抓取，閉合進行花卉切割。隨后，執行器按可旋轉方向旋轉270°至存儲槽位置，張開槽型爪，實現花卉轉移與存儲。置于存儲槽上的重量傳感器實時記錄花卉重量，并將稱重結果返回至手持遙控設備的顯示屏上，以便及時轉移清空存儲槽。在這一過程中，機械臂可根據位置通過手持遙控設備進行實時調整。所有動作均由手持遙控設備控制。機械手伸展示意圖見圖5，機械手花卉收納示意圖如圖6 所示。

圖5 機械手伸展示意圖

圖6 機械手花卉收納示意圖

4 結束語

該機構的有益效果是準確抓取被采摘花卉，有效切割收納，實時獲取采摘重量，省去二次稱重。末端執行器效力的機械手可實現200～1400mm 范圍內的花卉采摘，提高工作效率，降低勞動強度與花卉折損率。

[1]居洪玲，姬長英.一種多用途采摘機器人末端執行器的設計[J]. 浙江農業學報，2010，3.

[2]王三民.機械原理與設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]徐麗明，張鐵中.果蔬果實收獲機器人的研究現狀及關鍵問題和對策[J].農業工程學報，2004，5.

[4]姜麗萍，陳樹人.果蔬采摘機器人的研究綜述四.農業裝備技術，2006，1.

[5]周增產，J. Bontsema.荷蘭黃瓜收獲機器人的研究開發[J].農業工程學校，2001，6.