瓜果采摘機(jī)械臂的改進(jìn)與試驗(yàn)研究

郭巖

摘要 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)機(jī)械，而現(xiàn)有的瓜果采摘機(jī)械臂難以滿足全方位采摘瓜果的需要，針對(duì)這種不足，通過(guò)改進(jìn)瓜果采摘機(jī)械臂設(shè)計(jì)原理及方法，創(chuàng)制了能在任意空間目標(biāo)點(diǎn)采摘瓜果的機(jī)械臂，并對(duì)新改進(jìn)的機(jī)械臂進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了預(yù)期的結(jié)果，這對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展是大有益處的。

關(guān)鍵詞：瓜果采摘，農(nóng)業(yè)機(jī)械，機(jī)械臂改進(jìn)

1.瓜果采摘機(jī)械的現(xiàn)狀及改進(jìn)的意義

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開農(nóng)業(yè)科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展也離不開機(jī)械化。而現(xiàn)有的瓜果采摘機(jī)器人的機(jī)械臂存在著不少問(wèn)題，如它們大多直接購(gòu)買現(xiàn)有工業(yè)機(jī)械手，而這些機(jī)械手不但成本較高，且所占空間大，在采摘瓜果的過(guò)程中往往不盡如人意，這些問(wèn)題無(wú)疑會(huì)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此針對(duì)現(xiàn)在瓜果采摘機(jī)械臂的這種不足，通過(guò)改進(jìn)瓜果采摘機(jī)械臂設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)制了能在采摘范圍內(nèi)的任意目標(biāo)點(diǎn)采摘瓜果的機(jī)械臂，并對(duì)新改進(jìn)的機(jī)械臂進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種新創(chuàng)制了瓜果采摘機(jī)械臂的有效性和實(shí)用性，這對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展是大有益處的。

2.農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂設(shè)計(jì)原理的優(yōu)化與創(chuàng)新

瓜果采摘的機(jī)械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需要，而使用農(nóng)用機(jī)械進(jìn)行瓜果采摘仍需要遵循瓜果采摘的一般要求，那就是這些機(jī)械設(shè)備要占地面積小，采摘的范圍要大，采摘瓜果要靈活且準(zhǔn)確率高，并且要減少采摘給瓜果原株成長(zhǎng)造成的傷害。因此，這些就決定了瓜果采摘機(jī)械臂的設(shè)計(jì)要盡可能滿足這些要求，另外還要降低采摘成本，提高采摘瓜果的效率，適應(yīng)現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。而傳統(tǒng)的農(nóng)用瓜果采摘機(jī)器人所使用的機(jī)械臂，多是直接購(gòu)買現(xiàn)有工業(yè)機(jī)械手，它們不但成本較高，且所占空間大，在使用過(guò)程不盡人意。為了保證新改進(jìn)的機(jī)械臂采摘的靈活性，研制出新型的瓜果采摘機(jī)械臂，而改進(jìn)了傳統(tǒng)瓜果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括四大類：直角型、圓柱型、坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型。對(duì)這四種機(jī)器人的優(yōu)劣進(jìn)行了綜合的分析對(duì)比，最終選擇了關(guān)節(jié)型的瓜果采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。理論上6個(gè)自由度的機(jī)械臂設(shè)計(jì)雖然可以達(dá)到三維空間的任何點(diǎn)，但這種按照這種理論設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)械臂往往結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在采摘瓜果的過(guò)程中不易控制。而同樣是通過(guò)三維空間來(lái)確定采摘瓜果的目標(biāo)位置，采用了4個(gè)自由度來(lái)控制機(jī)械臂靈活性的設(shè)計(jì)更具優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性。

3.瓜果采摘機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)

對(duì)瓜果采摘機(jī)械臂進(jìn)行改進(jìn)使之更能滿足瓜果采摘的實(shí)際需要，改進(jìn)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)原理只是創(chuàng)制新機(jī)械臂的基礎(chǔ)，還需要在此基礎(chǔ)上在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行改進(jìn)。首先，改進(jìn)機(jī)械臂設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，來(lái)確定瓜果采摘的空間范圍，這需要計(jì)算出機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)最小的回轉(zhuǎn)角度；其次，瓜果采摘機(jī)械臂的設(shè)計(jì)需要考慮相關(guān)的設(shè)計(jì)變量，這些變量包括機(jī)械臂底座的高度、機(jī)械臂的長(zhǎng)度、腕關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度以及機(jī)械臂腰部的回轉(zhuǎn)角、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍、腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角等，通過(guò)分析瓜果采摘過(guò)程中的實(shí)際需要，最終對(duì)除了底座的高度和腕關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度外的其他變量進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而確定采摘瓜果的空間范圍，此外，還根據(jù)機(jī)械臂本身與目標(biāo)瓜果之間的位置關(guān)系以及機(jī)械臂自身結(jié)構(gòu)的限制等因素，來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)機(jī)械臂的變量等。其次，還需要改進(jìn)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是機(jī)械臂設(shè)計(jì)結(jié)果更加合理。整個(gè)機(jī)械臂的改進(jìn)都經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算和重新設(shè)計(jì)，才使新創(chuàng)制的機(jī)械臂在使用過(guò)程中更加便捷。

4.對(duì)新創(chuàng)制機(jī)械臂的試驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證新創(chuàng)制的瓜果采摘機(jī)械臂是否能準(zhǔn)備定位目標(biāo)果實(shí)的空間位置及是否能準(zhǔn)確采摘到瓜果，因此對(duì)新創(chuàng)制的機(jī)械臂進(jìn)行了試驗(yàn)。選擇了目標(biāo)瓜果采摘范圍內(nèi)的若干個(gè)制定的采摘位置，和隨機(jī)選取的若干個(gè)采摘位置進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。通過(guò)對(duì)比瓜果采摘的理論數(shù)值、實(shí)際采摘數(shù)值及誤差值進(jìn)行對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)新創(chuàng)制的機(jī)械臂能準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)采摘范圍中的任意位置，并且在采摘過(guò)程中機(jī)械臂工作穩(wěn)定、機(jī)械臂本身無(wú)明顯抖動(dòng)現(xiàn)象。這充分表明新創(chuàng)制的機(jī)械臂的合理與成功。

通過(guò)分析機(jī)械臂試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械臂實(shí)際工作中的數(shù)值與理論數(shù)值之間存在著誤差，對(duì)目標(biāo)果實(shí)定位誤差的存在雖然是不可避免的，但還是對(duì)誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，主要包括以下兩點(diǎn)：第一，機(jī)械臂個(gè)部件加工裝配的原有誤差，是機(jī)械臂各個(gè)連接桿之間產(chǎn)生了位置上的誤差；第二，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的電動(dòng)機(jī)采用的是獨(dú)立的控制方法，它們?cè)谕瑫r(shí)運(yùn)行時(shí)由于慣性及重力等的影響，導(dǎo)致機(jī)械臂各關(guān)節(jié)在角度的控制上產(chǎn)生了誤差。針對(duì)上述影響誤差的因素，可在以后機(jī)械臂設(shè)計(jì)研究過(guò)程中采取相應(yīng)的補(bǔ)救方法：首先，可以采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)補(bǔ)償由加工裝配偏差所引起的位置誤差。其次，采用其他先進(jìn)的控制方法或通過(guò)機(jī)械模型的控制方法，來(lái)提高機(jī)械臂在采摘瓜果工作中的精準(zhǔn)度。

5.結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有瓜果采摘機(jī)械手不但成本較高，且所占空間大，在使用過(guò)程不盡人意的諸多缺點(diǎn)，通過(guò)改進(jìn)機(jī)械臂設(shè)計(jì)原理及方法，創(chuàng)制了能在任意空間目標(biāo)點(diǎn)采摘瓜果的機(jī)械臂，這種機(jī)械臂設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，采摘范圍廣而所占空間較少，且操作的靈活度高。此外，新創(chuàng)制的瓜果采摘機(jī)械臂生產(chǎn)所使用的材料簡(jiǎn)單易得，生產(chǎn)成本大為降低。對(duì)新創(chuàng)制的機(jī)械臂進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：新創(chuàng)制的機(jī)械臂能準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)采摘范圍中的任意位置，并且在采摘過(guò)程中工作穩(wěn)定、機(jī)器本身無(wú)明顯抖動(dòng)現(xiàn)象，能滿足瓜果采摘的任務(wù)需要。這無(wú)疑說(shuō)明新創(chuàng)制的機(jī)械臂是合理且有效的，只是機(jī)械臂在精準(zhǔn)定位瓜果的空間位置時(shí)存在一些誤差，這需要在以后的工作做進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

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