名優茶并聯采摘機器人的結構與工作空間設計

王會麗（河南省工藝美術學校，河南鄭州450000）

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名優茶并聯采摘機器人的結構與工作空間設計

王會麗
（河南省工藝美術學校，河南鄭州450000）

摘要：茶葉受季節影響很大，采摘時間必須控制在一定期限內。由于采茶具有工作任務重的特點，采茶中已經逐漸開始使用機械采摘手段。與傳統的手工采茶相比，機采具有效率高的顯著優勢。但其采摘效果卻沒有人工采摘效果好。因此，茶產業要想取得長遠發展，就必須重視解決茶葉采摘難題。本文對名優茶并聯采摘機器人的結構與工作空間設計進行了簡要分析。

關鍵詞：名優茶采摘；并聯機器人；結構設計；工作空間設計

1　前　言

名優茶經濟價值極高，但采茶面臨著巨大的難題。由于采茶期限較短，采摘任務十分繁重，傳統的人工采摘無法滿足當今的茶葉采摘要求。因此，名優茶采摘的機采得到了一定的發展。但是，機采并不像人工那樣靈活，采摘效果有待提高。隨著這個問題越來越突出，名優茶并聯采摘機器人的設計就成為不少人關心的話題。

2　概　述

我國果蔬采摘的傳統方式為人工采摘。隨著經濟和科技的發展，帶動了農業機械化的發展。目前我國在采摘機器人研究方面已經取得了一些成績。如，中國科學院自動化研究院設計的草莓采摘機，能夠自主識別、精確定位，可以基本達到草莓采摘的要求，損傷率相對較小。相關試驗研究表明，在實驗室環境下，其采摘成功率最高可達90％。采茶機是一種能夠顯著提高茶葉采摘效率的機械設備，當前我國茶葉采摘中主要使用的是往復切割式采茶機。這種采茶機明顯的不足，是無法識別新梢和老葉，成功采摘的茶葉往往完整性比較差。在并聯機器人方面，我國很多專家、學者都對其進行了長時間的研究，幾乎所有研究都是在實驗室環境下進行的，研究成果始終停留在理論層面，在實踐方面還有著明顯的不足。并聯機器人尚未真正與采茶技術結合，因此，如何將理論付諸實施，是我國目前亟待解決的問題。

3　名優茶并聯采摘機器人結構設計分析

3.1方案分析

本文在合理利用并聯機構優勢，將其與采茶技術充分結合，嘗試著提出了名優茶并聯采摘機器人的結構設計。名優茶并聯采摘機器人應用的基本要求是可以迅速、準確的定位茶葉，并進行有選擇的采摘。基于上述要求，機器人必須具備一定的工作自由度。該機器人的工作原理為：在攝相機1與投影儀4共同構成新梢識別定位系統的基礎上，由攝相機1將茶葉冠層圖像拍下來，之后通過顏色特征區分老葉與新梢，并確定新梢的平面坐標；投影儀4與攝相機1分別進行圖像的投射、攝取，并經由處理調制過的圖像，獲取新梢高度坐標；將高度坐標與平面坐標結合起來，就可以獲取新梢的空間坐標，將其傳至控制系統，就能夠利用電機實現并聯機構的運動控制；最后，準確定位執行器，就能夠實現高效的茶葉采摘。結構方案見圖1。

3.2機器人總體結構

名優茶并聯采摘機器人由五部分構成：1、靜平臺。2、動平臺。3、驅動臂。4、執行臂。5、執行器。靜平臺位于行走機構上，能夠起到減少轉動慣量的作用。動平臺的主要功能在于安裝執行器，因此，可以說，動平臺是實現名優茶自動化采摘的重要影響因素。驅動臂與執行臂的功能主要在于傳遞運動，使執行器能夠實現運動。執行器被四個球鉸聯接起來，具有平行四邊形的運行特點。機器人總體結構見圖2。

圖1　名優茶并聯采摘機器人結構方案

圖2　名優茶并聯采摘機器人總體結構

3.3并聯結構設計

并聯機構的優點有很多，包括剛度大、承載力強等，且不會產生累計誤差。并聯機構設計時，可將驅動裝置設置在靜平臺上，同時，為了減小慣量、降低機構質量，可以將執行臂設計為輕質桿件。這樣做還有利于保證執行器運動的速度、為物料的抓取以及搬運提供便利。因此，從理論上來講，這樣設計的并聯機器人是能夠滿足采茶的基本要求的。

在設計的過程中，應確保滿足這些條件：一、并聯機構必須能夠滿足x、y、z三自由度移動要求，保障準確定位以及有選擇采摘的實現。二、動平臺、靜平臺都應確保剛度能夠承載執行器而不會變形。三、機構在采摘過程中的運動空間必須足夠。

并聯結構由動平臺利用四條單鏈連接到靜平臺上；單鏈包含執行臂與驅動臂，且執行臂為平行四邊形機構；利用轉動副將驅動臂安裝在驅動器上，驅動器位于靜平臺上；執行臂包含2個桿件、4個球鉸，且一端與驅動器連接，另一端與動平臺連接。

3.4平臺結構設計

靜平臺的功能是承載驅動裝置，因此，靜平臺的尺寸與驅動裝置密切相關。驅動裝置中包含四部分：一、電機。二、驅動器。三、編碼器。四、減速器。計算靜平臺尺寸時，應先選定驅動電機以及其他裝置。結構中可以使用直流伺服電機，其具有原理簡單、價格低廉等顯著優勢，應用范圍相當廣泛。面板的主要功能是承載控制系統，設計過程中必須重視保障面板的尺寸足夠容納電機座與控制系統。為了防止電機座出現變形，最好使用折彎件。

3.5末端執行器設計

茶葉采摘是末端執行器的基本功能。在實際的茶葉采摘中，執行器的運行需要并聯機的驅動。基于此，本文設計的執行器必須確保滿足這些條件：一、電機1帶動絲杠4運動，并利用絲杠帶動夾子3、夾子5的運動，實現采摘操作。二、必須設計導桿，防止出現絲杠旋轉問題，實現有選擇的茶葉采摘。

圖3　執行器設計

絲杠能夠在機構間傳遞能量以及運動形式，轉換旋轉運動和直線運動。本文利用絲杠傳遞運動，設計時必須滿足的要求有：首先，其要能夠適應高效采摘的基本要求，因此，絲杠應為雙邊反向螺紋，確保能夠由電機帶動夾子運動；其次，要想保證采摘茶葉的完整性，絲杠行程必須要足夠，結合名優茶新梢長度與寬度，本文將絲杠單邊行程設計為40mm；最后，要想保證夾持裝置的運行順利，避免出現刀片重疊過大的問題，應在絲杠間設計尺寸為35mm凸臺限位。另外，在凸臺限位安裝的過程中，為了避免以后使用中出現零件磨損問題，應注意使用彈性墊片；在該項設計中，電機是絲杠運動與夾子張合的驅動，因此，必須為電機和滾動軸承留出安裝位置、運動空間。結合上述分析，本文最終將絲杠長度設計為164mm。

4　名優茶并聯采摘機器人工作空間設計

工作空間設計是名優茶并聯采摘機器人設計的重要環節，設計的是否合理，關系到機器人的性能以及使用效果，因此，必須慎重對待。在設計環節中，工作空間設計必須經過科學的分析。在某種程度上來講，機器人尺寸取決于其工作空間，所謂機器人的工作空間，一般指的是執行器可到達的點的集合，但是，空間求解相當復雜，由于篇幅有限，本文在此不作詳述。當前，確定機器人工作空間的方法主要有數值法與解析法兩種。機構比較簡單的可用解析式，復雜的只能用數值法。本文將兩種方法綜合使用，對名優茶并聯采摘機器人的工作空間設計進行了簡要闡述。

一般來講，影響機器人工作空間的因素主要包括：一、驅動副轉角。二、機構。三、奇異位置。上述三項因素均會對其工作空間形成約束。驅動副轉角需滿足的條件為q1min＜qi1＜q1max，機構則要保證q2min＜qi2＜q2max、q3min＜qi3＜q3ma（x其中，i＝1、2、3、4）。依照機構運動特性，Delta并聯機構工作空間為單鏈可達區域。因此，并聯機器人工作空間內的點應滿足的條件為△i≥0，且qmin≤qi≤qma（x其中，i＝1、2、3、4）。

5　結　語

為了確保茶葉的經濟價值，在名優茶采摘過程中，必須盡量保障茶葉勻整。名優茶采摘具有時間緊、任務重的特點，傳統的手工采摘模式很顯然與新時期的采摘要求不相適應。采茶機能夠在一定程度上起到提高采摘效率的作用，但是采摘效果無法保障，與實際要求相去甚遠。因此，合理利用并聯機構的優勢，設計名優茶并聯采摘機器人對于推動我國茶產業的發展具有十分積極的意義。

參考文獻

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作者簡介：王會麗（1980-），女，河南禹州人，本科，講師，研究方向：工業設計。