蘋果采摘輔助機械手設計

張強+金世佳

摘要：針對傳統的人工采摘蘋果存在的問題，研究設計一種“仿生+智能”的蘋果采摘輔助機械手。介紹該機械手的總體結構與關鍵部件設計，闡述其工作原理、特點及操作步驟，以期為該機械手在蘋果采摘中的應用與推廣提供技術支持。

關鍵詞：蘋果；采摘；仿生；智能；輔助機械手；設計

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）08-0017-03

傳統的蘋果采摘多為人工采集，效率低，采摘的蘋果質量參差不齊，影響到蘋果的產量和效益。為了降低果農工作強度，減少采摘時間，提高工作效率，方便我國中小型果園的采摘工作，對機械水果采摘進行研究并設計一種順應智能時代的蘋果采摘輔助機械手。

該機械手以“仿生+智能”為總體設計思路，其機械結構細分為三部分：一是手持部位，利用伸縮桿來達到采摘的任意高度；二是可調角度的旋轉軸，連接手持部位上伸縮裝置的最前端，通過調整旋轉軸的角度可以在任意位置采摘；三是手部的動作，通過仿人手的機構直接抓取或夾緊并上下起程。在電路控制方面，利用電機的正反轉和單片機原理來控制伸縮桿的伸縮長度，達到采摘的高度；利用單片機控制電機，從而控制旋轉角度；利用PLC、單片機原理、液壓傳動和激光傳感器來控制手指的張合與上下運動，以及二葉刀的剪接等一系列動作。

1 蘋果采摘輔助機械手的總體結構

1.1 機械結構

機械手是執行裝置，主要由手臂、手腕和手部等組成，其中：手部為與蘋果直接接觸的仿人手指夾持的部件；手腕為連接部件，用來調整采摘的角度；手臂為支撐手部等組織的部件，用來帶動手部動作，按給定的上下軌跡去輔助手部完成夾持過程。二葉剪刀是剪切蘋果桔梗的執行部件，其在減速電機的帶動下可以更有力地快速剪切，防止在剪切過程中力不夠而燒毀電機。支座是整個機械手的支撐部件，起到整體支撐和連接的作用。機械手的二維與三維草圖分別如圖1和圖2所示。

1.2 電路結構

蘋果采摘輔助機械手電路結構主要包括位置檢測系統、驅動系統及控制系統。控制系統利用PLC、單片機及液壓傳動來控制電機的轉動；驅動系統的目的在于驅動機械手臂；位置檢測裝置通過測量蘋果的實際位置和機械手的實際位置并進行對比，然后將相關數據傳給控制系統；動力裝置與輔助裝置等裝置共同組成啟動系統。控制系統的工作過程就是將實際位置與程序設置給定位置相比較，進而讓執行部件更為精確地進行夾持，然后控制二葉刀剪切收割蘋果。

2 蘋果采摘輔助機械手的設計原理與特點

2.1 設計原理

蘋果采摘輔助機械手由控制系統、驅動系統和執行機構等部分構成。在控制系統及檢測系統監控下，執行機構在驅動系統的作用下，于一定時間內按給定速度及運動軌跡來實現設計的動作。蘋果采摘輔助機械手的原理如圖3所示：

2.2 各部分的設計

2.2.1 手部結構設計 夾持式手部由仿生手指和傳動機構構成。采用3只手指外夾式，在夾持時可以達到完全約束。手部夾具設計需要考慮以下幾方面。

1） 具有適當的夾緊力。因為蘋果多汁易碰傷，所以在蘋果采摘中對觸碰力控制要求很高。手指對蘋果夾緊力的計算公式為：

Fn=h1h2h3G

式中：Fn為夾緊力；h1為安全系數；h2為工作狀況系數；h3為方位系數，根據手指與蘋果不同位置選取；G為蘋果重力。

2） 具有足夠的開閉角。手指在夾緊和松開蘋果時，必須具有足夠大的開閉角來適應不同大小的蘋果，使夾持中心位置偏差小、精度高。

3） 蘋果采摘輔助機械手必須有足夠的剛度和強度。在采摘時需要考慮傳動機構的慣性和振動所帶來的影響，如果手臂沒有足夠的強度和剛度就容易彎曲變形。

4） 為了保護蘋果不被碰傷，還需要在手指內側加置軟墊。

2.2.2 手腕結構設計 手腕結構從自由度和驅動力兩方面來設計。在蘋果采摘過程中要避免因樹枝的歪曲而造成采摘困難，所以要求手腕部位可以回轉（角度小于180 °）。驅動手腕需要克服離心力、摩擦力和向心力，手腕驅動力的計算公式為：

2.2.3 立柱結構設計 立柱結構是用于支撐手部的部件，在手部夾持蘋果時需要向下帶動手部，避免二葉剪刀在剪切時損傷蘋果。利用單片機編程來控制立柱的上下移動（10 mm左右）。

2.2.4 手臂機構設計 在手臂設計中，考慮到是由人手持操作，不需要回轉左右移動，所以利用電推桿的原理來替代復雜的手臂部分，從而達到節省采摘成本、使用方便省力、提高采摘效率的目的。電動推桿主要由減速齒輪、彈簧、驅動電機、螺桿、螺母、推桿、滑道、外殼及渦輪等部分組成。電機經齒輪減速器后，帶動一對絲桿螺母，把電機的旋轉運動變成直線運動，利用電機正反轉完成推桿動作。設計時需要考慮以下幾個方面：1） 推桿的行程，利用編碼器實現；2） 推桿位置反饋，利用電位器及霍爾反饋；3） 精確控制推桿，利用PLC精確控制。

3 蘋果采摘輔助機械手操作步驟

該機械手高效簡便，所有工作人員均適宜操作。手持采摘器，根據果實的高度與距離調節伸縮桿及兩伸縮桿的角度（遇到樹枝阻礙可調角度避開障礙，防止損壞樹體本身），然后用采摘器將果實套入即可實現自動剪切，利用網袋及緩沖裝置使果實輕輕落入收集裝置。

4 蘋果采摘輔助機械手的推廣應用

目前市場上專門采摘蘋果的機器很少，采摘效率也不理想，而效果較好的機器又比較昂貴。本研究設計的蘋果采摘輔助機械手可以大大減少果農采摘蘋果的時間，提高采摘效率，減少果實損傷率，且成本合理，可以解決果農采摘蘋果的問題。

參考文獻

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