一種新型自動化水果采摘機械的設計

張新磊 李春雪* 沈陽工學院

1 研究背景

近年來，隨著全國經濟的持續發展，人們對果蔬的需求越來越大。在我國的果蔬生產中，柑橘生產所的占比重日益增大。而在整個柑橘生產活動中，柑橘的采摘所占的工作量十分巨大。除此之外，水果采摘質量的好壞還將直接影響到水果的保鮮儲藏，運輸配送等后續工作，并最終將嚴重影響到經濟效益。如果繼續延續原始的手工采摘，不僅工作環境十分的艱苦，效率低下，而且水果采摘質量也得不到保障，更甚至時有采摘工作者在采摘過程中因為環境的復雜不小心從樹上摔下而受傷的事故發生。為了適應當代果蔬經濟的發展，設計一種多自由度，滿足工作空間的小型柑橘采摘機械手對實現農業自動化和提高經濟效益具有重要意義。

目前的果蔬采摘機器人一般可分為移動機構、機械手、識別和定位系統、末端執行器等四大部分。雖然果蔬收獲機器人的研究已經取得了很大的進展，但離實用化和商品化還有很長一段距離。目前，采摘機器人研究領域主要存在以下幾個問題：①果實的識別率不高或識別后定位精度不高。識別果實和確定果實位置主要采用灰度閾值、顏色色度法和幾何形狀特性等方法。②果實的損傷率較大。③果實的平均采摘周期較長。目前的果實收獲機器人由于視覺、結構及控制系統等原因，大多數采摘機器人的效率不高。④采摘機器人的制造成本較高，設備利用率低，使用維護不方便。我們可以通過簡易水果采摘機可以實現簡單方便地采摘任務，而且要實現不同高度的水果采摘任務；對于不同大小的水果也要有不同的水果采摘口來適應不同大小水果的采摘，為保證水果鮮美和不被昆蟲破壞，該采摘機在換掉說過采摘刀片的時候，可以實現水果套袋；換上農藥噴頭的時候還可以實現高位水果噴灑農藥的完成。當設計更多到頭的時候可以實現不同水果用一種機器采摘，真正實現多用途，提高農民的工作效率和現代農業的機械化程度。

首先運用所學知識進行機構尺寸的設計；然后創新設計內嵌式關節采摘機械手所有零部件的具體合理尺寸；再按照設計的零件圖通過Pro/E三維造型出機械手的所有零部件；接著根據機械手的工作方式選擇合理的連接方式并通過創建合理約束完成機械手的裝配；最后通過選用Pro/E中的機構模式，經過旋轉軸的自定義，伺服電機的添加，定義初始條件等完成機械手的運動仿真。模型見下圖

2 創新之處

機械結構直接決定機器人運動的靈活性和控制的復雜性。當前，大部分的采摘機器人借用的工業機械手，體積較大，成本高。在滿足機器人性能的前提下，針對采摘作業對象的特點，設計簡單、緊湊、輕巧，采摘無損高效的機械手，是必須解決的問題，采用三維實體造型技術、虛擬樣機技術和優化理論等可以大大縮短設計周期，而且可以進行機構的運動學和動力學仿真，優化機器人結構。目前，在果蔬機械采摘過程中，迫切要求農業機器人能實現一些果蔬抓持和操作的穩定性，具有力閉環控制的抓取手或采摘機構將成為解決問題的途徑。

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[5]馬質璞，張抗，等.一種新型單果采摘器的設計.{J}機械設計與制造，2017（5）