機械手便捷采摘蘋果裝置探究

魯旭陽 后剛 白和良 劉鋒 陳榮輝

[摘要]隨著我國科技發展水平的不斷提升，各種新技術被廣泛應用到各個產業的發展過程中，機械手作為一種較為先進的采摘工具，在蘋果采摘過程中發揮著十分重要的作用。本文研究機械手便捷采摘蘋果，先簡單介紹了采摘機械手的工作原理以及蘋果采摘機械手的工作原理，再分析蘋果機械手切割式采摘裝置，便于提高我國蘋果產業的采摘效率，推動蘋果產業發展。

[關鍵詞]機械手;蘋果;采摘工具

隨著我國社會主義市場經濟體制不斷向縱深化發展，市場資源配置更加優化，提升了我國經濟發展的效率，推動著我國經濟向規模化、集中化的方向發展。在這種發展形勢下，我國很多產業都出現了規模化、產業化發展的趨勢，蘋果種植業也不例外。蘋果種植面積不斷擴大，依靠人工采摘的做法不僅效率低下，還需要花費大量的人工成本，無法適應大規模、產業化市場發展的需要，在這種情況下，需要轉變蘋果產業采摘方式，提高蘋果采摘效率，推動蘋果采摘智能化、機械化方向的發展。因此，利用機械手采摘蘋果成為蘋果產業采摘的重要方式，能夠提高蘋果采摘的效率，推動蘋果采摘產業化發展[1]。

1 蘋果采摘機械手的工作原理

1.1 采摘機械手設計

采摘機械手主要由傳感器、采摘機械手、步進電機、控制電路、電機驅動器、傳感器放大器等部件構成。

1.2 工作原理

蘋果采摘機械手主要由抓持裝置、驅動、自由伸縮及切割裝置及傳感器等部分組成，關鍵裝置則是末端執行器。蘋果采摘機械手的工作運轉需要遵循一定的工作原理，其工作原理如下：在蘋果采摘機械手的工作過程中，讓抓取裝置對蘋果進行定位，在采摘機械臂的作用下，機械手慢慢靠近果實并對果實產生擠壓，造成對果實的壓力，從而產生的力信號由傳感器測得并將該信號傳給了單片機。對根據實際情況設定的力閾值進行判斷、衡量，力閾值的設定遵循不能損壞果實的原則并且能夠對果實進行有效抓住。當機械手對果實產生擠壓并達到力閾值時，機械手會自動發出動作，對果實進行穩定抓住，然后機械手的手臂會逐漸上升，上升到能夠將果實和其他果實分離，并且在動力的作用下，促使抓取裝置運轉，實現蘋果采摘機械手上的切割刀對蘋果柄進行切割。在機械手旋轉過程中必須減少對其他果實的損壞或者降低周邊的采摘環境對機械手的動作產生影響，當機械手將采摘好的果實松開后再回到原位[2-3]。

壓力傳感器能夠合理調整抓取裝置施加給蘋果的壓力，避免抓取裝置對蘋果表面造成巨大損害，提升蘋果采摘效率。機器需要對該果實是否在原來的位置進行判斷，如果確定果實還在原來的位置，則說明果實沒有采摘成功，否則則說明果實采摘已經成功，果實采摘機械手需要采摘下一個果實。此外，蘋果采摘機械手的自由伸縮以及切割裝置可以對末端執行器進行有效控制，促使其自由伸縮，便于其自由采摘蘋果并對蘋果進行有效放置[4]。

1.3 蘋果采摘機械手的設計

蘋果采摘機械手的設計主要由末端執行器結構設計和末端執行器切割裝置設計兩部分組成。蘋果采摘機械手末端執行器結構較為復雜，其組成結構依次為壓力傳感器、手指、限位開關、直流電機、渦輪蝸桿機構、鋼絲軟管傳動、刀架轉輪、刀架與刀片、碰觸傳感器、光電開關、薄型雙作用氣缸[5]。

蘋果采摘機械手如果想要精準、正確地抓取蘋果，需要對采摘機械手抓取裝置進行設計，以便于在抓取蘋果的過程中受力較為均勻，避免抓取的蘋果從抓取裝置中出現滑落現象，設計出符合機械手抓取蘋果的末端執行器抓取裝置。

蘋果機械手末端抓取裝置要想運動，需要依靠給予其動力，借助連桿裝置將機械手的手指和氣缸連接起來，同時把機關環節設置在手指中間，并依靠手指內部微型齒輪來對手指的彎曲程度加以控制。利用機械手手指采摘蘋果時，可依據蘋果的大小、形狀對手指關節進行調整，使機械手的手指能夠有效抓住蘋果的關鍵位置和部分，這樣能夠有效采摘蘋果，避免機械手采摘蘋果時出現不適應的問題。用機械手手指摘取蘋果時，可以在機械手手指上帶上橡膠手套，從而降低機械手手指對蘋果的摩擦，有效保護蘋果原來的形狀和色澤。此外，還可以將比較柔軟的海綿放在機械手手指上，不讓機械手手指與蘋果直接接觸，讓二者之間有足夠的緩沖區域，這樣可以有效保護蘋果[6]。

在采摘蘋果的過程中，經常發現與蘋果相連接的樹枝部分很難折斷，非常影響蘋果的采摘效率。為解決采摘過程中遇到的采摘不順問題，需要對采摘裝置尤其是切割裝置進行合理研制。在當前階段，研制出來的機械手采摘蘋果裝置主要有旋轉裝置和切割裝置兩種。機械手采摘旋轉裝置是依靠機械手連桿裝置來對機械手加以控制，讓其旋轉，借助機械手的旋轉力將蘋果數值加以折斷。但由于連接蘋果的樹枝較硬，采用折斷樹枝的方式采摘蘋果不僅成功率，對蘋果以及蘋果樹的損壞也較大，容易造成蘋果損傷，因此，這種采摘方式難以大規模推廣。機械手采摘切割裝置則是利用切刀或者電流刀切斷蘋果柄。但這種采摘方式需要對蘋果柄的位置進行確定，并且還要求機械手臂能夠靈活自由地調整，操作起來不能過于困難。切割式的采摘方式能夠提高蘋果采摘的效率，但如果對蘋果柄的定位不準，容易對蘋果造成損傷，采摘蘋果的風險較大。因此，這種采摘方式對機器人的要求較高，研發使用成本通常也較高，操作起來也較為復雜。

2 蘋果機械手切割式采摘裝置

2.1 蘋果機械手切割采摘裝置的設計

為有效解決上述兩種采摘方式帶來問題，需要對機械手采摘蘋果裝置進行改造升級，形成更加符合采摘實踐的切割采摘裝置，從而研制出更加適合蘋果采摘的切割裝置。切割式的采摘裝置主要由直流電機、微型渦輪蝸桿減速器、鋼絲繞盤、鋼絲、下軟管架、彈性軟管、上軟管架、刀架、刀架轉輪、轉盤軸、楔形刀片等結構組成。

切割式采摘裝置一般由直流電源提供充足動力，能源供應具有穩定性。在對傳動部分安裝內部套裝時，一般采用軟管對傳動部分加以套裝。在利用切割式采摘裝置采摘蘋果時，在動力的驅使下，切割刀片圍繞著手指外圍旋轉一周，確定蘋果柄的位置，對其加以切割，既能夠折斷蘋果柄，又能夠避免切割刀對蘋果造成損壞，還能夠提高蘋果的采摘效率。同時，切割式采摘裝置操作比較簡單，并且大大降低了機器人的采購成本。切割刀片是以楔形狀的刀片為主，在對蘋果柄進行切割時，刀片和蘋果柄會出現部分滑動，更加容易造成蘋果柄被刀片切斷，避免切割裝置出現無用動作，提升切割效率，確保機械手操作的可靠性。

2.2 蘋果采摘機械手氣動系統運作

蘋果采摘機械手末端運轉需要氣動動力裝置加以控制，蘋果采摘機械手氣動系統裝置主要由小型氣壓源、單向閥、電觸電壓力表、小型氣罐、氣源調節裝置、電磁換向閥、先導單向閥、溢流閥、單向減壓閥、單向節流閥、薄型氣缸等結構組成。其中，氣源調節裝置主要由氣體過濾裝置及減壓閥裝置構成，該裝置一方面能夠凈化空氣，另一方面能夠控制氣壓。在電壓閥的作用下，氣動路可以有效進行調節和切換，進而實現人為控制氣缸活塞的運動。在氣動回路中，設置的先導式單向閥，能夠有效保證氣缸處于中間位置，提升穩定性。通常情況下，溢流閥可以控制氣缸拉力的穩定性。安裝雙單向閥裝置，能夠最大限度減小氣動沖力給機械手帶來的不利影響，使蘋果采摘機械手在采摘蘋果時不會出現顫抖現象，提高蘋果采摘的成功率，增強采摘效果。

3 結論

隨著現代科技的快速發展，我國的機器人技術也取得了突飛猛進的發展，生產出了各種先進的智能化產品，并被廣泛應用于人們生產生活的各個方面，為人們的日常生活提供了便利，尤其是現代技術應用于蘋果采摘等產業的過程中，催生了各種先進的采摘機器，機械手就是一種比較好的采摘工具，能夠提升蘋果采摘的效率。

參考文獻

[1]馬責飛，馬履中，楊文亮，蘋果采摘機器人機械手運動學分析與仿真[J].農機化研究，2010 （7）：21-25.

[2]李國利，姬長莢，顧寶興.多末端蘋果采摘機器人機械手運動學分析與試驗[J].農業機械學報，2016 （12）：14-21.

[3]姬偉，程鳳儀，趙德安.基于改進人工勢場的蘋果采摘機器人機械手避障方法[J].農業機械學報，2013 （11）：253-259.

[4]崔鵬，陳志，張小超蘋果采摘機器人仿生機械手靜力學分析與仿真[J].農業機械學報，2011 （2）：149-153.

[5]丁祥青，馬莉，采摘機器人機械手結構設計與分析[J].機床與液壓，2017 （23）：40-42.

[6]劉威林.水果采摘機械手[J].農業知識：瓜果菜，2005（6）：47