智能采摘草莓機的設計

芮杰 高威 王正浩 岑理章

摘 要：本文針對高架草莓人工采摘困難等現象，介紹了智能草莓采摘機的結構設計，并說明了其工作原理及特點。

關鍵詞：高架草莓；草莓采摘機；機械手

草莓成熟時，若不及時采摘，草莓的外觀和營養價值會逐漸變差，因此必須在草莓成熟季節及時挑選和采摘。但采摘勞動強度大，雇傭成本高，是不小的支出。為了減輕農民勞動強度，降低生產成本，所以將自動化技術引入草莓采摘作業環節。有利于加快草莓的收獲速度，增加草莓種植面積，實現鄉村振興戰略。

1.草莓種植環境

本文設計的草莓采摘機器人主要針對高架草莓的采摘。草莓種植在高架栽培床上，生長環境多為大棚，栽培床有水培、基質培等種類。高架草莓相比地壟草莓產出投入比很高，而且草莓碩大，品相好，汁水多，食用口感好。同時高架草莓還適合發展觀光農業。

我國草莓高架栽培模式多用于溫室，高架高150cm，寬40cm，高架長度可根據日照空間布局，每個栽培架放置2～3行草莓，果實成熟后分別從栽培床兩側垂下。相鄰2個高架栽培床的間距約為80cm，可作為采摘機器人的行走通道。根據草莓的生長特點和農藝管理特點，為保證絕大多數草莓生長良好，在成熟后方便摘取，果實應懸掛在距離栽培床上沿不超過20cm處。

2工作原理

草莓采摘機啟動初始化，在相鄰2個高架栽培床之間追蹤已有路線行進，通過攝像頭捕捉草莓區域，進行識別，然后驅動采摘機行進至合適采摘位置，利用CCD傳感系統獲取草莓彩色圖像，判斷草莓成熟程度，進而直角坐標機械手移至成熟草莓同一高度，通過機械爪前端傳感器，機械爪到達所采草莓果梗處，由刀片切斷草莓果梗，完成采摘。

3總體布局

如圖1所示，草莓采摘機由運動定位機構、末端抓取機構、行走機構、框架、控制箱、草莓放置架構成。工作時，采摘機沿著預定路線行走，參考工業機床坐標系統選擇方法，根據右手法則，并結合實際采摘動作，確定采摘機的坐標系統。運動定位裝置的上下運動方向確定為Z軸方向，設向上運動方向為正方向；由右手法則將機械手通過草莓的直線運動方向作為Y軸方向，設靠近草莓移動的方向為正方向，反之則是負方向；以機械手在絲杠模組上的移動的方向為X軸方向，相對采摘方位，設面對模組向左移的方向為正方向，右移為負方向。 出于成本考慮，本文針對種植高度在100cm以下的草莓設計采摘機，由于相鄰2個高架栽培床的間距約為80cm，采摘機采用雙行道行走模式，每側栽培架都設計一條行走路線。現確定采摘機外形尺寸50cm（長）×40cm（寬）×100cm（高）。

4.方案論證

4.1框架

考慮加工難易，組裝可調性和機器重量，采摘機框架選用質地較輕的鋁型材。采摘機設計外形為方形，鋁型材框架組合形式多樣，從減輕重量和外觀簡潔考慮選擇如圖1搭法，連接處用3030三通塊連接。該搭法能最大化減輕框架重量，減少不必要耗材和角碼。

4.2 運動定位機構

（1）定位機構類型選擇

定位機構主要由手部（或稱抓取機構）、傳送機構（或稱臂部）、驅動部分、控制部分、其它部分幾部分組成。按運動坐標型式分為直角坐標式機械手、圓柱坐標式機械手、球坐標式機械手、多關節式機械手。

直角坐標式機械手適用于和作業位置成行列的環境。它的手臂可以伸縮，左右和上下移動，按直角坐標形式X、Y、Z，3個方向的直線進行運動。其具有運行速度快，定位準確，控制方便的優點，與多關節機器人相比，價格低廉、維修方便。但作業范圍較小。

圓柱坐標式機械手的手臂有兩個直線運動副和一個回轉運動副，能實現前后移動、上下升降和水平面的擺動。其特點為結構緊湊，占地面積較小，工作范圍較大，但垂直方向上受到限制。

球坐標型工業機械手手臂有一個直線運動副和兩個轉動副。機械手臂可沿X方向移動，繞Y軸和Z軸擺動和回轉。該機械手結構緊湊，質量較輕，避障性能好，而且所占空間小。但定位精度一般。

關節坐標型機械手由前、后臂的俯仰及立柱的回轉構成，相比以上幾種機械手，其結構最緊湊，運行靈活，占地面積最小，工作范圍最廣。但因為臂長存在運動平衡問題，導致精度較低，而且控制復雜，價格昂貴，維修不便。

由于采摘機設計框架為矩形框架，機器整體尺寸較小，采摘草莓相對框架成行排列，采摘作業范圍不大，且草莓垂掛高度落差較大，并對運動定位機構精密度要求高，同時要求機器穩定，價格實惠，便于維修，所以選擇直角坐標式機械手。

（2）動力源選擇

運動定位機構的驅動方式主要有三類：液壓驅動、氣壓驅動、電力驅動。液壓傳動的結構緊湊，重量輕。具有調速度性能好，運轉穩定、可靠的優點，且自潤性強，容易實現復雜得控制。但對封閉性裝置要求高，不然油的泄露對機構性能影響大，并對草莓及其生長環境造成污染。氣壓傳動的結構簡單，工作介質（常為空氣）的傳輸簡單。具有成本較低，維護方便，工作壽命長的優點。但由于空氣具有可壓縮性，造成工作穩定性較差。電力機械的結構牢固，使用和控制方便。具有工作效率高，運行可靠，工作時無煙，無塵、無氣味，噪聲低，價格低廉的優點。

草莓質量只有幾十克，體積小，質量輕，各軸負載質量不超過10kg，電機可提供足夠的驅動力，運行穩定。相比液壓和氣動動力源，電機驅動更加簡單方便、價格便宜。而且后期維護方便。綜合考慮，選擇電機作為運動定位機構的動力源。

（3）定位機構組合方式

直角坐標式機械手的組合方式可根據工作負載、行程等要求組合成龍門式、懸臂式、壁掛式等，一般為三軸和多軸，可構成多自由度。鑒于采摘機的安裝空間小，要求整體質量輕，所以采用懸臂式結構。該機構包含3個平面自由度和1個旋轉自由度。

4.3 末端抓取機構

本設計采用了凸輪機構帶動直線機構實現夾緊的夾爪。如圖2所示。該夾爪為平移型，夾爪兩手指的張開閉合一直為平行移動，在夾持草莓果梗時，不會造成果梗中心位置得偏移。而且夾爪的結構緊湊、夾緊力足夠，夾取速度快，工作效率高。

結論

該設備主要針對高架草莓，實現全自動采摘，具有結構簡單、造價低、動作穩定可靠、效率高等特點。

參考文獻：

[1]羅菁.專家在滬研討草莓產業發展[N].勞動報，2018-11-22

[2]張凱良，楊麗，王糧局，張麗霞，張鐵中.高架草莓采摘機器人設計與試驗[J].農業機械學報，2012年9月（48卷，第09期）

[3]樓建忠，麻桂楊.大棚草莓無人化自動采摘裝置的設計與研究[J].理論廣角，2018，20

本項目為2018浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃項目（2018R427015）和2018年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（20181300 1034S）