智能采摘草莓機(jī)的設(shè)計(jì)

芮杰 高威 王正浩 岑理章

摘 要：本文針對(duì)高架草莓人工采摘困難等現(xiàn)象，介紹了智能草莓采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并說(shuō)明了其工作原理及特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高架草莓；草莓采摘機(jī)；機(jī)械手

草莓成熟時(shí)，若不及時(shí)采摘，草莓的外觀和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值會(huì)逐漸變差，因此必須在草莓成熟季節(jié)及時(shí)挑選和采摘。但采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大，雇傭成本高，是不小的支出。為了減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本，所以將自動(dòng)化技術(shù)引入草莓采摘作業(yè)環(huán)節(jié)。有利于加快草莓的收獲速度，增加草莓種植面積，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。

1.草莓種植環(huán)境

本文設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)器人主要針對(duì)高架草莓的采摘。草莓種植在高架栽培床上，生長(zhǎng)環(huán)境多為大棚，栽培床有水培、基質(zhì)培等種類(lèi)。高架草莓相比地壟草莓產(chǎn)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(shí)高架草莓還適合發(fā)展觀光農(nóng)業(yè)。

我國(guó)草莓高架栽培模式多用于溫室，高架高150cm，寬40cm，高架長(zhǎng)度可根據(jù)日照空間布局，每個(gè)栽培架放置2～3行草莓，果實(shí)成熟后分別從栽培床兩側(cè)垂下。相鄰2個(gè)高架栽培床的間距約為80cm，可作為采摘機(jī)器人的行走通道。根據(jù)草莓的生長(zhǎng)特點(diǎn)和農(nóng)藝管理特點(diǎn)，為保證絕大多數(shù)草莓生長(zhǎng)良好，在成熟后方便摘取，果實(shí)應(yīng)懸掛在距離栽培床上沿不超過(guò)20cm處。

2工作原理

草莓采摘機(jī)啟動(dòng)初始化，在相鄰2個(gè)高架栽培床之間追蹤已有路線(xiàn)行進(jìn)，通過(guò)攝像頭捕捉草莓區(qū)域，進(jìn)行識(shí)別，然后驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)行進(jìn)至合適采摘位置，利用CCD傳感系統(tǒng)獲取草莓彩色圖像，判斷草莓成熟程度，進(jìn)而直角坐標(biāo)機(jī)械手移至成熟草莓同一高度，通過(guò)機(jī)械爪前端傳感器，機(jī)械爪到達(dá)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(jī)由運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)、末端抓取機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、框架、控制箱、草莓放置架構(gòu)成。工作時(shí)，采摘機(jī)沿著預(yù)定路線(xiàn)行走，參考工業(yè)機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)選擇方法，根據(jù)右手法則，并結(jié)合實(shí)際采摘?jiǎng)幼鳎_定采摘機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)定位裝置的上下運(yùn)動(dòng)方向確定為Z軸方向，設(shè)向上運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较颍挥捎沂址▌t將機(jī)械手通過(guò)草莓的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向作為Y軸方向，設(shè)靠近草莓移動(dòng)的方向?yàn)檎较颍粗畡t是負(fù)方向；以機(jī)械手在絲杠模組上的移動(dòng)的方向?yàn)閄軸方向，相對(duì)采摘方位，設(shè)面對(duì)模組向左移的方向?yàn)檎较颍乙茷樨?fù)方向。 出于成本考慮，本文針對(duì)種植高度在100cm以下的草莓設(shè)計(jì)采摘機(jī)，由于相鄰2個(gè)高架栽培床的間距約為80cm，采摘機(jī)采用雙行道行走模式，每側(cè)栽培架都設(shè)計(jì)一條行走路線(xiàn)。現(xiàn)確定采摘機(jī)外形尺寸50cm（長(zhǎng)）×40cm（寬）×100cm（高）。

4.方案論證

4.1框架

考慮加工難易，組裝可調(diào)性和機(jī)器重量，采摘機(jī)框架選用質(zhì)地較輕的鋁型材。采摘機(jī)設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)

（1）定位機(jī)構(gòu)類(lèi)型選擇

定位機(jī)構(gòu)主要由手部（或稱(chēng)抓取機(jī)構(gòu)）、傳送機(jī)構(gòu)（或稱(chēng)臂部）、驅(qū)動(dòng)部分、控制部分、其它部分幾部分組成。按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分為直角坐標(biāo)式機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手、球坐標(biāo)式機(jī)械手、多關(guān)節(jié)式機(jī)械手。

直角坐標(biāo)式機(jī)械手適用于和作業(yè)位置成行列的環(huán)境。它的手臂可以伸縮，左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z，3個(gè)方向的直線(xiàn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其具有運(yùn)行速度快，定位準(zhǔn)確，控制方便的優(yōu)點(diǎn)，與多關(guān)節(jié)機(jī)器人相比，價(jià)格低廉、維修方便。但作業(yè)范圍較小。

圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的手臂有兩個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)副和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，能實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)、上下升降和水平面的擺動(dòng)。其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)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(biāo)型工業(yè)機(jī)械手手臂有一個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)副和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。機(jī)械手臂可沿X方向移動(dòng)，繞Y軸和Z軸擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)。該機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量較輕，避障性能好，而且所占空間小。但定位精度一般。

關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械手由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，相比以上幾種機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)最緊湊，運(yùn)行靈活，占地面積最小，工作范圍最廣。但因?yàn)楸坶L(zhǎng)存在運(yùn)動(dòng)平衡問(wèn)題，導(dǎo)致精度較低，而且控制復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維修不便。

由于采摘機(jī)設(shè)計(jì)框架為矩形框架，機(jī)器整體尺寸較小，采摘草莓相對(duì)框架成行排列，采摘作業(yè)范圍不大，且草莓垂掛高度落差較大，并對(duì)運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)精密度要求高，同時(shí)要求機(jī)器穩(wěn)定，價(jià)格實(shí)惠，便于維修，所以選擇直角坐標(biāo)式機(jī)械手。

（2）動(dòng)力源選擇

運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式主要有三類(lèi)：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)。液壓傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。具有調(diào)速度性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點(diǎn)，且自潤(rùn)性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜得控制。但對(duì)封閉性裝置要求高，不然油的泄露對(duì)機(jī)構(gòu)性能影響大，并對(duì)草莓及其生長(zhǎng)環(huán)境造成污染。氣壓傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作介質(zhì)（常為空氣）的傳輸簡(jiǎn)單。具有成本較低，維護(hù)方便，工作壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。但由于空氣具有可壓縮性，造成工作穩(wěn)定性較差。電力機(jī)械的結(jié)構(gòu)牢固，使用和控制方便。具有工作效率高，運(yùn)行可靠，工作時(shí)無(wú)煙，無(wú)塵、無(wú)氣味，噪聲低，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。

草莓質(zhì)量只有幾十克，體積小，質(zhì)量輕，各軸負(fù)載質(zhì)量不超過(guò)10kg，電機(jī)可提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，運(yùn)行穩(wěn)定。相比液壓和氣動(dòng)動(dòng)力源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)更加簡(jiǎn)單方便、價(jià)格便宜。而且后期維護(hù)方便。綜合考慮，選擇電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。

（3）定位機(jī)構(gòu)組合方式

直角坐標(biāo)式機(jī)械手的組合方式可根據(jù)工作負(fù)載、行程等要求組合成龍門(mén)式、懸臂式、壁掛式等，一般為三軸和多軸，可構(gòu)成多自由度。鑒于采摘機(jī)的安裝空間小，要求整體質(zhì)量輕，所以采用懸臂式結(jié)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)包含3個(gè)平面自由度和1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。

4.3 末端抓取機(jī)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用了凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)直線(xiàn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(kāi)閉合一直為平行移動(dòng)，在夾持草莓果梗時(shí)，不會(huì)造成果梗中心位置得偏移。而且?jiàn)A爪的結(jié)構(gòu)緊湊、夾緊力足夠，夾取速度快，工作效率高。

結(jié)論

該設(shè)備主要針對(duì)高架草莓，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)采摘，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、動(dòng)作穩(wěn)定可靠、效率高等特點(diǎn)。

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本項(xiàng)目為2018浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目（2018R427015）和2018年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（20181300 1034S）