全自動(dòng)草莓采摘蜘蛛車

裴雷 沈宇 蘇浩陽(yáng)

摘 要：該論文研究一種全自動(dòng)草莓采摘蜘蛛車，包括柔性草莓采摘器；柔性草莓采摘器包括底座，底座上沿周向設(shè)置至少三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的四連桿機(jī)構(gòu)；四連桿機(jī)構(gòu)由主臂、指段、副臂、底座依次鉸接而成；指段的末端向下延伸成為夾持端，三個(gè)指段的夾持端相向設(shè)置；主臂上端鉸接在底座上，副臂與底座之間設(shè)置彈性張緊裝置；主臂與底座之間設(shè)置拉繩驅(qū)動(dòng)裝置；在柔性草莓采摘器的底座上設(shè)置底座上蓋，底座上蓋連接三個(gè)移動(dòng)自由度的機(jī)械臂，底座上蓋作為機(jī)械臂的動(dòng)平臺(tái)，機(jī)械臂的靜平臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制器連接。可以自動(dòng)行走并移動(dòng)、自動(dòng)識(shí)別成熟草莓并確定距離，夾持端可以同步柔性合攏與令張開，也作為緩沖裝置防止夾壞草莓且成本低廉。

關(guān)鍵詞：草莓；蜘蛛車；全自動(dòng)

1 背景技術(shù)：

國(guó)內(nèi)草莓種植面積和產(chǎn)量有逐年增加的趨勢(shì)，但是由于采摘環(huán)節(jié)落后的人工作業(yè)方式，制約了草莓種植業(yè)的發(fā)展。目前有相關(guān)研究針對(duì)我國(guó)常見的溫室里高壟畦作栽培的草莓，初步建立了草莓采摘機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在草莓果實(shí)目標(biāo)識(shí)別、提取、定位、采摘機(jī)器人及手爪等方面的研究取得了一定成果。還有跨壟作業(yè)4個(gè)自由度的草莓收獲機(jī)器人設(shè)備。該機(jī)器人采用兩個(gè)俯視地面的CCD攝像機(jī)獲取草莓的圖像，計(jì)算出草莓的方位，用激光傳感器測(cè)量機(jī)械手爪到草莓的距離；采用氣動(dòng)機(jī)械手爪抓取草莓果柄，并用剪切式切刀切斷果柄。但這僅僅只是一個(gè)草莓采收實(shí)驗(yàn)裝置，體積比較龐大，且沒有驅(qū)動(dòng)裝置，成本高，無法進(jìn)行大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

草莓采摘器即草莓采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器，是用來采摘草莓的機(jī)構(gòu)。草莓的外表比較脆弱，采摘時(shí)候容易損傷。為了解決這個(gè)問題，常使用的辦法是設(shè)置柔性爪子或者采用剛?cè)峄旌蠙C(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)往往比較復(fù)雜，而且成本高、控制復(fù)雜。

2 主要內(nèi)容：

一種全自動(dòng)草莓采摘蜘蛛車，包括柔性草莓采摘器；柔性草莓采摘器包括底座，底座上沿周向設(shè)置至少三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的四連桿機(jī)構(gòu)；四連桿機(jī)構(gòu)由主臂、指段、副臂、底座依次鉸接而成；指段的末端向下延伸成為夾持端，三個(gè)指段的夾持端相向設(shè)置；主臂上端較接在底座上，副臂與底座之間設(shè)置彈性張緊裝置；主臂與底座之間設(shè)置拉繩驅(qū)動(dòng)裝置；在柔性草莓采摘器的底座上設(shè)置底座上蓋，底座上蓋 連接三個(gè)移動(dòng)自由度的機(jī)械臂，底座上蓋作為機(jī)械臂的動(dòng)平臺(tái)，機(jī)械臂的靜平臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制器連接。

四連桿機(jī)構(gòu)的較接點(diǎn)之間依次連線組成平行四邊形，使夾持端運(yùn)動(dòng)過程中只平移、角度不變，三個(gè)夾持端構(gòu)成平夾狀態(tài)。

拉繩驅(qū)動(dòng)裝置指：每個(gè)主臂與底座鉸接處設(shè)置銷軸，銷軸的主臂上設(shè)置主臂繩孔，銷軸對(duì)應(yīng)的底座上設(shè)置底座繩孔，底座繩孔到銷軸的距離與主臂繩孔到銷孔的距離相同；在底座上設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)盤，在主臂繩孔、底座繩孔，轉(zhuǎn)動(dòng)盤之間設(shè)置繩子，繩子的一端固定在轉(zhuǎn)動(dòng)盤上，另一端順時(shí)針或逆時(shí)針依次穿過底座繩孔、主臂繩孔最后固定，將三個(gè)主臂與對(duì)應(yīng)的底座通過繩子串聯(lián)在一起；驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)繩子收緊使夾持端向內(nèi)合攏。

轉(zhuǎn)動(dòng)盤為舵機(jī)帶動(dòng)的舵盤，繩子兩端相隔18 0度固定在舵盤上。

彈性張緊裝置為扭簧，扭簧中心設(shè)置在副臂與底座的較接軸上，扭簧一端設(shè)置在 副臂上，扭簧另一端設(shè)置在底座連接對(duì)應(yīng)四連桿機(jī)構(gòu)的副臂與主臂的側(cè)邊上。

彈性張緊裝置為一端設(shè)置在副臂上、另一端設(shè)置在銷軸上的彈性繩或者壓縮彈簧。

底座的底部外表面設(shè)置攝像頭和超聲波測(cè)距器，所述攝像頭和超聲波測(cè)距器均與控制器連接。

底座上蓋上固定電機(jī)，電機(jī)輸出軸通過底座中心軸位置且與底座固定。

機(jī)械臂的靜平臺(tái)設(shè)置在行走機(jī)構(gòu)上，行走機(jī)構(gòu)包括四個(gè)輪子和其上支架并驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3市場(chǎng)應(yīng)用：

采摘器上設(shè)置攝像頭自動(dòng)識(shí)別，設(shè)置超聲定位裝置確定位置，可以自動(dòng)識(shí)別成熟草莓并確定距離；副臂與底座之間設(shè)置彈性張緊裝置，主臂與底座之間設(shè)置拉繩驅(qū)動(dòng)裝置，使夾持端可以同步柔性合攏與張開，也作為緩沖裝置防止夾壞 草莓且成本低廉。夾持端為平夾裝置，防止夾漏且控制簡(jiǎn)單；旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)底座旋轉(zhuǎn)，可以擰掉夾持住的草莓。采摘器設(shè)置在delta機(jī)械臂和行走裝置上，可以自動(dòng)行走并移動(dòng)。具有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 李沖沖，馬曉錄，郭永剛，等. 一種跨壟式草莓采摘車的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2018（3）：149 - 151.

[2] 吳曉云，高照全，李志強(qiáng)，等. 國(guó)內(nèi)外草莓生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，30（2）：21 -26.

[3] 楊冀，覃曉濤，王忠萍，等. 新型草莓采摘機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2018（2）：38.

作者簡(jiǎn)介：裴雷（1997-），男，漢族，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2016級(jí)學(xué)生