草莓采摘機(jī)設(shè)計(jì)研究

羅振華 蔣芬

摘 要：草莓采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大，成本高，約占草莓種植生產(chǎn)成本的四分之一。本課題對(duì)草莓采摘機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并試制了一套采摘機(jī)構(gòu)，將草莓采摘機(jī)械化、自動(dòng)化，以降低人工成本，提高工作效率。

關(guān)鍵詞：草莓采摘機(jī);設(shè)計(jì);研究

草莓因其可愛(ài)獨(dú)特的外形、酸甜可口的味道以及營(yíng)養(yǎng)豐富的價(jià)值，獲得了大眾的喜愛(ài)。近年來(lái)，由于草莓病蟲害的預(yù)防治理提高，種植與栽培技術(shù)的進(jìn)步，草莓種植在國(guó)內(nèi)得到了很大的推廣。武漢市新洲區(qū)近幾年的草莓種植面積增加迅速，出現(xiàn)幾個(gè)種植面積過(guò)千畝的村子。據(jù)新洲區(qū)的草莓合作社負(fù)責(zé)人介紹，本地草莓從11月份就開始上市了，因?yàn)楸缺狈匠鞘猩鲜袝r(shí)間早，所以大量的草莓都遠(yuǎn)銷到沈陽(yáng)、西安、北京等地。草莓采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大，成本高，約占草莓種植生產(chǎn)成本的四分之一，因此需要自動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本。本課題對(duì)草莓采摘機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并試制了一套采摘機(jī)構(gòu)，將草莓采摘機(jī)械化、自動(dòng)化，以降低人工成本，提高工作效率，有效減輕果農(nóng)的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，有利于進(jìn)一步擴(kuò)大草莓生產(chǎn)規(guī)模。

一、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

（一）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

草莓采摘機(jī)構(gòu)在國(guó)內(nèi)尚屬初步研究階段，多為實(shí)驗(yàn)室研究，很少進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)階段。草莓采收進(jìn)行的依然是人工采摘，由于苗圃高度有限，人工采摘需要以下蹲姿態(tài)在田坎間反復(fù)移動(dòng)。草莓采摘屬于大體力勞動(dòng)，且長(zhǎng)時(shí)間以此姿態(tài)進(jìn)行勞作，對(duì)身體會(huì)產(chǎn)生極大的勞動(dòng)負(fù)荷，腰部損傷幾率較大。國(guó)內(nèi)研究的采摘機(jī)械基本上是大型器械，整體體積龐大，移動(dòng)運(yùn)行需通過(guò)導(dǎo)輪或履帶，能耗高，效率底，成本難以承受。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的草莓采摘機(jī)器人“采摘童1號(hào)”為高架采摘機(jī)器人，主體材質(zhì)為鋁合金，能自主搜索、識(shí)別和采摘成熟草莓果實(shí)。

（二）國(guó)外研究現(xiàn)狀

在草莓采摘收獲方面，德國(guó)和日本走在世界的前列。以日本為例，近藤等學(xué)者針對(duì)現(xiàn)代溫室栽培模式的特點(diǎn)，研制出適于高架栽培的草莓采摘機(jī)器人設(shè)備。該采摘機(jī)器人采用5自由度的機(jī)械手，視覺(jué)系統(tǒng)與其他果蔬采摘機(jī)器人相似，采用真空加切割器的末端執(zhí)行器。收獲時(shí)，首先由機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)定位出采摘成熟草莓的空間位置，隨后采摘機(jī)械手移動(dòng)到設(shè)定的位置，末端執(zhí)行器接近目標(biāo)直到把目標(biāo)草莓吸住。由3對(duì)光電開關(guān)檢測(cè)草莓的位置，當(dāng)草莓位于合適的位置時(shí)，腕關(guān)節(jié)移動(dòng)，果柄進(jìn)入指定位置，由切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成一次采摘。

二、草莓采摘機(jī)工作原理

草莓采摘機(jī)由采摘機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三大部分組成。采摘機(jī)構(gòu)主要完成機(jī)械臂對(duì)草莓的采摘操作和存儲(chǔ)工作。行走機(jī)構(gòu)完成整套裝置在田間地壟的行走，并保證裝置運(yùn)行的平順性和通過(guò)性。控制機(jī)構(gòu)包括采摘識(shí)別控制，采摘?jiǎng)幼骺刂坪托凶吣Ｊ娇刂啤２葺烧獧C(jī)通過(guò)顏色傳感器識(shí)別草莓是否成熟，當(dāng)草莓為綠色時(shí)，草莓采摘機(jī)械手臂反向運(yùn)動(dòng)退回，當(dāng)為紅色時(shí)，機(jī)械手末端執(zhí)行器以合適的力度夾持住草莓，同時(shí)由切割器切斷果柄，然后將草莓收集到存儲(chǔ)傳輸裝置。

三、草莓采摘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）采摘機(jī)構(gòu)

采摘機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)部件是機(jī)械手。因?yàn)槌墒斓牟葺谋砥け容^脆弱，其形狀也較復(fù)雜，所以機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式以及末端采摘執(zhí)行器的設(shè)計(jì)都非常關(guān)鍵。機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)360°全身轉(zhuǎn)動(dòng)、腰轉(zhuǎn)、肩轉(zhuǎn)、肘轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)和腕擺六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)選擇6個(gè)自由度的機(jī)械手，會(huì)讓末端執(zhí)行器的動(dòng)作更加靈活，使得它能夠繞開障礙物進(jìn)行采摘作業(yè)。末端執(zhí)行器的抓持力控制要求很高，且?jiàn)A持系統(tǒng)應(yīng)具有一定柔性，以補(bǔ)償控制產(chǎn)生的誤差，避免夾持力過(guò)小而抓取失穩(wěn)，導(dǎo)致草莓掉落。在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，基于草莓的物理特性，在機(jī)械手采摘草莓的時(shí)候，末端執(zhí)行器首先旋轉(zhuǎn)調(diào)整合適的角度，再前進(jìn)抓住果柄，同時(shí)會(huì)有一個(gè)鎳鉻電熱絲切割果柄。

（二）行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)摒棄了輪式或履帶式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用絲桿滑臺(tái)為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以在較窄且不平坦的壟溝中實(shí)現(xiàn)較平穩(wěn)地行走。

（三）控制機(jī)構(gòu)

視覺(jué)是人類最重要的感覺(jué)之一，我們從外部世界獲取信息大部分都是通過(guò)視覺(jué)完成的，因此草莓采摘機(jī)識(shí)別裝置關(guān)鍵是信息視覺(jué)處理。顏色識(shí)別傳感器主要由彩色攝像機(jī)來(lái)尋找和識(shí)別成熟的草莓，利用雙目視覺(jué)方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。采摘時(shí)，由視覺(jué)系統(tǒng)計(jì)算目標(biāo)的空間位置，然后控制機(jī)械手移動(dòng)到預(yù)定位置，末端執(zhí)行器靈活移動(dòng)直到完成采摘。我們運(yùn)用了超聲波模塊，來(lái)確定草莓與機(jī)械手的距離。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)以確定草莓與機(jī)器手的距離。在節(jié)約和效果的分析過(guò)程中，我們選擇了LD-20MG的舵機(jī)，同時(shí)增加了六路藍(lán)牙舵機(jī)控制板從而達(dá)到控制精度高，線性度好，響應(yīng)速度快。使用者還可以通過(guò)藍(lán)牙，使用手柄控制機(jī)器，達(dá)到更加人性化的設(shè)置。

四、結(jié)語(yǔ)

本文研究設(shè)計(jì)出的草莓采摘機(jī)，能實(shí)現(xiàn)全身轉(zhuǎn)動(dòng)、腰轉(zhuǎn)、肩轉(zhuǎn)、肘轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)和腕擺六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，末端采摘機(jī)構(gòu)不以草莓果實(shí)作為抓取目標(biāo)，而是剪切草莓果柄，不傷害果實(shí)。同時(shí)增加了六路藍(lán)牙舵機(jī)控制板從而達(dá)到控制精度高，線性度好，響應(yīng)速度快。使用者還可以通過(guò)藍(lán)牙，用手柄來(lái)控制機(jī)器，達(dá)到更加人性化的設(shè)置。行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，可以在較窄且不平坦的壟溝中行走。整個(gè)機(jī)構(gòu)以電動(dòng)裝置作為驅(qū)動(dòng)源，動(dòng)力單一、簡(jiǎn)單實(shí)用、操作方便，能有效提高采摘效率，降低生產(chǎn)成本，減少農(nóng)民負(fù)擔(dān)，符合國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行情，具有廣泛的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：羅振華，副教授，研究方向：動(dòng)力機(jī)械及工程;蔣芬，副教授，研究方向：汽車設(shè)計(jì)、工程機(jī)械。