淺談數控技術在采摘機器人作業中的應用

李曉靜

摘?要：在農業生產的過程中，采摘是十分重要的環節。采摘往往會消耗大量的時間和人力成本，但受到果蔬季節性的影響，采摘工作又具有很大的時間限制。針對這種情況，我國加強了技術研究，將自動化、智能化等技術應用在采摘作業中，采摘機器人應運而生。本文主要就數控技術在采摘機器人作業中的應用進行了相關的闡述和分析。

關鍵詞：數控技術;采摘機器人;作業

近年來，我國果園和菜園的面積在不斷加大，但采摘方式仍舊沿用傳統的人工采摘模式，不僅耗時耗力，且成本較高。統計顯示，人工采摘消耗的成本占果蔬種植總成本的50%-70%。為了進一步發展我國農業種植業，不僅要提升中職技術，還要優化采摘方式，從人工采摘逐步轉變為機械采摘。目前，我國已經有部分地區開始使用采摘機器人進行采摘，其不僅具有較高的采摘效率，且應用成本較低，可以減少人工成本的投入。采摘機器人主要以數控技術為基礎進行路線規劃、障礙躲避等，所以要提升采摘機器人的作業效率，就要加強對數控技術的研究。

一、采摘機器人的特點和發展現狀

（一）特點

采摘機器人的作業環境經常會受到天氣、季節變化的影響，所以其需要具備高智能化水平的控制系統。采摘機器人主要用于蔬菜和水果的采摘，大部分果實的表皮組織的比較柔軟，容易被外力損壞，所以采摘機器人需要安裝一個柔軟性較好的末端執行器，以此確保采摘果實的完整性。不同的果實會生長在不同的位置，如一些果實生長在樹上，一些果實生長在藤蔓上。且果實的大小、成熟期也存在差異，所以機器人的視覺定位難度較大。在設計采摘機械手時，應該對果蔬的栽培方式進行考慮，確保機械手可以滿足采摘要求，并且不會損壞植物的莖稈、葉片等部位，能夠根據設定好的路線準確無誤的抓取果實[1]。因此，機械手需要具備躲避障礙的能力，可以采用冗余度機械手，這種機械手段的優點比較明顯，但由于自由度較高，所以控制難度較大。采摘機器人主要由農民操作，所以機器人的操作難度不能太高，要確保農民可以快速學習和掌握。此外，還要控制機器人的生產成本，確保農民能夠負擔機器人的采購費用。

（二）發展現狀

早在1983年美國就已經誕生了西紅柿采摘機器人，其后隨著技術的成熟，日本和一些歐美國家也逐漸研發出了用于采摘不同果實的機器人。我國對采摘機器人的研究較晚，主要借鑒西方發到國家的先進技術和經驗。目前，我國已經研究出了人機協作型柑橘采摘機器人、多功能葡萄采摘機器人等。

二、采摘機器人的主體結構設計

（一）整體結構

根據農業采摘的實際需求，在設計采摘機器人時，應該從經濟性、實用性等多個方面考慮。可以采用欠驅動方式，設計結構可以分為后驅動方位移動輪式平臺和末端執行作業機械手臂兩個部分。該機器人的系統結構為自由式，有后置驅動輪式憑條進行控制，具有很強的障礙躲避性能，能夠在各類地形、地質條件下應用，自用性、運動性能較高[2]。此外，機械手臂可以采摘不同角度和方位的果實，具有很強的兼容性，可以采摘的果蔬種類較多。從設計成本的角度來看，該機器人滿足了經濟性的要求，整體投入較低，但應用效果較強，且不需要較高的維護成本，可以廣泛應用于各類農業生產活動之中。

（二）部件設計

部件采用驅動設計結構，由后輪驅動機器人，前輪用于旋轉運動。后輪驅動可以增加機器人的動力，即使遇到泥洼等復雜地形也可以順利的通過。后輪串聯在主體電機上，以此降低機器人作業時的能耗，可以提升能源的利用效率，進而滿足節約成本得要求。前輪也與主體電機串聯，可以控制機器人的轉向，在作業的過程中可以確保機器人運作的穩定性。末端執行裝置是采摘機器人的核心，該裝置采用“諧波傳統”的傳動流程，依附于行星減速機，能夠提升矩傳輸效率，使其達到最優。末端執行裝置的體積并不大，具有靈活性高的特點，且應用成本較低，可以用于多種果蔬采摘作業中。該裝置通過特殊齒輪來旋轉運動，根據不同的環境，齒輪會作出不同的調整，確保機器人作業的精確性，從而滿足采摘要求。

三、采摘機器人數控系統設計

（一）數控系統的設計應用

目前來看，我國大部分采摘機器人的核心應用技術都為數控技術，通過設計數控系統來實現機器人的控制和運作。數控系統即利用數控程序控制機器人，使機器人根據規劃方案執行操作。數控系統具有復雜性、綜合性的特點，對技術的要求較高。在采摘機器人中，數控系統主要控制上位機軟件和下位機軟件。前者會根據操作指令執行操作，主要負責機器人的運動、旋轉、采摘等動作。后者用于數據采集和分析，其與網絡中斷相連，具有較強的輔助作用。

（二）數控硬件和軟件系統

在數控系統中，硬件控制系統是最基礎、最核心的組成部分，其包括驅動器、單片機、步進電機等多個組成元件。在整個控制流程之中，單片機發揮了極大的作用，根據我國果蔬種植特點和發展現狀，我國果蔬采摘機器人數控系統中的單片機可以選用AVR ATmega16單片機，其具有價格低廉、經濟適用的特點。該單片機兼容性較高，集成性較強的高品質產品，可以極大的提升果蔬采摘的效率和質量。進步電機可以選用直線步進電機，該電機穩定性較強，可以持久作業[3]。數控軟件是采摘機器人的核心，主要用于機器人的控制和動作設計等多個方面，需要做好參數調整，并根據需求進行程序設置，確保采摘作業可以順利完成。可以采用PID算法程序設計軟件，該模式采用微分設計和積分設計兩種設計調整環節，經過該算法程序的設計，數控軟件的控制方式能夠得到極大的優化，對系統運行也有較大的集約式主導作用，能夠降低系統生產、采摘運作中可能出現的誤差，從而提升采摘的效率和質量。

四、結語

綜上所述，為了提升果蔬采摘的效率和質量，可以使用采摘機器人進行機械采摘，從而節省人力成本。數控技術是采摘機器人的核心技術，該技術的好壞對采摘機器人的作業質量有直接關系。所以，要構建合理的數控結構并做好數控系統設計，確保數控技術能夠充分發揮作用。

參考文獻：

[1]韓志國，呂富華.淺談智能機器人數控技術在機械制造中的應用[J].數字通信世界，2019，172（04）：190.

[2]李桐順.數控技術在機械制造中的應用和發展[J].科學與財富，2017（8）：76.

[3]張海英.機器人與加工中心集成技術應用[J].中國科技成果，2017（4）：62-63.