采摘機器人機械手臂機電一體化設計

李 源，喬龍圖

（鄭州鐵路職業技術學院， 鄭州 450000）

0 引言

隨著開墾荒地和沙漠改造等工程的不斷完工，農業種植面積不斷擴大，再加上土地單產量不斷增高，農作物的采摘任務越來越重。因此，采摘技術需符合當代農作物的采摘需求。人力采摘因為高成本低效率的問題已經逐漸被采摘機器人代替。現代農業機械已經可以代替人力完成農作物種植、樹木栽種和農作物采摘等多項工作。通過機械代替人力在農作物的生產中發揮作用為農作物的生產節省了3層的成本。

在農作物的生產過程中，農作物的采摘是耗費人力大的部分。用機械代替人力之后，采摘工作的效率大大提升[1]。采摘機器人的設計應該更具有普遍適用性，這也成為采摘機器人設計的一大難點。果實的成熟與否，不具有種植經驗的人通過肉眼都很難判斷，對于采摘機器人來說判斷果實的成熟度是一大技術難題，而水果的質地一般比較柔軟，采摘力度也需要好好把握，避免在采摘過程中傷到果實，基于上述問題本文對采摘機器人的手臂進行機電一體化設計，希望對解決上述問題提供一定的幫助。

1 采摘機器人機械手臂的機電一體化結構設計

采摘機器人的主要是由機械臂回轉部分、機械大臂、機械小臂和機械腕部四部分組成。想要實現農作物的自由采摘，機械臂的靈活度至少要和人類手臂的靈活度一致，因此機械臂回轉部分要保證機械手臂可以進行360°的旋轉。機械臂的大臂擁有2個自由度，小臂也需要擁有2個自由度[2]。機械臂的大臂和小臂之間的結構采用平行四邊形連接方式，比起傳統方式的矩形結構，平行四邊形的機械臂的水平和垂直運動的靈活性更好。

圖1 機械手組成方框圖

機械手臂的啟動設備中增加離合器，這樣可以保證在做回轉運動的時候在足夠驅動力的前提下，還能保證回轉靈活。將傳統機械臂中所用的絲杠螺絲改換成小型推桿。絲杠螺絲會限制機械手臂在實操中的升降速度，小型推桿的雙螺母結構會消除空氣阻力，加快機械臂的運動速度。

2 基于機電一體化的機械手臂的底座設計

機械臂的基座的設計也影響機械臂運動的整體靈活性，將機械臂的外接電源改為電池供電，并將實心底座設計為空心底座，將驅動電源安裝在基座中。可以避免外接電源因為電源線的長短限制采摘機器人的行動范圍。

圖2 機械手臂底座及連接結構圖

基座兩側安裝蝸輪，電池驅動蝸輪轉動，蝸輪上連接的轉軸會幫助機械臂完成采摘動作。基座中的電池采用雙電驅動方式，足夠的電力也是減少動力傳感的損耗。可保證機械臂在運動中動力十足，而此時機械臂對果實進行定位之后，需要減速開始采摘，雙[3]電驅動只需減少電力輸出就可以實現機械臂減速。機械臂的機械手腕是利用差動原理進行設計的，蝸輪和蝸桿和運行齒輪之間產生第一差動力，機械臂支撐的和支撐外側產生第二差動力。兩個差動力之間的差異不宜過大，機械腕的自由度實現主要依靠俯仰軸的轉動，而這種機電一體化的設計也可以消除傳動間的縫隙，實現無間隙傳動。

基座的支撐結構外側齒輪與傳動軸連接，蝸輪與中控傳動軸連接。機械臂的基座應設計一定的防護，在基座與其他部分連接的地方套上膠皮的密封圈，防止在運動中產生磨損影響采摘機器人的使用壽命。

3 機械臂農作物識別傳感器設計

機械臂對農作物的識別采用超聲波距離測定傳感器，傳感器的供電電壓只需要5 V就可以驅動，可以在距離農作物果實3 cm的地方檢測到果實的存在，實現最終的定位，傳感器擁有一定的感應傾角，可以變換采摘角度，保證果實采摘的順利。傳感器的工作電流為2 mA，即使在工作中出現漏電故障，也不會對果實造成破壞[4]。

傳感器具有體型小、耗電低的優點，可以根據農作物的實際情況進行量程設定。農作物的生熟識別依靠的是紅外線感應，紅外線感應利用了陽光對農作物的作用，適用于大部分農作物。對果實的判斷正確率大于95%，紅外線感應不僅可以識別果實的生熟，還可以避免在采摘的過程中遇到障礙物[5]。紅外線發射出去后遇到障礙物后，進行信號反射，接收器接收到前方有障礙物信號后會及時調整方向，避免在采摘過程中撞上障礙物，損壞機械臂的零件。

4 實驗

為了驗證該項技術能滿足采摘機械化的要求，設置對比實驗，對比本文設計的采摘機器人機械臂與傳統的機械臂哪種工作效率更高。

4.1 實驗準備

采摘機器人的抓力是判斷機械臂優劣的重要指標，結合果園采摘的實際情況，在仿真軟件中設定機械臂的技術參數如表1所示。

表1 機械臂的技術參數

果實的采摘機器人的機械臂的運動軌跡可以用來輔助判斷手臂的心梗，在仿真軟件的圖形界面可以完整觀察到機械臂的運動軌跡。API場景交互模式可以實現軌跡追蹤結果轉換為方便觀察的實時曲線。對機械臂的運動捕捉采用VRLI技術。實際產品樣圖如圖3所示。

圖3 實際產品樣圖

4.2 實驗結果與分析

在仿真平臺中設置果實的具體位置，使用三維坐標的方式展現，對比果實實際位置與機械臂的預判位置，比較位置偏差，實驗結果如表2。

表2 果實位置與機械臂預判位置對比結果（mm）

實驗結果如表2所示，本文設計的機械臂，在相同的仿真環境中的位置偏差不超過1 mm，而傳統的機械臂的位置偏差最高可達5 mm，在實際的果實采摘中是采摘不到果實的，必須進行重新定位。反復定位需要大量時間，肯定會降低機械臂的工作效率。因此該實驗結果可以驗證本文設計的機械臂工作效率更高。

5 結束語

機電一體化在采摘機器人機械臂設計中的技術融入，有效提高了機械臂的采摘精準性，機械臂的采摘誤差小，旋轉范圍更廣，大量投入生產性價比極高。希望本文的設計理念可以給予專業的研究團隊靈感，在日后早日實現機電一體化與機械手臂的完美結合。