一種基于Wi-Fi圖像控制的采摘機械手設計

崔嘉龍，金旭星，鄔 凱，任宏洋，高 童

(無錫職業技術學院機械學院，江蘇 無錫 214121)

0 引言

長在較高枝頭處的果實往往個大味美，營養豐富。而基于多種因素，對此處的果實進行人工采摘卻是個難點。對于相關采摘設備的實際應用上，除了一些功能簡單的輔助機械手外，目前尚無真正具有系統意義的高空采摘機械手。本項目的成果為一種基于Wi-Fi視頻回傳的模塊化采摘機械手，課題來自全國大學生機械創新設計大賽，大賽的主題為“關注民生，美好家園”。設計的是一種輔助人工進行蘋果、梨、柑橘、柿子等果實采摘的設備，其輕巧方便，便于攜帶，具有優良的經濟性。

1 整體方案

本設計的整體方案如圖1所示，主要包含：絲杠螺母副雙向差動伸縮桿、直流驅動電機、顯示屏、無線回傳攝像頭、對稱嚙合夾固臂、斜三角鋸齒形剪切刀片、直齒刃剪切刀片轉向舵機、轉向舵機、連接塊等構件。其中，直流電機與雙向差動伸縮桿的輕質正反牙梯形絲杠間以三組減速齒輪聯接，顯示屏通過可調式支架固定于伸縮桿外殼上，伸縮桿起始位置均設有行程開關，所述的兩片剪切刀片呈V型聯接，轉向舵機嵌于連接塊中，轉向舵機的輸出齒輪與對稱嚙合夾固臂的不完全齒輪固聯，對稱嚙合夾固臂為上下兩組，通過銅柱聯接。

1—絲杠螺母副雙向差動伸縮桿；2—直流驅動電機；3—顯示屏；4—無線回傳攝像頭；5—對稱嚙合夾固臂；6—斜三角鋸齒形剪切刀片；7—直齒刃剪切刀片轉向舵機；8、9—轉向舵機；10—連接塊。

功能的實現原理：利用STC51單片機編程進行電路部分控制，通過無線攝像頭進行遠端視頻實時回傳，兩路舵機控制刀頭部分進行180°旋轉定位；主電機經齒輪機構減速后，帶動絲杠螺母副實現桿的雙向伸縮，實現采摘高度的調節功能；利用舵機帶動齒輪連桿機構實現剪切刀片的開合；通過網兜及軟管實現果實減震回收。

2 結構設計與理論計算

2.1 剪切機構

為增大剪切力，末端剪切部分采用的鉸鏈五連桿為雙曲柄機構，2個曲柄末端通過不完全齒輪機構嚙合，方案如圖2所示。斜三角鋸齒形刀片除具有剪切作用外，還有收攏果實柄的作用，有效防止果實滑出刃口。

圖2 剪切機構

剪切刀片長度選定為l1=150 mm，與不完全齒輪固聯的齒輪臂長l2=160 mm，兩嚙合齒輪中心距為a=21 mm，兩刀片開合角度為0～180°，為防止鉸鏈五連桿自鎖，須對舵機轉角α進行限制，可通過編程來實現。

通過平面幾何知識得：

剪切果柄動作由一個MG995金屬銅齒輪舵機提供動力，它能提供1.3 N·m的工作扭矩，反應轉速52～63 r/min，非常符合本作品的使用需求。

果柄受到的剪切力為：

相關調查[4]統計分析了果實樣本采摘過程的受力。峰值壓力和預設壓力通過壓力傳感器標定公式求取。表1中壓力差即為分離果柄過程中對果實產生的附加壓力，對應果柄折斷瞬間壓力變化，其最大值為3.7 N，最小值為0.7 N，平均值為1.9 N。壓力大小不同可能與果實成熟度有關，果實在成熟期果蒂離層易被折斷，相對應壓力小。

表1 果實樣本受力統計分析 單位：N

若果柄到轉軸中心的距離r取值范圍0.01～0.16 m，果柄至少受到的剪切力為8.125 N，完全符合使用要求。

經過以上理論計算及分析，該設計的關鍵承載部件均無問題，實際模型樣機試驗與理論計算和分析相符。

如圖3所示，雙向伸縮桿采用的是2根旋向相反的梯形絲桿，末端螺母與其配合的套筒在周向定位后，可實現雙向伸縮。采用這種伸縮桿，在相同條件下，伸長縮短相同距離所需時間可節約50%，大大提高了機器的定位效率。

圖3 伸縮機構

相關調查[3]研究發現：矮化蘋果果園的果樹行距一般為3.0～4.0 m，果樹高為2.5～3.0 m，約90%以上的果實高度低于2.8 m，冠幅為2.0～2.5 m，枝下高為0.8～1.0 m，結合采摘對象矮化蘋果樹的生長狀況確定采摘機械手目標水平工作空間為0～2.5 m，垂直工作空間為0.8～2.9 m，果實分布深度范圍為0～400 mm[4]。

在實際使用中為方便采摘人員攜帶使用，筆者所在的研究團隊通過調查研究發現，以下尺寸更符合人體舒適度要求。作品設計外形尺寸為：1 200 mm(伸長后為2 000 mm)×200 mm×35 mm。

對于伸縮桿，還應考慮到剛度問題。建立有限元模型，劃分網格，施加相應受力，應力云圖如圖4所示，可知桿完全伸出時，最大變形量為1.499 mm，小于本身屈服強度，對于定位也無較大影響。

圖4 伸縮桿的剛度分析

2.2 遠程控制

通過手機app連接末端控制裝置，控制電機的運動角度及伸縮桿的長度來調節剪口位置，當剪切裝置到適當位置后，果實進入剪切口，觸發剪口進行剪切，果子經網兜落入緩沖軟管中。前端監測裝置實時傳輸視頻信息給采摘者，協助采摘者檢查樹上未成熟果子是否有傷疤，剔除不合格的果子。當電動伸縮桿沒電后，只需要更換手動伸縮桿，就可繼續進行果實采摘工作。電路圖如圖5所示。

圖5 控制電路

2.3 電機的選型

為減輕整體的重量，采用的梯形絲桿為M6×1 000 mm。為傳遞足夠的扭矩，需要對電機進行選型，為延長續航時間，選擇使用可拆卸12 V大容量鋰電池，所以相應的要選用12 V雙滾珠軸承775直流電機(空轉轉速11 000 r/min)提供動力。電動機驅動器型號選A4988電機驅動器，電動機細分數設置為400，完成伸縮桿伸縮動作。直線步進電動機設定速率5.1～30.5 mm/s，可實現推力在75 N以上。配備減速比為1:30的齒輪組，電動機的最大扭矩可達6 N·m。

為了使伸縮桿電機及轉向舵機穩定運行，防止抖動過大，采用的是基于PI調節器的單閉環自動調速系統。

3 創新點及應用

3.1 創新點

1)通過前端智能識別器來識別果子是否成熟，是否有傷疤，剔除不合格的果子。

2)通過控制伸縮桿和舵機使鋼圈調整到相應的位置，從而可以摘取各個角度的果子。

3)斜三角鋸齒形剪切刀片前端為圓弧形，方便快捷地剪切果子，避免損傷。

4)斜三角鋸齒形剪切刀片具有收攏作用，防止剪切時果實滑出。

5)對稱夾固裝置和對稱剪切刀片防止水果偏出。

6)緩沖軟管用于減小果子掉落時的速度，避免果子的損傷。

7)緩沖軟管可有效防止樹枝干擾、掛擋。

8)模塊化末端裝置，方便電動與手動伸縮桿切換。

9)模塊化可拆卸刀片，可安裝塑料夾具，方便剪切葡萄等水果。

10)果實夾固裝置內側鋪設EVA泡棉板材質柔性內襯，減輕水果表皮損傷。

11)便攜背帶讓使用更加省力，提高工作人員工作時長。

12)采用基于PI調節器的單閉環自動調速系統，使伸縮桿電機及轉向舵機穩定運行，防抖動過大。

3.2 應用效果

為驗證該采果器的使用效果，分別在蘋果園及橘園內與工作人員同時采摘，將本設計與徒手采摘的效果進行了比較。

在橘園中，選擇了2棵高矮和果實密度都比較接近的樹，實驗組由一人單獨操作；對照組一人利用剪刀采摘，一人裝箱，高處的果實可以借助梯子類工具。以1 min為限，從果樹下方開始向樹冠方向采摘，一顆果樹采摘完成后，開始采摘下一棵果樹，每分鐘記錄1次2組的采摘情況，數據統計如圖6所示。

圖6 橘園采摘情況對比

在蘋果園中，蘋果的生長密度相比橘子稍小，樹的高度相對略高，人工采摘組仍可以借助登高工具來采摘樹冠上的蘋果。這組實驗中，仍采用前文所述規則。以1 min為限，從果樹下層向樹冠方向依次采摘，所得數據總結如圖7所示。

圖7 蘋果園采摘情況對比

通過比較，發現蘋果園和橘園的采摘效率不同主要是由于果樹的生長情況不同。在橘園中，橘子的生長高度較低，采摘器的主要優勢在于省力、快捷。在蘋果園中，由于蘋果生長高度較高，采摘器的伸縮性得到了更好的應用，而在采摘后期，因為蘋果的密度較小，尋找采摘目標需要一些時問，這一點仍需要改進。將采摘器與人工操作相比較，采摘器的性能明顯占優，不僅操作迅速，而且省去了果實傳遞的過程，采摘也更加輕松。僅在1 min內，效率便大約是人工采摘的2.5倍。