多功能六軸機器人設計分析

摘要：借助采摘機器人代替空余勞動力的方法被更廣泛應用。因此，提出采摘機器人機械手臂機電一體化設計。對采摘機器人機械手臂的機電一體化結構設計：設計基于機電一體化的機械手臂底座，同時，設計機械臂農作物識別傳感器，完成采摘機器人機械手臂機電一體化設計。

關鍵詞：機器人;機械手臂;機電一體化

1、研究背景

我國作為一個農業國家為了促進農業的發展，農業機械化、自動化與智能化是實現現代農業的發展趨勢，并成為農業發展力量的必要條件。近年來，隨著我國自動控制和機械臂技術的迅速發展，機械臂從工業領域逐漸滲透到農業領域。農業機械臂能夠滿足采摘的要求成為關鍵技術之一。在收獲的時候，采摘需要大量的人力物力資源，并且效率不高。水果富含營養，對人體有很多好處，人們對水果的需求與日俱增。因此，水果種植面積逐漸增加，而采摘是種植過程中最耗時的，所以水果采摘機械手臂的設計具有重要意義。

2、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。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。[1]如圖1所示。

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。

3、水果采摘機械手臂的設計方案

日常生活中水果的種類繁多，每種水果的生產環境有所不同，果樹的高度也有所不同。本文主要研究關于蘋果等水果類采摘智能機械手臂的研究。本機械手臂主要包括兩部分，分別是兩自由度的移動載體和四自由度的機械手臂。機械手臂的第一自由度控制機械手臂底座的轉動，二三自由度控制機械手臂伸展，第四自由度控制機械爪的張開與閉合。[2]機械手臂的結構簡圖及傳動簡圖如圖2、圖3所示。

4、采摘機械手臂底座設計

機械臂靈活的移動范圍相對較小，這就導致了機械臂在果園中無法自由移動去采摘果實，為了解決這一問題，可以設計一個可移動的機械臂底座，以增加機械臂的靈活性，適用于果園摘果。蘋果果實的生長地面一般不平坦。因此，所選的機械臂應該能夠在各種路面上前進，以方便后續采摘移動。因此，可以選用履帶式車輪、平板式車架，這使得機械臂的運動平穩，容易固定。

5、采摘機械臂結構設計

根據機械手臂工作時動作形態中坐標形式的不同，農業機械手臂可分為以下四種：圓柱坐標型、直角坐標型、極坐標型和多關節型。

1）圓柱坐標型。該類機械手臂的工作范圍是一圓柱體，它是由轉動關節和移動關節組成的機械臂，結構比較簡單。它主要是由垂直柱子、水平移動關節和底座構成。這類機械手臂的水平移動關節裝在垂直柱子上，能自由伸縮，并可沿垂直柱子上下運動;垂直柱子安裝在底座上，并與水平移動關節一起繞底座轉動。圓柱坐標型機械手臂的特點有：占地面積比較小，活動范圍比較大，結構比較緊湊，定位精度比較高等。但是，靈活度比較差是圓柱形機械手臂的主要缺陷。

2）直角坐標型。直角坐標系末端執行器的工作位置是由三個相互垂直的并且做直線運動的軸來確定的。這種機構比較簡單，適合自由度要求不多的機械手臂，由于三軸互相垂直，可以當成空間直角坐標系來看，所以這一類的機械臂定位都是很精確的。但是這類機械手占地空間比較大，靈活性不好，如果用在農業上會存在一定局限性。[3]

參考文獻：

[1] 羅昕.機電自動化控制系統的一體化設計[J]. 南方農機，2020.

[2] 申永勝.機械原理教程[M]3版.北京：清華大學出版社，2018.

[3] 成理鵬，張繼光，李春雪.一種水果采摘機的結構及功能設計[J].南方農機，2018.

作者簡介：夏明（1996.05-），山東交通學院本科學生，指導老師：李光。92391A63-24D9-4CB8-991C-12C615E30BB5