關于果蔬采摘機器人機械系統設計與關鍵技術的研究*

王 甦

（河池市職業教育中心，廣西 河池 547000）

隨著社會的快速發展，人工采摘作為農業生產中需要人力最多的一環，成本越來越高，許多國家為了促進采摘業的發展，均在努力研發采摘機器人。通過機器代替人工，既節約成本又提高效率[1]。果蔬采摘機器人是一種采摘設備，其主要的功能是對果蔬進行精準采摘，其工作原理是通過PLC控制系統，在系統中編寫特定的驅動程序；同時，機械手采摘機構應在液壓機的作用下工作，位置檢測裝置的實時監控應返回控制系統，以便相應地調整機構的位置，保證位置的準確性，使得采摘機構能夠按照設定完成動作，滿足果蔬采摘的工作要求。

1 果蔬采摘機器人結構及控制系統的設計

1.1 設計技術要求

主要用途：對果蔬進行采摘及搬運[2]；主要參數：三自由度；手臂可以旋轉180°，速度小于或等于70 mm/s；定位方式：根據地形設置起止位置；定位精度：±0.3 mm；驅動方式：液壓驅動與電機驅動結合；控制方式：PLC；手指握力：500 N；夾持范圍：8 dm3，10 kg，車體部分為直流電機驅動，荷載100 kg。

1.2 果蔬采摘機器人機械手的運動分析

根據果蔬采摘機器人的設計要求，其主要是在PLC的控制下，在編寫程序后，行駛到指定位置，采摘果蔬并運到指定位置。其主要動作順序為：液壓缸處于收縮狀態，手臂處于后限位，小車行駛，識別到成熟果蔬，行駛到指定位置，機械手開始作業：手爪張開—手臂前伸下降—手臂中止—檢測位置—手臂下降—手爪閉合—手臂上升—手臂旋轉180°—手臂下降—手臂下降到指定位置—手爪張開—手臂上升—手臂回轉180°至原始位置[3-4]。

2 手部設計及計算校核

2.1 機械手部設計要求

1）具有一定的夾緊力與驅動力，并且保證具有足夠的夾緊力以便夾斷瓜藤。

2）夾具應有一定的夾緊間隔和開閉角度，從而抓取果蔬。

3）手爪應具有一定的定位方式，從而實現對果蔬的精準抓取。

2.2 手部設計方案

根據設計參數及其工作用途，其要實現果蔬的抓取及瓜藤的切斷，并將果蔬放入小車當中，所以果蔬采摘機器人是用來抓取果蔬及切割瓜藤的夾持裝置。綜上考慮，將抓取部件設計為鏟斗形式，通過螺紋桿的轉動，使得移動平臺移動，進而實現機械手的收縮，完成采摘動作。手爪結構如圖1所示。

圖1 手爪結構示意圖

分析表明，在電機動力不變的情況下，隨著角度的增大，握力增大，因此牽引桿的拉伸增大，手部的設計尺寸應增大，所以α=30°～45°最好。

3 手臂設計及計算校核

3.1 機械手手臂的設計要求

1）臂部因需要承載果蔬及爪部重量，應保證其剛度及強度、承載能力并且控制重量[5]。

2）手臂運動速度要平穩，盡量降低慣性沖擊。

3）減少手臂部件的摩擦，手臂結構盡量簡單緊湊。

3.2 手臂設計方案

本設計的機械手臂，在液壓缸的收縮下能夠實現彎曲運動，而回轉動作則是由機身上的回轉臺在電機的帶動下實現的。采取雙液壓缸的形式對手臂進行推拉從而實現手爪位置的精準控制[5-6]。在最末端裝入電機連接螺紋桿，通過電機的正反轉來實現手部的收縮與張開，進而實現對果蔬的摘取與放下。其結構如圖2所示。

圖2 機械臂結構

4 車身設計及計算校核

4.1 車身的設計要求

1）需安裝一個果蔬機械臂回轉機構并保證其精度及剛度。

2）為采摘機構提供一個穩定的工作平臺。

3）能夠穩定轉向。

4.2 機身的設計方案

本文選用直流電機作為整個裝置的動力源，因此直流電機性能直接決定整個裝置的運行情況。選用電機不僅要考慮價格合理，降低整個裝置成本，也要能夠提高足夠的動力，保證整個裝置穩定運行，還不能選用動力遠大于所需的電機，這樣會造成性能過剩，而且價格昂貴，不符合設計理念。因此選擇電機時，不能考慮單一指標，不僅要考慮多種因素，也要考慮工作環境。計算直流電機功率：

考慮本裝置的整體結構，本裝置需要承受的質量為100 kg，需要載荷為1 000 N，其運行速度V=0.5 m/s，因此：

該機構的傳動效率是0.85，則：

本裝置連接軸轉動，軸的直徑為20 mm，則轉速為：

根據上述計算和論述，考慮到工作環境和實際需求，考慮設計余量，本裝置選取功率為1.5 kW電機，其轉速為2 980 r/min，型號為Y80M1-2[7-9]。如圖3所示。

圖3 電機結構示意圖

5 機械手液壓系統

5.1 機械手液壓系統原理圖設計

根據果蔬采摘機器人的設計要求，本機械手具有三個自由度，具有液壓驅動和PLC控制，能夠實現對果蔬的精確采摘功能[10]。

5.2 液壓元件明細表及模型展示

液壓元件明細、液壓缸模型分別如表1、圖4所示。

圖4 液壓缸模型圖

6 總結

課題組通過對國內外果蔬采摘機器人的了解，對相關技術領域的學習，發現自己的設

計還有很多不足。具體的不足如下：1）結構設計還不夠成熟，由于果蔬的果實與葉片顏色近似，導致果蔬采摘機器人的成功采摘率不高；結構設計還不夠緊湊，機器人價格過高，要想投入生產還需進一步優化；2）PLC設計程序設計可能過于理想，還有許多情況沒有考慮到，程序設計也需要進一步完善；3）在設計過程中，為了追求各個部件的動力充足，在一些方面忽略了環保理念。希望隨著科技的發展，可以制造出識別精確、采摘平穩、動力環保、價格低廉的果蔬采摘機器人，早日幫助果蔬種植戶們解決人工采摘成本高、效率低這一難題。

表1 液壓元件明細表