基于ARM9的菠蘿采摘機械手設計與應用

楊娜 李秀平 黎騎強 李基有 張艷莉

摘 要 菠蘿品質優異、香氣誘人、口感獨特，富含大量人體所需的膳食纖維、有機酸、維生素及多種礦物質，營養價值較高，深受消費者喜愛，市場需求量日益增大。菠蘿葉帶有小鋸齒，比較堅硬，人工采摘時常造成工人手部受傷，采摘效率較低；而且容易在采摘過程中損傷菠蘿，造成菠蘿商品性降低。根據菠蘿的結構特點，研究設計了一款菠蘿采摘機械手，主要由控制器、剪切刀片、轉動銷、連桿、轉軸電機、可伸縮推桿、控制按鈕等組成，搭建了基于ARM9的電機PID調速系統，ARM9輸出PWM信號控制電機轉速，驅動轉動軸電機調整菠蘿采摘機械手姿態，驅動可伸縮推桿帶動剪切刀片動作，完成菠蘿的采摘。該菠蘿采摘機械手安全可靠，操作簡單，提高了菠蘿的采摘效率。

關鍵詞 菠蘿；采摘；機械手；結構設計；程序設計

中圖分類號：S225.93 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.03.062

水果是人們生活中必不可少的食物之一，其中菠蘿是營養豐富的熱帶水果，品質優異、香氣誘人，具有口感獨特，富含大量人體所需的膳食纖維、有機酸、維生素及多種礦物質等優點[1]，營養價值較高，味道酸甜可口，深受消費者喜愛，市場需求量日益增大。菠蘿原產在南美洲熱帶高溫地區，目前約有90個國家和地區種植，我國的菠蘿種植面積和產量約占世界總量的7%左右[2-3]，主要種植地區為廣西、云南、廣東、海南、福建和臺灣等[4]。隨著經濟的發展和人們多樣化消費需求的日益增加，我國菠蘿消費量快速增長，伴隨北方市場的不斷開拓，菠蘿市場需求更加廣闊，我國的菠蘿種植面積與產量也在逐年增長。

采摘是水果生產鏈條中最耗時、耗力的環節之一。菠蘿采摘作業季節性強，勞動力密集，耗時費力，并且費用高，一般只有一個半月左右的收獲期，因此保證菠蘿適時采收、降低菠蘿采摘費用是果農增收的重要途徑。我國菠蘿植株不僅高度不一，而且密度大，難以用統一的收割方式完成采摘，菠蘿一般生長在丘陵或山地環境中，地理環境較為復雜，并且菠蘿種植面積廣、產量相對較高，普通機械會對菠蘿植株造成損傷，成本高昂，菠蘿運輸車難以進入及自由穿梭作業，容易損傷菠蘿托芽，給菠蘿的采摘收獲帶來難題與考驗，考慮到菠蘿采摘的復雜性，難以大規模采用自動化設備來完成采摘。目前國內絕大部分的菠蘿采摘都采用人工方式進行，而菠蘿的葉子邊緣有很多鋒利的鋸齒，菠蘿果皮堅硬且帶有芒刺[5]，人工采摘有較高的體力和技能要求，不僅成本高昂，而且有可能劃破手指，降低了菠蘿采摘效率[6]。面對日益嚴重的勞動力緊缺和成本快速上漲問題，從多方面考慮，設計了一種菠蘿采摘機械手，可以實現菠蘿的高效采摘，既能避免采摘人員手部與菠蘿的長時間接觸，避免手被刺傷，又能提高菠蘿的采摘效率。

1菠蘿采摘機械手的總體結構設計

1.1 ?總體結構

設計的菠蘿采摘機械手工作時可由工作人員手持[7-8]，按下轉動軸電機按鈕，可以使轉動軸電機旋轉，調整菠蘿采摘機械手的姿態；按下推桿控制按鈕，可以驅動可伸縮推桿動作，從而帶動剪切刀片動作，剪切菠蘿果柄；按下復位按鈕，剪切刀片復位；在采摘菠蘿的過程中按下停止按鈕，采摘中止，通過控制器發送指令驅動電機旋轉，從而實現完整菠蘿果實的自動化采摘。

菠蘿采摘機械手主要由控制器、剪切刀片、轉動銷、連桿、轉軸電機、可伸縮推桿、控制按鈕等組成，其大致結構如圖1所示[9]。

1.2 ?工作原理

為了完成菠蘿的采摘，考慮到菠蘿葉子上有鋒利的銳齒，菠蘿采摘機械手的設計與人工采摘類似，需要通過菠蘿采摘機械手前端的剪切刀片完成菠蘿的采摘。該菠蘿采摘機械手的剪切原理是通過控制器發送控制指令驅動電機動作，從而實現菠蘿果柄的剪斷，工作人員手持菠蘿采摘機械手，調整其姿態，轉動軸電機可以調整將剪切刀片移至菠蘿果柄處，可伸縮推桿可以控制連桿實現剪切刀片對菠蘿果柄的剪切[10]。

1.3 ?主要部件設計及功能分析

菠蘿采摘機械手的整體方案框圖如圖2所示。在ARM9控制器中實現PID算法，ARM9控制器通過RS232串口發送指令給電機驅動器來驅動直流電機，直流電機附帶的旋轉編碼器測量電機的轉速，并且向ARM9控制器輸出脈沖，該脈沖作為PID算法的反饋輸入，ARM9是電路核心部件，可以驅動菠蘿采摘機械手的轉動軸電機和可伸縮推桿，實現菠蘿采摘機械手電機旋轉和可伸縮推桿動作，從而帶動剪切刀片動作。

1.3.1 ?控制器

嵌入式系統體積小、功耗低、成本低，是目前發展較快的信息類技術之一[11]，在使用時可以簡化整個電路控制系統設計，提高系統的可靠性與穩定性。ARM嵌入式系統可以直接調節輸出PWM波的占空比和頻率，從而控制電機的運轉。ARM嵌入式系統與傳統的電路和單片機控制的PWM波形相比，效率、精度更高，響應速度更好，成本更低，功耗較小[12]，ARM處理器在操作性能方面具有非常大的優勢，是高性價比嵌入式處理器的突出代表，具有非常好的應用前景，目前已經深入到農業、工業控制、電子產品、網絡應用等各個領域，將來會應用更加廣泛。菠蘿采摘機械手的控制器設計使用了基于ARM9的核心處理器，ARM9微處理在高性能和低功耗特性方面性能最佳。

1.3.2 ?連桿設計

因連桿所在平面與推桿鉸接處平面間距離較小，近似為平面四桿機構，當連桿繞轉動銷轉動一定角度時，連桿會帶動剪切刀片轉動，從而完成對菠蘿莖部的剪切。該過程能快捷剪斷菠蘿莖部，又能保證切口平整，這樣可以輕松地將菠蘿采摘下來，從而實現菠蘿的采摘[13]。

1.3.3 ?剪切刀片設計

剪切是將菠蘿在果柄處剪斷，是一個非常重要的動作，菠蘿采摘機械手剪切菠蘿果實的果柄，可以將果實與植株分離。菠蘿采摘機械手完成菠蘿果柄的剪斷需要刀片配合，采摘機械手最前端裝有剪切刀片，剪切刀片的運動形式有兩種，一種是刀片既有固定剪，也有活動剪，對菠蘿定位精度要求較高，否則會降低采摘效率；另一種是刀片都為活動剪，采摘菠蘿時比較靈活，由于菠蘿的果柄較短且粗，剪切刀片應該選擇合理，如果采用平刃剪切刀片剪切果柄，可能會在剪切過程中出現滑動現象，這樣就無法剪斷菠蘿果柄[14]，同時降低菠蘿采摘的效率，本設計采用兩刀片均為活動剪的鋸齒形剪刀片，如圖1所示。菠蘿采摘機械手中的可伸縮推桿可以控制連桿實現剪切刀片對菠蘿果柄的剪切，采摘機械手可以可靠、穩定地完成菠蘿采摘。

1.3.4 ?工藝流程

菠蘿采摘機械手能夠完成菠蘿的采摘，同時避免了對采摘者的傷害，該菠蘿采摘機械手工作時需要人工手持，減輕了工作人員的工作量，提高了菠蘿采摘的效率，提升了經濟效益。菠蘿采摘機械手的操作工藝流程如圖3所示。

菠蘿種植地多為丘陵或者山地，田間的活動空間有限，考慮到菠蘿采摘現場復雜的環境及對菠蘿的損傷，從目前菠蘿果園采摘機械發展的總體情況看，本文設計的菠蘿采摘機械手體型合適，機械結構緊湊，可以靈活地在茂密的菠蘿地里完成采摘，能降低菠蘿果農的采摘作業強度，減少菠蘿的損傷，提高采摘效率。

2程序設計

2.1 ?PID算法設計

在過程控制中，PID（比例P、積分I和微分D）控制是一種最常用的經典過程控制方法，比較容易實現，適用范圍廣[15]，參數選定較為簡單，控制參數相互獨立，可以滿足大多數過程控制的響應性、準確性、穩定性需求，PID控制器也被稱為PID調節器，是一種最優控制，其參數整定方式簡便，根據不同需求，可以靈活改變其結構，比如PI、PD、PID。為了保證菠蘿采摘機械手電機控制系統的穩定性，把比例、積分、微分三種作用組合起來，形成PID調節器，其基本傳遞函數為：

[u（t）=Kpe（t）+1Tie（t）dt+Tdde（t）dt] ?（1）

式（1）中，u（t）為控制器輸出，e（t）為控制器輸入，調整比例系數Kp、積分時間常數Ti、微分時間常數Ｔd，可以使菠蘿采摘機械手電機控制系統動靜態穩定。

2.2 ?ARM9程序設計

本設計采用轉速負反饋和PID調節器的閉環負反饋進行調速，ARM9控制器接收直流電機附帶的旋轉編碼器發出的計數脈沖信號，作為PID算法的電機速度檢測值參與計算，當速度給定值與檢測值相等時，PWM的占空比不變，當速度給定值與檢測值不相等時，需要進行PID的參數整定，即整定參數Kp、Ti、Td，來調節PWM的占空比，實現對電機速度的控制。程序流程如圖4所示。

ARM9控制器通過調節PWM的占空比來控制每個電機的工作狀態，實現對電路的導通與關斷；通過ARM9控制器的精準控制，可以使直流電機穩定運行，轉動速度滿足運行標準。在實際電機運行過程中，電機的啟動、停止和速度控制都由程序定義，如果要實現電機的速度控制，則需要改變PWM信號的占空比，借助菠蘿采摘機械手上設置的按鈕，可以完成對菠蘿的采摘。

3 ?發展趨勢

3.1 ?便攜式菠蘿采摘機械手

菠蘿種植地的活動空間有限，如果設計的菠蘿采摘機械手質量或者體積較大，工作人員在使用過程中會造成不便，嚴重影響菠蘿采摘的效率，因此菠蘿采摘機械手在設計時應考慮體型大小、機械結構輕便性，本文設計的菠蘿采摘機械手在滿足要求的前提下外形尺寸盡量小，質量盡量輕，使用更方便，可以降低生產成本，減少果農的經濟負擔，提升經濟效益。菠蘿采摘機械手小型化有利于在茂密的菠蘿地里靈活作業，可以進行實時調整與控制[16]，便攜的菠蘿采摘機械手，可以代替原有的人工采摘，又能防止菠蘿葉被損害，能有效提升菠蘿采摘效率、降低采摘成本，增強了該領域的農用機械控制技術研發實踐力度，具備較高的推廣應用價值。

3.2 ?自動化、智能化菠蘿采摘機械設備

隨著我國農業發展進程不斷加快，農業機械自動化技術的應用和推廣也在不斷地完善，機械化、自動化、智能化水平也得到了進一步提高。由于菠蘿成熟后，葉片相互交錯，較難通過人工手段完成菠蘿的采摘，迫切需要借助自動化、智能化控制手段來實現菠蘿的自動化采摘。在實現菠蘿自動化采摘的過程中，可以實時監控和準確統計菠蘿的采摘角度和采摘力矩[17]，自動化、智能化的菠蘿采摘機械設備可以利用自動控制系統更精確地計算并靈活調節機械手的位置，以增加菠蘿采摘的成功率和降低菠蘿果實的損傷程度，盡量避免采摘機械設備損傷菠蘿表皮，智能化菠蘿采摘機械設備可以更加準確地識別菠蘿的外觀狀態及成熟程度，從而為菠蘿的自動化采摘提供精準判斷根據[18]。

4結論

隨著經濟的發展，人們對菠蘿的需求日益增加，菠蘿市場有很大的發展空間[19]，而我國菠蘿收獲大部分是人工采摘，采摘自動化程度較低，采摘作業復雜，工作量大，費用高，采摘效率低；由于菠蘿作物的特殊性，菠蘿的葉子邊緣有很多鋒利的鋸齒，果皮帶有芒刺[20]，人工采摘容易給采摘人員帶來傷害。考慮到菠蘿生長的自然環境，以及在成熟時的生長狀態，從人性化和實用化的角度出發，設計了一種適宜田間作業的菠蘿采摘機械手，還可以與休閑農業相結合，增強采摘人員的體驗感和趣味性，同時安全可靠，避免了人與菠蘿的直接接觸，減少各方面因素對操作人員的傷害，大大降低了采摘人員的工作強度，提高了采摘效率，提升了經濟效益，采摘過程中菠蘿不受損傷，為菠蘿自動化采摘機的進一步優化設計奠定了基礎[21]。

參考文獻：

[1] ? 鄧祥豐.菠蘿采摘機關鍵部件的設計與分析[D].成都：成都大學，2020.

[2] ? 金琰.我國菠蘿市場與產業調查分析報告[J].農產品市場，2021（8）：48-49.

[3] ? 張日紅，張權，區建爽，等.自走式高地隙菠蘿催花機設計與控制[J].機電工程技術，2022，51（6）：18-21.

[4] ? 鄧祥豐，鄢強，陳代玉，等.菠蘿采摘機械的研究現狀與發展趨勢[J].林業機械與木工設備，2019，47（9）：4-8.

[5] ? 張星.菠蘿采摘機械手的設計[J].安徽科技，2015（2）：50-52.

[6] ? 杜澤亮，張梅，張伊陽，等.便攜式菠蘿采摘機械手設計[J].南方農機，2018（23）：76.

[7] ? 李道義，陳雷，尚小龍，等.菠蘿采摘機械手結構設計[J].農業工程，2019，9（2）：1-5.

[8] ? 吳沛晟，華京.菠蘿采摘機器人的實用化設計[J].蘭州工業學院學報，2016，23（3）：58-61.

[9] ? 廖勁威，朱余清，羅闊，等.菠蘿采摘機械化的發展探索[J].現代農業裝備，2014（5）：56-59.

[10] 馬興灶，連海山，弓滿鋒，等.菠蘿采摘機械手結構設計與試驗[J].山東農業大學學報（自然科學版），2020，51（4）：727-732.

[11] 王亞庭.基于ARM與FPGA的高速數據采集技術研究[D].北京：北京交通大學，2007.

[12] 劉燦偉.基于ARM的直流電機調速系統的研究[D].北京：華北電力大學，2007.

[13] 辛寶英，施俊俠，廖湘湘，等.菠蘿采摘機械手結構設計[J].農業技術與裝備，2014（7）：12-14.

[14] 張西成，張燕.菠蘿采摘機械手的設計[J].農機化研究，2014（11）：130-132，136.

[15] 楊晨陽，王舒憬，王剛.基于ARM的直流電機控制系統設計[J].自動化與儀器儀表，2011（1）：57-59.

[16] 劉子杰，陳海標，王賀瑩，等.跨越式菠蘿采摘車機械結構設計研究[J].糧食科技與經濟，2019，44（3）：96-98.

[17] 胡君易.菠蘿采摘機械研究進展[J].農業技術與裝備，2021（2）：22-23.

[18] 趙華成，姚寧，許趙慧，等.菠蘿自動采摘機構的結構設計與有限元分析[J].浙江水利水電學院學報，2020，32（3）：67-71，89.

[19] 鄧春梅，李玉萍，梁偉紅，等.我國菠蘿產業發展現狀及對策[J].山西農業科學，2018，46（6）：1031-1034.

[20] 吳思宇，張雨佳，王一函.菠蘿輔助采摘機械臂[J].科技與創新，2019（5）：150-151.

[21] 張日紅，施俊俠，張瑞華.菠蘿自動采摘機的結構設計[J].安徽農業科學，2011，39（16）：9861-9863.

（責任編輯：易 ?婧）