薛政坤　劉春麗

摘要：該采摘機(jī)是在傳統(tǒng)機(jī)械臂基礎(chǔ)上，采用了先進(jìn)的機(jī)械機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)方案和控制系統(tǒng)，使得果農(nóng)在采摘水果過(guò)程中更加地智能和便捷。采用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)全部零件，可以實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真。該作品獲得了2017年遼寧省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)；舵機(jī)； 控制；機(jī)械臂

1 研制背景及意義

隨著世界人口的急劇增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所承受的壓力越來(lái)越大，對(duì)大規(guī)模、高效率的生產(chǎn)模式的需求也日益明顯。同時(shí)，科技的發(fā)展和各種理論、技術(shù)的突破，也使得這類(lèi)生產(chǎn)模式成為可能。農(nóng)業(yè)機(jī)器人憑借其無(wú)疲勞、高效率的優(yōu)勢(shì)起到相當(dāng)重要的作用，自動(dòng)采摘機(jī)器人正是在這種背景下誕生的。20世紀(jì)末開(kāi)始，美國(guó)、日本、法國(guó)、印度等許多國(guó)家開(kāi)始了對(duì)自動(dòng)采摘機(jī)器人的研究，并取得了一定成果，但應(yīng)用情況并不樂(lè)觀。本作品運(yùn)用在智能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程（在家中或者控制室中）控制采摘機(jī)，完成整個(gè)采摘過(guò)程。其可以大幅度地節(jié)省人力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率。具有應(yīng)用前景廣闊、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

2 采摘機(jī)的組成及工作原理

2.1 簡(jiǎn)介

該采摘機(jī)由采摘收集系統(tǒng)和整理系統(tǒng)兩部分組成。采摘收集系統(tǒng)為機(jī)械臂采摘結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)舵機(jī)的控制，使得圖臂桿六自由度靈活的轉(zhuǎn)向擺臂，最頂端裝有夾頭（夾頭上安裝有用來(lái)剪枝的刀片），與此同時(shí)，還安裝有攝像頭用來(lái)回傳現(xiàn)場(chǎng)圖像。下半部分則為車(chē)體水果收集箱，其頂端采集回來(lái)的水果通過(guò)管道進(jìn)入車(chē)體，車(chē)體與管道的銜接處安裝有紅外傳感器，用來(lái)計(jì)數(shù)采集回來(lái)的水果數(shù)量并顯示在車(chē)體上的顯示屏上。水果進(jìn)入車(chē)體的管道后，會(huì)被車(chē)體內(nèi)的整理系統(tǒng)合理地?cái)[放在車(chē)體內(nèi)。 當(dāng)收集箱集滿或完成采摘任務(wù)時(shí)，可控制車(chē)體的后背蓋全自動(dòng)打開(kāi)，此時(shí)后背蓋變?yōu)榧茉谲?chē)體與地面之間的斜坡，使得水果合理的卸出。

2.2 采摘收集系統(tǒng)

采摘收集部分裝有兩個(gè)刀片和一個(gè)環(huán)形漏斗，采摘時(shí)通過(guò)攝像頭將影像傳輸回來(lái)，可以選擇人工控制機(jī)械臂或者選擇機(jī)械臂自動(dòng)采摘。采摘時(shí)環(huán)形網(wǎng)袋會(huì)套住果實(shí)，將果實(shí)的枝干部分靠入爪機(jī)構(gòu)中，爪子的合并使得刀片將枝干剪斷，使果實(shí)通過(guò)與環(huán)形漏斗滑入車(chē)體。

2.3 整理系統(tǒng)

整理系統(tǒng)由一個(gè)小型舵機(jī)和三個(gè)步進(jìn)舵機(jī)組成。用支架將三個(gè)步進(jìn)舵機(jī)組成XY軸平面坐標(biāo)系，運(yùn)用絲桿結(jié)構(gòu)將小舵機(jī)與一個(gè)運(yùn)輸小平臺(tái)連接，使支架上的小舵機(jī)連接的小型運(yùn)輸平臺(tái)可在XY坐標(biāo)系平面內(nèi)有序運(yùn)行。小舵機(jī)控制平臺(tái)開(kāi)關(guān)，水果能夠正確墜入系統(tǒng)指定位置。

2.4 工作部分

在工作部分中，機(jī)械臂的頂端的夾頭上安裝有一套剪枝刀片，用于適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)χl的裁剪。機(jī)械臂的本體擁有五個(gè)自由度即可有五個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，手機(jī)端使用藍(lán)牙與51單片機(jī)端的串口藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)異步通信。機(jī)械臂的動(dòng)作分別采用了無(wú)人工干預(yù)的全自動(dòng)分配聯(lián)動(dòng)算法，使控制變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。采集回來(lái)的水果經(jīng)過(guò)中間的減速緩沖帶進(jìn)入收集箱，為了確保水果的品質(zhì)，在車(chē)體收集裝置的入口處安裝了一個(gè)運(yùn)送平臺(tái)，水果進(jìn)入平臺(tái)后停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)水果也遮攔住了入口處所放置的紅外傳感器，再經(jīng)過(guò)誤差排除即可完成一次有效計(jì)數(shù)。

車(chē)體內(nèi)部的整理系統(tǒng)將水果按程序有序整齊地排列在收集箱中，卸水果時(shí)，收集箱的后蓋自動(dòng)打開(kāi)，車(chē)體后蓋形成一定角度的斜坡以便水果自動(dòng)傾倒到地面。車(chē)體內(nèi)配有LED燈管，在夜晚來(lái)臨或者光線不足時(shí)可以開(kāi)啟燈光進(jìn)行光線補(bǔ)償。

2.5 顯示記錄部分

顯示記錄部分由紅外傳感器和顯示屏組成，它可以實(shí)時(shí)測(cè)出進(jìn)入箱體內(nèi)的水果個(gè)數(shù)，并通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)。

2.6 控制原理

該機(jī)器控制系統(tǒng)為：嵌入式Openwrt系統(tǒng)的ARM控制板，手機(jī)電腦等終端設(shè)備直接連入網(wǎng)即可與此控制板通信。同時(shí)夾頭的上方也安放一顆720P的高清攝像頭并且使用常見(jiàn)的USB線與ARM控制板連接，最高可以以30幀的流暢度將采集到的現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息通過(guò)Openwrt的ARM控制板回傳到控制終端。機(jī)械臂的本體擁有五個(gè)自由多即可有五個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)可運(yùn)動(dòng)。手機(jī)端使用藍(lán)牙與51單片機(jī)端的串口藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)異步通信。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）巧妙運(yùn)用機(jī)械臂六自由度結(jié)構(gòu)完成復(fù)雜情況的采摘功能，在控制算法上采用獨(dú)創(chuàng)的聯(lián)動(dòng)算法，讓操作者輕松上手。

（2）使用基于Linux內(nèi)核的開(kāi)源嵌入式Openwrt系統(tǒng)，將該系統(tǒng)與路由器整合并掛載攝像頭完成遠(yuǎn)程圖像回傳，并結(jié)合手機(jī)App實(shí)施遠(yuǎn)程控制。

（3）利用舵機(jī)、電機(jī)以及設(shè)置運(yùn)送平臺(tái)，采摘回來(lái)的水果得以完好的進(jìn)入收集裝置中。

（4）在車(chē)體內(nèi)裝有整理裝置，可以使采集好的水果在車(chē)體內(nèi)有序地?cái)[放，減少水果互相碰撞造成損傷。

（5）具有記錄功能，能準(zhǔn)確地反應(yīng)出箱體內(nèi)部水果的個(gè)數(shù)。

3.2 應(yīng)用

相比現(xiàn)階段我國(guó)國(guó)內(nèi)采摘機(jī)器，該采摘機(jī)具有多功能化、操作簡(jiǎn)便、可靠性高、智能化等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)該采摘機(jī)的使用者文化程度要求不高，使用方法簡(jiǎn)單，維修維護(hù)方便，價(jià)格合理，便于果農(nóng)使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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基金項(xiàng)目：由遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助（項(xiàng)目編號(hào)：201810146050）

作者簡(jiǎn)介：薛政坤（1997），本科，專業(yè)領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械電子工程；劉春麗（1972），講師，專業(yè)領(lǐng)域機(jī)械設(shè)計(jì)。