基于機(jī)械手臂的葉菜有序收獲機(jī)械設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳玉娟+++劉永華

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)葉菜快速自動(dòng)收獲，綜合運(yùn)用嵌入式軟硬件開發(fā)技術(shù)，選用Arduino IDE作為軟件設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)，研制開發(fā)了一種集采摘、自動(dòng)收集等多種功能于一體的葉菜有序收獲裝置，它由控制模塊、采摘模塊、收集模塊等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整棵葉菜的收割與采集，并且擺放有序，便于挑選整理，對(duì)于提高葉菜收獲生產(chǎn)效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：葉菜；有序收獲；收獲機(jī)械

中圖分類號(hào)： S225.92文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0353-03

[HJ1.3mm]

收稿日期：2016-10-14

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（14）2110]；江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程（編號(hào)：SXGC[2016]305）；江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目（編號(hào)：2013td06）。

作者簡(jiǎn)介：吳玉娟（1981—），女，江蘇南京人，碩士，講師，主要從事機(jī)電綜合研究與開發(fā)。E-mail：623255445@qq.com。

中國(guó)是蔬菜生產(chǎn)大國(guó)，但蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化水平卻相對(duì)落后，其中葉菜類蔬菜收獲機(jī)械裝備在我國(guó)幾乎還是空白，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，蔬菜機(jī)械化收獲技術(shù)在我國(guó)越來(lái)越受到重視。歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家蔬菜種植以大面積農(nóng)田種植為主，開發(fā)應(yīng)用的蔬菜收獲機(jī)械主要是大中型機(jī)械設(shè)備，發(fā)達(dá)國(guó)家收獲機(jī)械的割臺(tái)較為單一，不適合我國(guó)多品種的葉菜形態(tài)，且單臺(tái)收獲機(jī)械重量重、面積大，容易造成對(duì)作物的壓踏，影響蔬菜作物的后續(xù)生長(zhǎng)和收獲效率，直接引進(jìn)應(yīng)用價(jià)值不大。通過(guò)資料查詢，國(guó)內(nèi)尚無(wú)對(duì)整棵葉菜的收割與采集、擺放有序整理以及后期銷售成型的葉菜收獲機(jī)械；因此，研制開發(fā)一種基于機(jī)械手臂的葉菜有序收獲裝置，對(duì)于提高葉菜收采效率和降低蔬菜生產(chǎn)成本具有重要意義[1]。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于機(jī)械手臂的葉菜有序收獲裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括收獲機(jī)械本體、抓取裝置、控制系統(tǒng)等3大部分組成。其中機(jī)械本體通過(guò)專用控制器與抓取裝置、切割裝置、傳送裝置、裝箱裝置以及顯示裝置相連接。機(jī)械本體的前端上方安裝有抓取裝置，前端下方安裝有切割裝置，中部上方安裝有傳送裝置，傳輸裝置末端下方設(shè)有裝箱裝置，裝箱裝置安裝在收獲機(jī)械本體上，收獲機(jī)械本體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[2-3]。

1.2工作原理

通過(guò)收獲機(jī)械本體前端的傳感器檢測(cè)前方是否有葉菜，并將檢測(cè)信號(hào)傳至控制器，如果無(wú)葉菜，控制器將停止機(jī)械手抓取和切割裝置切割等動(dòng)作，并將此信號(hào)反饋給顯示裝置顯示；如果前方有葉菜，控制器驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂到設(shè)置的位置，控制機(jī)械手抓取葉菜，控制器控制機(jī)械手臂向后翻轉(zhuǎn)至傳送帶上方，并使葉菜莖稈與傳送帶運(yùn)動(dòng)方向垂直，同時(shí)松開機(jī)械

手[CM（25]，葉菜水平落在傳送裝置上，然后控制器控制機(jī)械手臂復(fù)[CM）]

[FK（W14][TPWYJ1.tif]

位。當(dāng)傳送帶翻轉(zhuǎn)至背面時(shí)，傳送帶上的葉菜掉入下方菜籃里。菜籃通過(guò)下方齒輪齒條傳動(dòng)，進(jìn)行前后移動(dòng)（移動(dòng)方向與傳送帶移動(dòng)方向同軸），可實(shí)現(xiàn)葉菜的有序裝載。

1.3性能特點(diǎn)

（1）機(jī)械手夾持葉菜位置可進(jìn)行調(diào)整，可達(dá)到機(jī)械手最佳夾持葉菜位置。（2）切割裝置位置可上下調(diào)整，根據(jù)觸摸屏所輸入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)切割裝置自動(dòng)調(diào)整上下位置，實(shí)現(xiàn)最佳切割位置。（3）當(dāng)切割完成，機(jī)械手夾持葉菜翻轉(zhuǎn)至傳送帶上，使莖稈與傳送帶運(yùn)動(dòng)方向垂直，實(shí)現(xiàn)蔬菜采摘有序傳送擺放。（4）當(dāng)傳送帶翻轉(zhuǎn)至背面時(shí)，傳送帶上的葉菜掉入下方菜籃里。（5）菜籃通過(guò)下方齒輪齒條傳動(dòng)，進(jìn)行前后移動(dòng)（移動(dòng)方向與傳送帶移動(dòng)方向同軸），可實(shí)現(xiàn)葉菜的有序裝載。（6）用戶還可通過(guò)觸摸屏的用戶界面，輸入機(jī)械手抓取葉菜初始位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)抓取葉菜最佳位置。（7）觸摸屏設(shè)計(jì)界面友好，收獲機(jī)械全程狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并自動(dòng)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)不同品種、不同長(zhǎng)勢(shì)葉菜類蔬菜有序收獲。

基于機(jī)械手臂的葉菜有序收獲機(jī)械裝置，將滿足廣大蔬菜種植戶提高收獲勞動(dòng)效率的迫切需要，對(duì)于解決蔬菜收獲難題具有重要意義。

[BT1#]2葉菜有序收獲裝置工作流程設(shè)計(jì)

根據(jù)葉菜通過(guò)顯示裝置調(diào)整機(jī)械手臂抓取位置、切割裝置的切割位置、平板速度、傳送帶速度、菜籃重量等參數(shù)，也可選擇控制器保存的歷史參數(shù)。

通過(guò)收獲機(jī)械本體前端的光電傳感器檢測(cè)前方是否有葉菜，并將檢測(cè)信號(hào)傳至控制器，如果無(wú)葉菜，控制器將停止機(jī)械手抓取和切割裝置切割等動(dòng)作，并將此信號(hào)反饋給顯示裝置顯示；如果前方有葉菜，控制器驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂到設(shè)置的位置，控制機(jī)械手抓取葉菜；當(dāng)未檢測(cè)到葉菜持續(xù)時(shí)間超過(guò) 10 min 后，控制器自動(dòng)停機(jī)斷電。

控制器控制機(jī)械手臂向后翻轉(zhuǎn)至傳送帶上方，并使葉菜莖稈與傳送帶運(yùn)動(dòng)方向垂直，同時(shí)松開機(jī)械手，葉菜水平落在傳送裝置上，然后控制器控制機(jī)械手臂復(fù)位。

通過(guò)傳送帶將葉菜傳送到菜籃中，菜籃反復(fù)由前向后和由后向前移動(dòng)，即菜籃由前向后移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到達(dá)后限位時(shí)，再由后向前移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)受到達(dá)到前限位時(shí)，再由前向后移動(dòng)，如此反復(fù)，直到菜籃質(zhì)量達(dá)到預(yù)設(shè)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)葉菜的有序擺放；在菜籃移動(dòng)過(guò)程中，平板下方的質(zhì)量傳感器不斷將檢查到的質(zhì)量信號(hào)傳輸給控制器，控制器使顯示裝置顯示質(zhì)量信息，并判斷菜籃的質(zhì)量是否達(dá)到預(yù)設(shè)質(zhì)量值，如果達(dá)到發(fā)出信號(hào)通知用戶[4]。收獲機(jī)械工作流程見(jiàn)圖2。

3有序收獲機(jī)械控制模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了使有序收獲機(jī)械裝置能夠自動(dòng)收獲不同尺寸的蔬菜類型，設(shè)計(jì)開發(fā)有序收獲機(jī)構(gòu)控制裝置傳感器控制模塊軟件，完成了控制模塊研發(fā)。

3.1控制模塊硬件設(shè)計(jì)

本裝置采用Arduino作為控制模塊的開發(fā)平臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改造。PDA作為裝置的控制器及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，需要內(nèi)嵌1個(gè)無(wú)線通信模塊，以實(shí)現(xiàn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線組網(wǎng)（圖3）。我們對(duì)PDA硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，以便能夠使用RS232串口與無(wú)線通信模塊進(jìn)行互聯(lián)互通。無(wú)線通信模塊接收傳感器節(jié)點(diǎn)集數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)傳輸至PDA處理，從而在PDA上顯示和存儲(chǔ)[5-6]?？刂颇K硬件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

3.2控制模塊件設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)用的有序收獲機(jī)械控制程序，選用了便捷[CM（25]靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)Arduino作為軟件設(shè)[CM）]

[FK（W8][TPWYJ3.tif]

計(jì)的開發(fā)平臺(tái)，它能夠支持在Windows、Macintosh OSX、Linux等3大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行。在控制模塊軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照軟件工程化的設(shè)計(jì)理念，嚴(yán)格遵循需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測(cè)試的工程化設(shè)計(jì)理念，研制開發(fā)了控制模塊軟件系統(tǒng)。其中收獲葉菜傳感器模塊數(shù)據(jù)采集工作流程為傳感器上電之后初始化，然后打開定時(shí)器定時(shí)，時(shí)鐘溢出產(chǎn)生中斷，可以通過(guò)模擬開關(guān)ADG704依次選通相應(yīng)的通道進(jìn)[CM（25]行葉菜尺寸數(shù)據(jù)采集；AD采集包括初始化AD轉(zhuǎn)換器、啟[CM）]

[TPWYJ4.tif]

動(dòng)AD轉(zhuǎn)換、判斷AD轉(zhuǎn)換狀態(tài)，最后讀取AD轉(zhuǎn)換后數(shù)值。為了減小誤差，每個(gè)通道重復(fù)采集后取平均值，然后選通下一個(gè)通道，直到采集完所有通道的信號(hào)。當(dāng)所有通道信號(hào)都采集完畢后，將數(shù)據(jù)傳輸給控制器，即PDA。完成之后再次打開定時(shí)器定時(shí)，進(jìn)行下一輪測(cè)量、采集[7-8]。傳感器軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖5。

[FK（W18][TPWYJ5.tif]

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)軟件系統(tǒng)對(duì)控制收獲機(jī)械臂偏移數(shù)據(jù)的采集結(jié)果，運(yùn)用Matlab仿真分析軟件對(duì)其結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析，仿真分析結(jié)果見(jiàn)圖6。

[TPWYJ6.tif；S+3mm]

軟件系統(tǒng)的編程代碼如下：

pinMode（12，INPUT）；

Serial.begin（9600）；

myshow=0；

mycomflag=2；//機(jī)械臂默認(rèn)上電狀態(tài)為：2自動(dòng)運(yùn)行

myservoA.attach（3）；//控制腰部（A）的端口是3號(hào)

myservoB.attach（5）；//控制大臂（B）的端口是5號(hào)

myservoC.attach（6）；//控制小臂（C）的端口是6號(hào)

myservoD.attach（9）；//控制小臂旋轉(zhuǎn)（D）的端口是9號(hào)

myservoE.attach（10）；//控制腕部（E）的端口是10號(hào)

myservoF.attach（11）；//控制腕部旋轉(zhuǎn)（F）的端口是11號(hào)

myservoG.attach（8）；//kongzhidao pian——2

myservoA.write（10）；//初始5點(diǎn)鐘方向10-110

myservoB.write（10）；//越小越陡10-30

delay（1000）；

myservoC.write（130）；//

myservoD.write（90）；

myservoE.write（10）。

4結(jié)論

基于嵌入式軟硬件開發(fā)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)，研制開發(fā)了一種集采摘、自動(dòng)收集、包扎等多種功能于一體的葉菜有序收獲裝置。對(duì)完成的葉菜有序收獲裝置進(jìn)行初步試驗(yàn)，獲得了以下結(jié)論：（1）機(jī)械手夾持葉菜位置要能夠滿足收獲不同尺寸葉菜需求進(jìn)行調(diào)整，并且必須能夠依托傳感器自動(dòng)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。（2）切割裝置位置要能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)上下自動(dòng)調(diào)整，當(dāng)切割完成，機(jī)械手夾持葉菜翻轉(zhuǎn)至傳送帶上，使莖稈與傳送帶運(yùn)動(dòng)方向垂直，實(shí)現(xiàn)蔬菜采摘有序傳送擺放。（3）當(dāng)傳送帶翻轉(zhuǎn)至背面時(shí)，傳送帶上的葉菜掉入下方菜籃里，否則不利于打包。

[HS2][HT8.5H]參考文獻(xiàn)：[HT8.SS]

[1]宋長(zhǎng)鳴. 蔬菜價(jià)格波動(dòng)背景下生產(chǎn)者種植意愿變化研究——兼論對(duì)Logistic模型的重新解讀[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，21（1）：147-156.

[2]林瑾. 機(jī)械手臂抓取軌跡精度測(cè)試仿真分析[J]. 中國(guó)測(cè)試，2013，39（3）：125-128.

[3]范正妍，楊飛. 智能機(jī)械手臂造型設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30（12）：100-102.

[4]劉燕，劉洋. 基于變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)誤差研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27（12）：62-65.

[5]張燁. 基于Arduino控制板的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)無(wú)線采集系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（7）：439-442.

[6]左現(xiàn)剛，劉艷昌，王建平. 基于Arduino和 VI 的農(nóng)田信息無(wú)線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016（2）：213-217.

[7]付煥森，李元貴，張雪蓮，等. 智能專家系統(tǒng)在蔬菜溫室大棚種植中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（1）：240-244.

[8]田素博，王榮華，邱立春. 溫室穴盤苗自動(dòng)移栽輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40（4）：620-622.