蘋果采摘輔助機(jī)械手設(shè)計(jì)

張強(qiáng)+金世佳

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的人工采摘蘋果存在的問題，研究設(shè)計(jì)一種“仿生+智能”的蘋果采摘輔助機(jī)械手。介紹該機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)，闡述其工作原理、特點(diǎn)及操作步驟，以期為該機(jī)械手在蘋果采摘中的應(yīng)用與推廣提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：蘋果；采摘；仿生；智能；輔助機(jī)械手；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2017）08-0017-03

傳統(tǒng)的蘋果采摘多為人工采集，效率低，采摘的蘋果質(zhì)量參差不齊，影響到蘋果的產(chǎn)量和效益。為了降低果農(nóng)工作強(qiáng)度，減少采摘時(shí)間，提高工作效率，方便我國(guó)中小型果園的采摘工作，對(duì)機(jī)械水果采摘進(jìn)行研究并設(shè)計(jì)一種順應(yīng)智能時(shí)代的蘋果采摘輔助機(jī)械手。

該機(jī)械手以“仿生+智能”為總體設(shè)計(jì)思路，其機(jī)械結(jié)構(gòu)細(xì)分為三部分：一是手持部位，利用伸縮桿來達(dá)到采摘的任意高度；二是可調(diào)角度的旋轉(zhuǎn)軸，連接手持部位上伸縮裝置的最前端，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸的角度可以在任意位置采摘；三是手部的動(dòng)作，通過仿人手的機(jī)構(gòu)直接抓取或夾緊并上下起程。在電路控制方面，利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和單片機(jī)原理來控制伸縮桿的伸縮長(zhǎng)度，達(dá)到采摘的高度；利用單片機(jī)控制電機(jī)，從而控制旋轉(zhuǎn)角度；利用PLC、單片機(jī)原理、液壓傳動(dòng)和激光傳感器來控制手指的張合與上下運(yùn)動(dòng)，以及二葉刀的剪接等一系列動(dòng)作。

1 蘋果采摘輔助機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械手是執(zhí)行裝置，主要由手臂、手腕和手部等組成，其中：手部為與蘋果直接接觸的仿人手指夾持的部件；手腕為連接部件，用來調(diào)整采摘的角度；手臂為支撐手部等組織的部件，用來帶動(dòng)手部動(dòng)作，按給定的上下軌跡去輔助手部完成夾持過程。二葉剪刀是剪切蘋果桔梗的執(zhí)行部件，其在減速電機(jī)的帶動(dòng)下可以更有力地快速剪切，防止在剪切過程中力不夠而燒毀電機(jī)。支座是整個(gè)機(jī)械手的支撐部件，起到整體支撐和連接的作用。機(jī)械手的二維與三維草圖分別如圖1和圖2所示。

1.2 電路結(jié)構(gòu)

蘋果采摘輔助機(jī)械手電路結(jié)構(gòu)主要包括位置檢測(cè)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)利用PLC、單片機(jī)及液壓傳動(dòng)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的目的在于驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂；位置檢測(cè)裝置通過測(cè)量蘋果的實(shí)際位置和機(jī)械手的實(shí)際位置并進(jìn)行對(duì)比，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳給控制系統(tǒng)；動(dòng)力裝置與輔助裝置等裝置共同組成啟動(dòng)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的工作過程就是將實(shí)際位置與程序設(shè)置給定位置相比較，進(jìn)而讓執(zhí)行部件更為精確地進(jìn)行夾持，然后控制二葉刀剪切收割蘋果。

2 蘋果采摘輔助機(jī)械手的設(shè)計(jì)原理與特點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)原理

蘋果采摘輔助機(jī)械手由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成。在控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下，于一定時(shí)間內(nèi)按給定速度及運(yùn)動(dòng)軌跡來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的動(dòng)作。蘋果采摘輔助機(jī)械手的原理如圖3所示：

2.2 各部分的設(shè)計(jì)

2.2.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 夾持式手部由仿生手指和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。采用3只手指外夾式，在夾持時(shí)可以達(dá)到完全約束。手部夾具設(shè)計(jì)需要考慮以下幾方面。

1） 具有適當(dāng)?shù)膴A緊力。因?yàn)樘O果多汁易碰傷，所以在蘋果采摘中對(duì)觸碰力控制要求很高。手指對(duì)蘋果夾緊力的計(jì)算公式為：

Fn=h1h2h3G

式中：Fn為夾緊力；h1為安全系數(shù)；h2為工作狀況系數(shù)；h3為方位系數(shù)，根據(jù)手指與蘋果不同位置選??；G為蘋果重力。

2） 具有足夠的開閉角。手指在夾緊和松開蘋果時(shí)，必須具有足夠大的開閉角來適應(yīng)不同大小的蘋果，使夾持中心位置偏差小、精度高。

3） 蘋果采摘輔助機(jī)械手必須有足夠的剛度和強(qiáng)度。在采摘時(shí)需要考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性和振動(dòng)所帶來的影響，如果手臂沒有足夠的強(qiáng)度和剛度就容易彎曲變形。

4） 為了保護(hù)蘋果不被碰傷，還需要在手指內(nèi)側(cè)加置軟墊。

2.2.2 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手腕結(jié)構(gòu)從自由度和驅(qū)動(dòng)力兩方面來設(shè)計(jì)。在蘋果采摘過程中要避免因樹枝的歪曲而造成采摘困難，所以要求手腕部位可以回轉(zhuǎn)（角度小于180 °）。驅(qū)動(dòng)手腕需要克服離心力、摩擦力和向心力，手腕驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為：

2.2.3 立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 立柱結(jié)構(gòu)是用于支撐手部的部件，在手部夾持蘋果時(shí)需要向下帶動(dòng)手部，避免二葉剪刀在剪切時(shí)損傷蘋果。利用單片機(jī)編程來控制立柱的上下移動(dòng)（10 mm左右）。

2.2.4 手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在手臂設(shè)計(jì)中，考慮到是由人手持操作，不需要回轉(zhuǎn)左右移動(dòng)，所以利用電推桿的原理來替代復(fù)雜的手臂部分，從而達(dá)到節(jié)省采摘成本、使用方便省力、提高采摘效率的目的。電動(dòng)推桿主要由減速齒輪、彈簧、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、螺桿、螺母、推桿、滑道、外殼及渦輪等部分組成。電機(jī)經(jīng)齒輪減速器后，帶動(dòng)一對(duì)絲桿螺母，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，利用電機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿動(dòng)作。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下幾個(gè)方面：1） 推桿的行程，利用編碼器實(shí)現(xiàn)；2） 推桿位置反饋，利用電位器及霍爾反饋；3） 精確控制推桿，利用PLC精確控制。

3 蘋果采摘輔助機(jī)械手操作步驟

該機(jī)械手高效簡(jiǎn)便，所有工作人員均適宜操作。手持采摘器，根據(jù)果實(shí)的高度與距離調(diào)節(jié)伸縮桿及兩伸縮桿的角度（遇到樹枝阻礙可調(diào)角度避開障礙，防止損壞樹體本身），然后用采摘器將果實(shí)套入即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剪切，利用網(wǎng)袋及緩沖裝置使果實(shí)輕輕落入收集裝置。

4 蘋果采摘輔助機(jī)械手的推廣應(yīng)用

目前市場(chǎng)上專門采摘蘋果的機(jī)器很少，采摘效率也不理想，而效果較好的機(jī)器又比較昂貴。本研究設(shè)計(jì)的蘋果采摘輔助機(jī)械手可以大大減少果農(nóng)采摘蘋果的時(shí)間，提高采摘效率，減少果實(shí)損傷率，且成本合理，可以解決果農(nóng)采摘蘋果的問題。

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