基于單片機(jī)的便攜式茶葉采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)

閆 潤(rùn)，徐祝君

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400）

基于單片機(jī)的便攜式茶葉采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)

閆 潤(rùn)，徐祝君

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400）

為了提高茶葉品質(zhì)，人工采茶方式沿用至今。針對(duì)人工采茶勞力不足的現(xiàn)狀，文章開發(fā)了一種模擬人工采茶的便攜式茶葉采摘機(jī)械手，設(shè)計(jì)了其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，并利用 UG進(jìn)行了建模和仿真，試制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期結(jié)果，具有一定的應(yīng)用前景。

茶葉；機(jī)械手；單片機(jī)

茶是一種十分古老飲品，在我國(guó)傳承已久，深受世界人民喜愛。長(zhǎng)期以來我國(guó)茶葉的采摘以人工為主。人工采茶雖然采摘的茶葉整體質(zhì)量高，但存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、采摘速度慢等不足。文章擬研究對(duì)茶葉單個(gè)新梢進(jìn)行采摘的機(jī)械臂和相應(yīng)的采摘裝置，并對(duì)其結(jié)構(gòu)及控制方式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，開發(fā)一種便攜式的茶葉采摘機(jī)械手，以其實(shí)現(xiàn)茶葉采摘的半自動(dòng)化。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文章設(shè)計(jì)的便攜式茶葉采摘機(jī)械手主要由固定支架，移動(dòng)工作平臺(tái)，串聯(lián)機(jī)械臂，采摘裝置（機(jī)械手指）四個(gè)部分組成，UG建模如圖1所示。移動(dòng)平臺(tái)底盤為雙圓盤設(shè)計(jì)，中間為轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中標(biāo)號(hào)為1#電機(jī)，可帶動(dòng)機(jī)械臂作0～360°雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂主要功能是連接移動(dòng)平臺(tái)和采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在較大的范圍帶動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)到達(dá)采摘的指定位置并為其提供準(zhǔn)確的姿勢(shì)。機(jī)械臂上安裝4臺(tái)電機(jī)，其中2#、3#、4#電機(jī)分別控制1#機(jī)械臂、2#機(jī)械臂、采摘裝置繞平臺(tái)坐標(biāo)系X方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，用來控制機(jī)械臂的總長(zhǎng)度；5#電機(jī)控制采摘裝置繞Z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，用來調(diào)整采摘裝置的姿勢(shì)，使采摘機(jī)構(gòu)以30～60°方向進(jìn)行采摘。

圖1 機(jī)械手UG建模結(jié)構(gòu)圖

（2）串聯(lián)機(jī)械臂長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。工作空間決定著茶葉采摘機(jī)械的整體尺寸，而整個(gè)工作空間與臂長(zhǎng)有著密切的關(guān)系。因此根據(jù)工作空間的要求，求出滿足條件的驅(qū)動(dòng)臂及執(zhí)行臂尺寸。在文章中臂長(zhǎng)的控制主要靠1#，2#，3#機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)完成，各級(jí)機(jī)械臂的尺寸確定如表1所示。

表1 各機(jī)械臂及驅(qū)動(dòng)編號(hào)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）控制要求分析。基于茶園地形與茶葉生長(zhǎng)具有不確定性，采摘機(jī)械手必須考慮茶樹的生長(zhǎng)特性，才能保證采到的茶葉符合標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)不同的采摘環(huán)境，確定采摘機(jī)械手控制原則為：①機(jī)械臂各關(guān)節(jié)之間不能耦合，也不能與茶葉新梢產(chǎn)生相互干涉；②機(jī)械臂應(yīng)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，以節(jié)省占地空間；③采摘裝置依附機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)保證采摘的靈活性。

（2）控制電路設(shè)計(jì)。文章選用的控制系統(tǒng)為51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)。依據(jù)茶葉采摘機(jī)械手控制要求分析及51單片機(jī)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了復(fù)位電路、震蕩電路、ROM電路，電機(jī)控制電路、時(shí)鐘電路、通信電路等模塊。

（3）運(yùn)動(dòng)特征設(shè)計(jì)。在采茶過程中，茶葉采摘機(jī)械手的初始位置坐標(biāo)由系統(tǒng)給定。機(jī)械手首先通過底盤將機(jī)械臂送到系統(tǒng)Z軸上方，并將目標(biāo)位置坐標(biāo)與系統(tǒng)坐標(biāo)系進(jìn)行位差計(jì)算，獲得機(jī)械手與目標(biāo)的相對(duì)位置。當(dāng)控制系統(tǒng)給定目標(biāo)后，機(jī)械手首先沿支撐架方向進(jìn)行平動(dòng)，使其以最快速度到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，同時(shí)計(jì)算目標(biāo)是否在機(jī)械手的可執(zhí)行范圍內(nèi)。系統(tǒng)平動(dòng)完成后進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制以確定采摘方向。機(jī)械手采摘時(shí)為剪切運(yùn)動(dòng)，采摘后的茶葉被機(jī)械手指夾緊并放入指定的收集盒中，因此，機(jī)械手指設(shè)計(jì)了伸出、剪切、茶葉回收三個(gè)子動(dòng)作。

3 樣機(jī)試制及實(shí)驗(yàn)

（1）試制樣機(jī)?；谏鲜霾枞~采摘機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定試制樣機(jī)使用鋁合金材質(zhì)，控制電機(jī)采用直流步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)控制系統(tǒng)密封，編制運(yùn)動(dòng)控制程序，寫入系統(tǒng)。因樣機(jī)制作中需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，故控制器的密封盒暫未安裝，試制樣機(jī)如圖2所示。

圖2 機(jī)械手試制樣機(jī)圖

（2）采摘實(shí)驗(yàn)。將移動(dòng)平臺(tái)架設(shè)在固定軌道上，茶葉新梢坐標(biāo)直接從計(jì)算機(jī)輸入并導(dǎo)入控制系統(tǒng)的ROM中。選取校區(qū)茶園作為臨時(shí)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，采摘實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

圖3 采摘實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

實(shí)驗(yàn)當(dāng)天為多云天氣，溫度19～28℃，東南風(fēng)——東風(fēng)，微風(fēng)3～4級(jí)，采摘實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表中A代表機(jī)械手平動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間，B代表機(jī)械臂調(diào)整時(shí)間，C代表機(jī)械手指采摘時(shí)間。以上數(shù)據(jù)顯示，采摘成功率約為80%，在成功抓取的茶葉新梢中，葉片完整約為90%。采摘的效果與新梢的相對(duì)位置相關(guān)度較高。

表2 采摘實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

文章對(duì)便攜式茶葉采摘機(jī)械手進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)建模及仿真，試制了樣機(jī)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。但本設(shè)計(jì)未對(duì)機(jī)械手的重復(fù)精度進(jìn)行分析，后續(xù)研究將對(duì)具有相似形態(tài)的新梢進(jìn)行機(jī)械手的重復(fù)采摘實(shí)驗(yàn)，以確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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[3]李憲華，張雷剛，郭帥，等.一種開放式機(jī)械臂3D虛擬仿真平臺(tái)快速構(gòu)建方法[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2017，（9）：1-8

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江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201313103013Y）。

閆潤(rùn)，講師，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化研究工作。