新型水果采摘機(jī)械器人設(shè)計(jì)

張繼光 李春雪 成理鵬 沈陽工學(xué)院

1 發(fā)明原因

在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，采摘水果在有些情況下存在一定的障礙，由于水果所處樹枝高采摘十分困難。我國是世界第一大水果生產(chǎn)國，也是世界第一大水果消費(fèi)國，采摘作業(yè)所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過程所用勞動(dòng)力的33%～50%；目前我國的水果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強(qiáng)，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動(dòng)量大，而且容易造成果實(shí)的損傷，如果人手不夠不能及時(shí)采摘還會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的損失。使用采摘機(jī)械械裝置，不僅可以提高采摘效率，還降低了損傷率，節(jié)省了人工成本，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，因此提高采摘作業(yè)機(jī)械化程度有重要的意義。所以研發(fā)一臺(tái)可以協(xié)助人類采摘水果的機(jī)械裝置成為一種必然的趨勢。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)多重自由度的農(nóng)業(yè)水果采摘機(jī)械器人，用于給采摘水果。首先，本文將設(shè)計(jì)水果采摘機(jī)械器人的底座、大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建水果采摘機(jī)械器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)；機(jī)械結(jié)構(gòu)直接決定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性和控制的復(fù)雜性。

以下是對該產(chǎn)品的進(jìn)一步描述：該水果采摘機(jī)包括機(jī)架、剪切機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括支撐柱、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、雙搖桿機(jī)構(gòu)、液壓桿、輪子、底盤、旋轉(zhuǎn)裝置、支撐桿、液壓缸、連桿、機(jī)械爪等組成。旋轉(zhuǎn)臺(tái)低端套在基座上，基座外固定一個(gè)舵機(jī)，舵機(jī)的輸出軸與其內(nèi)的傘狀齒輪相鉸接，使得旋轉(zhuǎn)臺(tái)可以任意角度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的上端與支撐柱的一端相連，支撐柱面上固定有兩個(gè)正反傳動(dòng)機(jī)，正反轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)輸出軸連接搖桿機(jī)構(gòu)，搖桿機(jī)構(gòu)固定端中部與液壓伸縮桿鉸接，液壓伸縮桿上下轉(zhuǎn)動(dòng)，前后伸縮來配合連桿控制機(jī)械手，搖桿機(jī)構(gòu)另一端與機(jī)械臂相鉸接，機(jī)架上固定有一個(gè)正反傳動(dòng)機(jī)，正反轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)的輸出軸固定連接在一組傘狀齒輪的一端，剪切機(jī)構(gòu)主要是由機(jī)械手構(gòu)成的，機(jī)械手兩臂與內(nèi)部兩組齒輪相接，上部固定一個(gè)正反轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)的輸出軸分別與內(nèi)部兩組齒輪嚙合控制其轉(zhuǎn)動(dòng)。

該新型水果采摘機(jī)械，還包括底座，底座上安裝有車輪，底座左右安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接有驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)軸連接底座車輪，從而帶動(dòng)采摘機(jī)械的移動(dòng)。采摘機(jī)械的主要?jiǎng)恿υ词峭ㄟ^舵機(jī)來驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械運(yùn)動(dòng)的，該機(jī)器主要利用的原理是杠桿原理和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)連接桿繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的上升和下降，還將動(dòng)力傳遞給齒輪，然后齒輪傳動(dòng)是機(jī)械爪夾緊和小車底座的前進(jìn)。所有的動(dòng)作都可以通過人控制手柄驅(qū)動(dòng)舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)，這對于果農(nóng)采摘果實(shí)節(jié)省了大量的人力和時(shí)間，解決了很大的問題。本發(fā)明通過液壓伸縮桿機(jī)構(gòu)和機(jī)構(gòu)控制裝置有效的實(shí)現(xiàn)水果采摘功能并且有效的節(jié)省了人力和物力，通過多人操作變?yōu)榱藛稳瞬僮?。這類水果采摘機(jī)結(jié)構(gòu)簡易并且適用于各種人群的使用并且為采摘水果的果農(nóng)提供了更大的便利。

3 改進(jìn)方向

本產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)中還是存在部分問題，例如水果的實(shí)際采摘過程中，是否會(huì)因?yàn)樗旧淼木壒?，水果過大或者過小，水果大小不在機(jī)械爪的伸縮程范圍內(nèi)，機(jī)械爪難以抓取，應(yīng)該適當(dāng)改變機(jī)械爪形狀，應(yīng)改為倒“V”字型-菱形式智能識(shí)別機(jī)械爪頭，這樣在很大程度上就不受水果自身大小的限制了。智能識(shí)別裝置，可以用機(jī)械爪一次性直接將水果抓取下來，在機(jī)械水果采摘機(jī)械即將行駛到目的地時(shí)，提前調(diào)整機(jī)械爪的大小以及角度，使得工序完成更快，還應(yīng)在機(jī)械爪上加裝一些適當(dāng)?shù)暮＞d緩沖裝置以及落果袋來進(jìn)行采摘水果；本文認(rèn)為在這些點(diǎn)上還應(yīng)有所突破以及未涉及蘋果采摘后的分揀及包裝系統(tǒng)，在今后的設(shè)計(jì)中可著重進(jìn)行研究。

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