一種新型自動(dòng)化水果采摘機(jī)械的設(shè)計(jì)

張新磊 李春雪* 沈陽工學(xué)院

1 研究背景

近年來，隨著全國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們對(duì)果蔬的需求越來越大。在我國的果蔬生產(chǎn)中，柑橘生產(chǎn)所的占比重日益增大。而在整個(gè)柑橘生產(chǎn)活動(dòng)中，柑橘的采摘所占的工作量十分巨大。除此之外，水果采摘質(zhì)量的好壞還將直接影響到水果的保鮮儲(chǔ)藏，運(yùn)輸配送等后續(xù)工作，并最終將嚴(yán)重影響到經(jīng)濟(jì)效益。如果繼續(xù)延續(xù)原始的手工采摘，不僅工作環(huán)境十分的艱苦，效率低下，而且水果采摘質(zhì)量也得不到保障，更甚至?xí)r有采摘工作者在采摘過程中因?yàn)榄h(huán)境的復(fù)雜不小心從樹上摔下而受傷的事故發(fā)生。為了適應(yīng)當(dāng)代果蔬經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，設(shè)計(jì)一種多自由度，滿足工作空間的小型柑橘采摘機(jī)械手對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

目前的果蔬采摘機(jī)器人一般可分為移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、識(shí)別和定位系統(tǒng)、末端執(zhí)行器等四大部分。雖然果蔬收獲機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但離實(shí)用化和商品化還有很長一段距離。目前，采摘機(jī)器人研究領(lǐng)域主要存在以下幾個(gè)問題：①果實(shí)的識(shí)別率不高或識(shí)別后定位精度不高。識(shí)別果實(shí)和確定果實(shí)位置主要采用灰度閾值、顏色色度法和幾何形狀特性等方法。②果實(shí)的損傷率較大。③果實(shí)的平均采摘周期較長。目前的果實(shí)收獲機(jī)器人由于視覺、結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)等原因，大多數(shù)采摘機(jī)器人的效率不高。④采摘機(jī)器人的制造成本較高，設(shè)備利用率低，使用維護(hù)不方便。我們可以通過簡易水果采摘機(jī)可以實(shí)現(xiàn)簡單方便地采摘任務(wù)，而且要實(shí)現(xiàn)不同高度的水果采摘任務(wù)；對(duì)于不同大小的水果也要有不同的水果采摘口來適應(yīng)不同大小水果的采摘，為保證水果鮮美和不被昆蟲破壞，該采摘機(jī)在換掉說過采摘刀片的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)水果套袋；換上農(nóng)藥噴頭的時(shí)候還可以實(shí)現(xiàn)高位水果噴灑農(nóng)藥的完成。當(dāng)設(shè)計(jì)更多到頭的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)不同水果用一種機(jī)器采摘，真正實(shí)現(xiàn)多用途，提高農(nóng)民的工作效率和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的機(jī)械化程度。

首先運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行機(jī)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)；然后創(chuàng)新設(shè)計(jì)內(nèi)嵌式關(guān)節(jié)采摘機(jī)械手所有零部件的具體合理尺寸；再按照設(shè)計(jì)的零件圖通過Pro/E三維造型出機(jī)械手的所有零部件；接著根據(jù)機(jī)械手的工作方式選擇合理的連接方式并通過創(chuàng)建合理約束完成機(jī)械手的裝配；最后通過選用Pro/E中的機(jī)構(gòu)模式，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)軸的自定義，伺服電機(jī)的添加，定義初始條件等完成機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真。模型見下圖

2 創(chuàng)新之處

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。當(dāng)前，大部分的采摘機(jī)器人借用的工業(yè)機(jī)械手，體積較大，成本高。在滿足機(jī)器人性能的前提下，針對(duì)采摘作業(yè)對(duì)象的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)簡單、緊湊、輕巧，采摘無損高效的機(jī)械手，是必須解決的問題，采用三維實(shí)體造型技術(shù)、虛擬樣機(jī)技術(shù)和優(yōu)化理論等可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，而且可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)。目前，在果蔬機(jī)械采摘過程中，迫切要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)一些果蔬抓持和操作的穩(wěn)定性，具有力閉環(huán)控制的抓取手或采摘機(jī)構(gòu)將成為解決問題的途徑。

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