機(jī)械手便捷采摘蘋果裝置探究

魯旭陽(yáng) 后剛 白和良 劉鋒 陳榮輝

[摘要]隨著我國(guó)科技發(fā)展水平的不斷提升，各種新技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，機(jī)械手作為一種較為先進(jìn)的采摘工具，在蘋果采摘過程中發(fā)揮著十分重要的作用。本文研究機(jī)械手便捷采摘蘋果，先簡(jiǎn)單介紹了采摘機(jī)械手的工作原理以及蘋果采摘機(jī)械手的工作原理，再分析蘋果機(jī)械手切割式采摘裝置，便于提高我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的采摘效率，推動(dòng)蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械手;蘋果;采摘工具

隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制不斷向縱深化發(fā)展，市場(chǎng)資源配置更加優(yōu)化，提升了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的效率，推動(dòng)著我國(guó)經(jīng)濟(jì)向規(guī)模化、集中化的方向發(fā)展。在這種發(fā)展形勢(shì)下，我國(guó)很多產(chǎn)業(yè)都出現(xiàn)了規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)，蘋果種植業(yè)也不例外。蘋果種植面積不斷擴(kuò)大，依靠人工采摘的做法不僅效率低下，還需要花費(fèi)大量的人工成本，無法適應(yīng)大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)發(fā)展的需要，在這種情況下，需要轉(zhuǎn)變蘋果產(chǎn)業(yè)采摘方式，提高蘋果采摘效率，推動(dòng)蘋果采摘智能化、機(jī)械化方向的發(fā)展。因此，利用機(jī)械手采摘蘋果成為蘋果產(chǎn)業(yè)采摘的重要方式，能夠提高蘋果采摘的效率，推動(dòng)蘋果采摘產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[1]。

1 蘋果采摘機(jī)械手的工作原理

1.1 采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)

采摘機(jī)械手主要由傳感器、采摘機(jī)械手、步進(jìn)電機(jī)、控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器放大器等部件構(gòu)成。

1.2 工作原理

蘋果采摘機(jī)械手主要由抓持裝置、驅(qū)動(dòng)、自由伸縮及切割裝置及傳感器等部分組成，關(guān)鍵裝置則是末端執(zhí)行器。蘋果采摘機(jī)械手的工作運(yùn)轉(zhuǎn)需要遵循一定的工作原理，其工作原理如下：在蘋果采摘機(jī)械手的工作過程中，讓抓取裝置對(duì)蘋果進(jìn)行定位，在采摘機(jī)械臂的作用下，機(jī)械手慢慢靠近果實(shí)并對(duì)果實(shí)產(chǎn)生擠壓，造成對(duì)果實(shí)的壓力，從而產(chǎn)生的力信號(hào)由傳感器測(cè)得并將該信號(hào)傳給了單片機(jī)。對(duì)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定的力閾值進(jìn)行判斷、衡量，力閾值的設(shè)定遵循不能損壞果實(shí)的原則并且能夠?qū)麑?shí)進(jìn)行有效抓住。當(dāng)機(jī)械手對(duì)果實(shí)產(chǎn)生擠壓并達(dá)到力閾值時(shí)，機(jī)械手會(huì)自動(dòng)發(fā)出動(dòng)作，對(duì)果實(shí)進(jìn)行穩(wěn)定抓住，然后機(jī)械手的手臂會(huì)逐漸上升，上升到能夠?qū)⒐麑?shí)和其他果實(shí)分離，并且在動(dòng)力的作用下，促使抓取裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)蘋果采摘機(jī)械手上的切割刀對(duì)蘋果柄進(jìn)行切割。在機(jī)械手旋轉(zhuǎn)過程中必須減少對(duì)其他果實(shí)的損壞或者降低周邊的采摘環(huán)境對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作產(chǎn)生影響，當(dāng)機(jī)械手將采摘好的果實(shí)松開后再回到原位[2-3]。

壓力傳感器能夠合理調(diào)整抓取裝置施加給蘋果的壓力，避免抓取裝置對(duì)蘋果表面造成巨大損害，提升蘋果采摘效率。機(jī)器需要對(duì)該果實(shí)是否在原來的位置進(jìn)行判斷，如果確定果實(shí)還在原來的位置，則說明果實(shí)沒有采摘成功，否則則說明果實(shí)采摘已經(jīng)成功，果實(shí)采摘機(jī)械手需要采摘下一個(gè)果實(shí)。此外，蘋果采摘機(jī)械手的自由伸縮以及切割裝置可以對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行有效控制，促使其自由伸縮，便于其自由采摘蘋果并對(duì)蘋果進(jìn)行有效放置[4]。

1.3 蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)

蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要由末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和末端執(zhí)行器切割裝置設(shè)計(jì)兩部分組成。蘋果采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其組成結(jié)構(gòu)依次為壓力傳感器、手指、限位開關(guān)、直流電機(jī)、渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)、鋼絲軟管傳動(dòng)、刀架轉(zhuǎn)輪、刀架與刀片、碰觸傳感器、光電開關(guān)、薄型雙作用氣缸[5]。

蘋果采摘機(jī)械手如果想要精準(zhǔn)、正確地抓取蘋果，需要對(duì)采摘機(jī)械手抓取裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便于在抓取蘋果的過程中受力較為均勻，避免抓取的蘋果從抓取裝置中出現(xiàn)滑落現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出符合機(jī)械手抓取蘋果的末端執(zhí)行器抓取裝置。

蘋果機(jī)械手末端抓取裝置要想運(yùn)動(dòng)，需要依靠給予其動(dòng)力，借助連桿裝置將機(jī)械手的手指和氣缸連接起來，同時(shí)把機(jī)關(guān)環(huán)節(jié)設(shè)置在手指中間，并依靠手指內(nèi)部微型齒輪來對(duì)手指的彎曲程度加以控制。利用機(jī)械手手指采摘蘋果時(shí)，可依據(jù)蘋果的大小、形狀對(duì)手指關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，使機(jī)械手的手指能夠有效抓住蘋果的關(guān)鍵位置和部分，這樣能夠有效采摘蘋果，避免機(jī)械手采摘蘋果時(shí)出現(xiàn)不適應(yīng)的問題。用機(jī)械手手指摘取蘋果時(shí)，可以在機(jī)械手手指上帶上橡膠手套，從而降低機(jī)械手手指對(duì)蘋果的摩擦，有效保護(hù)蘋果原來的形狀和色澤。此外，還可以將比較柔軟的海綿放在機(jī)械手手指上，不讓機(jī)械手手指與蘋果直接接觸，讓二者之間有足夠的緩沖區(qū)域，這樣可以有效保護(hù)蘋果[6]。

在采摘蘋果的過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)與蘋果相連接的樹枝部分很難折斷，非常影響蘋果的采摘效率。為解決采摘過程中遇到的采摘不順問題，需要對(duì)采摘裝置尤其是切割裝置進(jìn)行合理研制。在當(dāng)前階段，研制出來的機(jī)械手采摘蘋果裝置主要有旋轉(zhuǎn)裝置和切割裝置兩種。機(jī)械手采摘旋轉(zhuǎn)裝置是依靠機(jī)械手連桿裝置來對(duì)機(jī)械手加以控制，讓其旋轉(zhuǎn)，借助機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)力將蘋果數(shù)值加以折斷。但由于連接蘋果的樹枝較硬，采用折斷樹枝的方式采摘蘋果不僅成功率，對(duì)蘋果以及蘋果樹的損壞也較大，容易造成蘋果損傷，因此，這種采摘方式難以大規(guī)模推廣。機(jī)械手采摘切割裝置則是利用切刀或者電流刀切斷蘋果柄。但這種采摘方式需要對(duì)蘋果柄的位置進(jìn)行確定，并且還要求機(jī)械手臂能夠靈活自由地調(diào)整，操作起來不能過于困難。切割式的采摘方式能夠提高蘋果采摘的效率，但如果對(duì)蘋果柄的定位不準(zhǔn)，容易對(duì)蘋果造成損傷，采摘蘋果的風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，這種采摘方式對(duì)機(jī)器人的要求較高，研發(fā)使用成本通常也較高，操作起來也較為復(fù)雜。

2 蘋果機(jī)械手切割式采摘裝置

2.1 蘋果機(jī)械手切割采摘裝置的設(shè)計(jì)

為有效解決上述兩種采摘方式帶來問題，需要對(duì)機(jī)械手采摘蘋果裝置進(jìn)行改造升級(jí)，形成更加符合采摘實(shí)踐的切割采摘裝置，從而研制出更加適合蘋果采摘的切割裝置。切割式的采摘裝置主要由直流電機(jī)、微型渦輪蝸桿減速器、鋼絲繞盤、鋼絲、下軟管架、彈性軟管、上軟管架、刀架、刀架轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)盤軸、楔形刀片等結(jié)構(gòu)組成。

切割式采摘裝置一般由直流電源提供充足動(dòng)力，能源供應(yīng)具有穩(wěn)定性。在對(duì)傳動(dòng)部分安裝內(nèi)部套裝時(shí)，一般采用軟管對(duì)傳動(dòng)部分加以套裝。在利用切割式采摘裝置采摘蘋果時(shí)，在動(dòng)力的驅(qū)使下，切割刀片圍繞著手指外圍旋轉(zhuǎn)一周，確定蘋果柄的位置，對(duì)其加以切割，既能夠折斷蘋果柄，又能夠避免切割刀對(duì)蘋果造成損壞，還能夠提高蘋果的采摘效率。同時(shí)，切割式采摘裝置操作比較簡(jiǎn)單，并且大大降低了機(jī)器人的采購(gòu)成本。切割刀片是以楔形狀的刀片為主，在對(duì)蘋果柄進(jìn)行切割時(shí)，刀片和蘋果柄會(huì)出現(xiàn)部分滑動(dòng)，更加容易造成蘋果柄被刀片切斷，避免切割裝置出現(xiàn)無用動(dòng)作，提升切割效率，確保機(jī)械手操作的可靠性。

2.2 蘋果采摘機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)作

蘋果采摘機(jī)械手末端運(yùn)轉(zhuǎn)需要?dú)鈩?dòng)動(dòng)力裝置加以控制，蘋果采摘機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)裝置主要由小型氣壓源、單向閥、電觸電壓力表、小型氣罐、氣源調(diào)節(jié)裝置、電磁換向閥、先導(dǎo)單向閥、溢流閥、單向減壓閥、單向節(jié)流閥、薄型氣缸等結(jié)構(gòu)組成。其中，氣源調(diào)節(jié)裝置主要由氣體過濾裝置及減壓閥裝置構(gòu)成，該裝置一方面能夠凈化空氣，另一方面能夠控制氣壓。在電壓閥的作用下，氣動(dòng)路可以有效進(jìn)行調(diào)節(jié)和切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人為控制氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)。在氣動(dòng)回路中，設(shè)置的先導(dǎo)式單向閥，能夠有效保證氣缸處于中間位置，提升穩(wěn)定性。通常情況下，溢流閥可以控制氣缸拉力的穩(wěn)定性。安裝雙單向閥裝置，能夠最大限度減小氣動(dòng)沖力給機(jī)械手帶來的不利影響，使蘋果采摘機(jī)械手在采摘蘋果時(shí)不會(huì)出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象，提高蘋果采摘的成功率，增強(qiáng)采摘效果。

3 結(jié)論

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，生產(chǎn)出了各種先進(jìn)的智能化產(chǎn)品，并被廣泛應(yīng)用于人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，為人們的日常生活提供了便利，尤其是現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用于蘋果采摘等產(chǎn)業(yè)的過程中，催生了各種先進(jìn)的采摘機(jī)器，機(jī)械手就是一種比較好的采摘工具，能夠提升蘋果采摘的效率。

參考文獻(xiàn)

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