淺談數(shù)控技術(shù)在采摘機(jī)器人作業(yè)中的應(yīng)用

李曉靜

摘?要：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，采摘是十分重要的環(huán)節(jié)。采摘往往會(huì)消耗大量的時(shí)間和人力成本，但受到果蔬季節(jié)性的影響，采摘工作又具有很大的時(shí)間限制。針對(duì)這種情況，我國(guó)加強(qiáng)了技術(shù)研究，將自動(dòng)化、智能化等技術(shù)應(yīng)用在采摘作業(yè)中，采摘機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。本文主要就數(shù)控技術(shù)在采摘機(jī)器人作業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的闡述和分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù);采摘機(jī)器人;作業(yè)

近年來(lái)，我國(guó)果園和菜園的面積在不斷加大，但采摘方式仍舊沿用傳統(tǒng)的人工采摘模式，不僅耗時(shí)耗力，且成本較高。統(tǒng)計(jì)顯示，人工采摘消耗的成本占果蔬種植總成本的50%-70%。為了進(jìn)一步發(fā)展我國(guó)農(nóng)業(yè)種植業(yè)，不僅要提升中職技術(shù)，還要優(yōu)化采摘方式，從人工采摘逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械采摘。目前，我國(guó)已經(jīng)有部分地區(qū)開(kāi)始使用采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘，其不僅具有較高的采摘效率，且應(yīng)用成本較低，可以減少人工成本的投入。采摘機(jī)器人主要以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行路線規(guī)劃、障礙躲避等，所以要提升采摘機(jī)器人的作業(yè)效率，就要加強(qiáng)對(duì)數(shù)控技術(shù)的研究。

一、采摘機(jī)器人的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀

（一）特點(diǎn)

采摘機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境經(jīng)常會(huì)受到天氣、季節(jié)變化的影響，所以其需要具備高智能化水平的控制系統(tǒng)。采摘機(jī)器人主要用于蔬菜和水果的采摘，大部分果實(shí)的表皮組織的比較柔軟，容易被外力損壞，所以采摘機(jī)器人需要安裝一個(gè)柔軟性較好的末端執(zhí)行器，以此確保采摘果實(shí)的完整性。不同的果實(shí)會(huì)生長(zhǎng)在不同的位置，如一些果實(shí)生長(zhǎng)在樹(shù)上，一些果實(shí)生長(zhǎng)在藤蔓上。且果實(shí)的大小、成熟期也存在差異，所以機(jī)器人的視覺(jué)定位難度較大。在設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手時(shí)，應(yīng)該對(duì)果蔬的栽培方式進(jìn)行考慮，確保機(jī)械手可以滿(mǎn)足采摘要求，并且不會(huì)損壞植物的莖稈、葉片等部位，能夠根據(jù)設(shè)定好的路線準(zhǔn)確無(wú)誤的抓取果實(shí)[1]。因此，機(jī)械手需要具備躲避障礙的能力，可以采用冗余度機(jī)械手，這種機(jī)械手段的優(yōu)點(diǎn)比較明顯，但由于自由度較高，所以控制難度較大。采摘機(jī)器人主要由農(nóng)民操作，所以機(jī)器人的操作難度不能太高，要確保農(nóng)民可以快速學(xué)習(xí)和掌握。此外，還要控制機(jī)器人的生產(chǎn)成本，確保農(nóng)民能夠負(fù)擔(dān)機(jī)器人的采購(gòu)費(fèi)用。

（二）發(fā)展現(xiàn)狀

早在1983年美國(guó)就已經(jīng)誕生了西紅柿采摘機(jī)器人，其后隨著技術(shù)的成熟，日本和一些歐美國(guó)家也逐漸研發(fā)出了用于采摘不同果實(shí)的機(jī)器人。我國(guó)對(duì)采摘機(jī)器人的研究較晚，主要借鑒西方發(fā)到國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。目前，我國(guó)已經(jīng)研究出了人機(jī)協(xié)作型柑橘采摘機(jī)器人、多功能葡萄采摘機(jī)器人等。

二、采摘機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)農(nóng)業(yè)采摘的實(shí)際需求，在設(shè)計(jì)采摘機(jī)器人時(shí)，應(yīng)該從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等多個(gè)方面考慮?？梢圆捎们夫?qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以分為后驅(qū)動(dòng)方位移動(dòng)輪式平臺(tái)和末端執(zhí)行作業(yè)機(jī)械手臂兩個(gè)部分。該機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為自由式，有后置驅(qū)動(dòng)輪式憑條進(jìn)行控制，具有很強(qiáng)的障礙躲避性能，能夠在各類(lèi)地形、地質(zhì)條件下應(yīng)用，自用性、運(yùn)動(dòng)性能較高[2]。此外，機(jī)械手臂可以采摘不同角度和方位的果實(shí)，具有很強(qiáng)的兼容性，可以采摘的果蔬種類(lèi)較多。從設(shè)計(jì)成本的角度來(lái)看，該機(jī)器人滿(mǎn)足了經(jīng)濟(jì)性的要求，整體投入較低，但應(yīng)用效果較強(qiáng)，且不需要較高的維護(hù)成本，可以廣泛應(yīng)用于各類(lèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)之中。

（二）部件設(shè)計(jì)

部件采用驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，由后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，前輪用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。后輪驅(qū)動(dòng)可以增加機(jī)器人的動(dòng)力，即使遇到泥洼等復(fù)雜地形也可以順利的通過(guò)。后輪串聯(lián)在主體電機(jī)上，以此降低機(jī)器人作業(yè)時(shí)的能耗，可以提升能源的利用效率，進(jìn)而滿(mǎn)足節(jié)約成本得要求。前輪也與主體電機(jī)串聯(lián)，可以控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，在作業(yè)的過(guò)程中可以確保機(jī)器人運(yùn)作的穩(wěn)定性。末端執(zhí)行裝置是采摘機(jī)器人的核心，該裝置采用“諧波傳統(tǒng)”的傳動(dòng)流程，依附于行星減速機(jī)，能夠提升矩傳輸效率，使其達(dá)到最優(yōu)。末端執(zhí)行裝置的體積并不大，具有靈活性高的特點(diǎn)，且應(yīng)用成本較低，可以用于多種果蔬采摘作業(yè)中。該裝置通過(guò)特殊齒輪來(lái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)不同的環(huán)境，齒輪會(huì)作出不同的調(diào)整，確保機(jī)器人作業(yè)的精確性，從而滿(mǎn)足采摘要求。

三、采摘機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

目前來(lái)看，我國(guó)大部分采摘機(jī)器人的核心應(yīng)用技術(shù)都為數(shù)控技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制和運(yùn)作。數(shù)控系統(tǒng)即利用數(shù)控程序控制機(jī)器人，使機(jī)器人根據(jù)規(guī)劃方案執(zhí)行操作。數(shù)控系統(tǒng)具有復(fù)雜性、綜合性的特點(diǎn)，對(duì)技術(shù)的要求較高。在采摘機(jī)器人中，數(shù)控系統(tǒng)主要控制上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。前者會(huì)根據(jù)操作指令執(zhí)行操作，主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、采摘等動(dòng)作。后者用于數(shù)據(jù)采集和分析，其與網(wǎng)絡(luò)中斷相連，具有較強(qiáng)的輔助作用。

（二）數(shù)控硬件和軟件系統(tǒng)

在數(shù)控系統(tǒng)中，硬件控制系統(tǒng)是最基礎(chǔ)、最核心的組成部分，其包括驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等多個(gè)組成元件。在整個(gè)控制流程之中，單片機(jī)發(fā)揮了極大的作用，根據(jù)我國(guó)果蔬種植特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)果蔬采摘機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)中的單片機(jī)可以選用AVR ATmega16單片機(jī)，其具有價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)。該單片機(jī)兼容性較高，集成性較強(qiáng)的高品質(zhì)產(chǎn)品，可以極大的提升果蔬采摘的效率和質(zhì)量。進(jìn)步電機(jī)可以選用直線步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)穩(wěn)定性較強(qiáng)，可以持久作業(yè)[3]。數(shù)控軟件是采摘機(jī)器人的核心，主要用于機(jī)器人的控制和動(dòng)作設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，需要做好參數(shù)調(diào)整，并根據(jù)需求進(jìn)行程序設(shè)置，確保采摘作業(yè)可以順利完成。可以采用PID算法程序設(shè)計(jì)軟件，該模式采用微分設(shè)計(jì)和積分設(shè)計(jì)兩種設(shè)計(jì)調(diào)整環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)該算法程序的設(shè)計(jì)，數(shù)控軟件的控制方式能夠得到極大的優(yōu)化，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行也有較大的集約式主導(dǎo)作用，能夠降低系統(tǒng)生產(chǎn)、采摘運(yùn)作中可能出現(xiàn)的誤差，從而提升采摘的效率和質(zhì)量。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了提升果蔬采摘的效率和質(zhì)量，可以使用采摘機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械采摘，從而節(jié)省人力成本。數(shù)控技術(shù)是采摘機(jī)器人的核心技術(shù)，該技術(shù)的好壞對(duì)采摘機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量有直接關(guān)系。所以，要構(gòu)建合理的數(shù)控結(jié)構(gòu)并做好數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保數(shù)控技術(shù)能夠充分發(fā)揮作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓志國(guó)，呂富華.淺談智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界，2019，172（04）：190.

[2]李桐順.數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用和發(fā)展[J].科學(xué)與財(cái)富，2017（8）：76.

[3]張海英.機(jī)器人與加工中心集成技術(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)科技成果，2017（4）：62-63.