關于花椒采摘機器人的機械系統(tǒng)方案設計及其關鍵技術的分析

段錦晶

（天津航天中為數(shù)據系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301）

在農業(yè)生產工作中，機器人發(fā)揮著越來越突出的作用。盡管我國距離實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化還存在一定的差距，但是，農業(yè)機械化基本得以實現(xiàn)。在計算機信息技術背景下，農業(yè)機器人正在逐漸向智能化邁進。因為農業(yè)機器人的不斷進步，使農業(yè)作業(yè)效率得到極大提升，同時降低了農民的作業(yè)強度。花椒是一種生長在樹上的作物，具有一定的采摘難度，花椒樹的植株高度在3～5m，并且花椒樹的莖稈分布有皮刺，所以往往在人工采摘的過程中經常會被皮刺刮傷，除了皮外傷口外，花椒樹分泌的木脂素類化合物刺花椒毒素會給采摘人員帶來二次傷害。

為了降低人工采摘花椒的勞動強度以及避免采摘人員受傷的情況，本次研究中提出，一種花椒采摘機器人，有效解決了人工采摘花椒產生的一系列問題。

1 花椒采摘環(huán)境

本次研究選擇甘肅省秦安縣千戶鄉(xiāng)作為調查地點進行花椒采摘環(huán)境調研。經調查發(fā)現(xiàn)，花椒的種植地段多為山地，其中有80%為梯田，斜坡山地占20%。受到地理環(huán)境影響，種植花椒的地段大多相連，種植面積最大達到500畝，每株花椒樹的種植間距約為5m，采摘的高度范圍在0.5～3m，沒株花椒樹的產值在60～75kg，人工采摘速率在20kg/d，成本3元，可采摘1.5kg。

2 花椒采摘機器人機械系統(tǒng)

2.1 底座

花椒采摘機器人的底座機構包括機身與行走裝置。

（1）在安裝花椒采摘機器人的各系統(tǒng)支柱以及一系列基礎件時，需要滿足一系列條件：具有足夠的強度與穩(wěn)定性；機械系統(tǒng)的結構布置需要合理，目的是為了防止機器人在作業(yè)過程中各機構之間相互干涉產生的一系列影響。

（2）對于采摘機器人而言，行走機構是十分重要的，花椒采摘機器人的行走機構由驅動裝置、傳動裝置、路線導航裝置等結構組成，可以同時兼顧對機器人自身結構的支持以及適應不同的工作環(huán)境。為了適應花椒采摘的作業(yè)環(huán)境，花椒采摘機器人的行走裝置采用履帶式行走裝置，同時，兼顧花椒機器人采摘過程中足夠的牽引力與穩(wěn)定性。

2.2 收集裝置

花椒機器人完成對花椒的采集后，需要快速將采集的花椒收集起來，以此保證花椒采集工作的連貫性以及后續(xù)的包裝工作。花椒采集機器人的收集裝置是直徑在3～7cm的一種球形容器，鑒于花椒采集的特殊性，使用管道式作為主要的收集方式，這樣做可以有效避免花椒收集過程中在管道中形成的堵塞，為了進一步保證管道的流暢性，外加抽氣泵強化管道內氣流，帶動管道內花椒?？焖僖苿樱M一步完成收集。

2.3 末端執(zhí)行器

結合采摘花椒的特點對末端執(zhí)行器的力學特征進行設計?；ń凡烧獧C器人的末端執(zhí)行器需要具備識別檢測功能，在此基礎上，采摘機器人可以結合采摘對象的生物特征進行收集。 （1）夾持裝置。夾持裝置幾乎是所有機器人都需要具備的關鍵部分，現(xiàn)階段，機器人的夾持裝置大致可分為三種類型：以支點為中心的手指開閉型：手指在開閉過程中形成的運動軌跡為弧形；手指平行開閉型：手指在平行狀態(tài)下進行開閉，對于這種夾持機構的傳動裝置為平行連桿或齒條齒輪裝置；多指機械手：多指機械手是在原有機械手的基礎上增加三個以上的手指，使夾持工作更靈便。（2）切斷裝置。切斷裝置主要作業(yè)于果實采集階段，用于分離果實與莖。設計切斷裝置需要對切斷力進行科學合計，因為切斷力無論過大或過小，都會造成采摘效率大大下降。因此，在設計切斷機構時，要結合采摘對象的實際情況進行科學設計。（3）吸引裝置。本次設計的花椒采集機器人結合花椒采摘的實際情況以及花椒樹生長的環(huán)境因素設計末端執(zhí)行器?；ń饭麑嵰话?～5粒生長在一起，花椒簇的直徑一般在3～7cm，并且花椒果實從誕生到成熟顏色變化分辨率較低，因此通過視覺系統(tǒng)分辨花椒進行采集具有一定的難度，改用紅外裝置對成熟花椒進行采集，夾持裝置夾住花椒果實后，由切斷裝置負責分離果實。

2.4 機械臂

花椒采集機器人的機械臂由連桿、關節(jié)共同組成，關節(jié)主要包括回轉關節(jié)、直動關節(jié)，可以實現(xiàn)多個自由度活動。機械臂的設計需要結合花椒采摘的實際情況，在遵循機械臂設計原則的同時，兼顧花椒的實際特征，因此，花椒采集機器人的機械臂具有如下特征：（1）充足的作業(yè)空間：充足的作業(yè)空間可以為花椒采摘過程中的可行性奠定基礎條件，同時為確保采摘效率創(chuàng)造前提；（2）障礙規(guī)避：機械臂在進行采摘時，難免會遇到一些障礙，因此，機械臂需要具備規(guī)避障礙的功能以確保采摘工作的順利開展；（3）合理設計結構：對機械臂的結構進行合理設計可以保證機械臂在作業(yè)過程中機構之間出現(xiàn)相互干涉或造成傳動系統(tǒng)失效等現(xiàn)象； （4）機械臂的設計過程中不僅要考慮實際應用情況，還要考慮成本問題，爭取用最低的成本設計出最杰出的機械臂。

現(xiàn)階段常見的采摘機器人機械臂有以下類型：（1）直角坐標機械臂：直角坐標機械臂采用直動關節(jié)不僅結構相對簡單，而且定位精度高。手臂在運動過程中具有較大空間，不過占地較大并且空間相對有限?，F(xiàn)階段，直角坐標機械臂主要被用于室內果實裝箱、收獲等作業(yè)中；（2）圓柱坐標機械臂：與直角坐標機械臂截然不同，圓柱坐標機械臂由圍繞中心軸的回轉關節(jié)與直動關節(jié)共同組成；（3）極坐標機械臂：極坐標機械臂在垂直方向上使用回轉關節(jié)取代直動關節(jié)，擁有更大的操作空間，不過精度、剛度不能被保證；（4）多關節(jié)機械臂：前三關節(jié)由回轉關節(jié)組成，不僅占地面積小，還擁有更大的活動空間，但是同樣剛度和精度不能被保證。結合機械臂不同類型特點不同以及花椒采摘需求不同，需要盡可能選取占地空間小、活動空間大、靈活性出眾、結構簡單的機械臂。相比之下，關節(jié)坐標機械臂基本滿足花椒采摘工作的需求，可以通過移動、調整機器人的位置實現(xiàn)更高的操作性。

3 行走裝置

花椒采摘機器人采用履帶行走裝置。履帶行走機構的結構如圖所示。這種履帶行走裝置具有如下優(yōu)點：承載整機重量較大，對地比壓較小；牽引力足夠大，在復雜路面的通過性能較好；對急轉彎和陡坡行駛有很強的適應能力，機動性能很好。在履帶驅動時，車輛的馬達會帶動驅動輪轉動，鏈軌與驅動鏈輪相嚙合，此時，鏈軌會出現(xiàn)相對移動的趨勢。通常在履帶行走的過程中履帶板與路面之間會出現(xiàn)較大的附著力，并且附著力大于驅動鏈輪、支重輪和導向輪之間的滾動阻力，正因為如此，履帶板才不會出現(xiàn)滑動，但是，驅動鏈輪、支重輪和導向輪會按照其所在的鏈軌進行滾動，帶動車輛整體行走。履帶的行走機構分為前履帶和后履帶，前后履帶均可以獨立進行轉向，所以車輛整體的轉彎半徑會更小，實現(xiàn)斜行。

4 結語

本次研究中對花椒采摘機器人的機械系統(tǒng)方案設計及其關鍵技術進行分析，首先，對花椒采摘環(huán)境進行介紹；對花椒采摘機器人機械系統(tǒng)進行分析，包括底座：足夠的強度與穩(wěn)定性、結構的支持以及適應不同的工作環(huán)境。收集裝置、末端執(zhí)行器：夾持裝置、切斷裝置、吸引裝置。機械臂：充足的作業(yè)空間、障礙規(guī)避、合理設計結構。機械臂類型：直角坐標機械臂、圓柱坐標機械臂、極坐標機械臂、多關節(jié)機械臂。花椒是一種重要的調味劑，具有廣闊的種植市場，但是，人工花椒采摘工作不僅效率低下，還會造成傷害。本次研究中在結合花椒生長環(huán)境的基礎上，分析機器人技術，設計花椒采摘機器人，目的是提升花椒的采摘效率，解放勞動力。