蘋果采摘機械臂設(shè)計

金睦博 袁家信 金炳昊 王顯東

上海工程技術(shù)大學(xué) 上海 201600

1 課題研究背景及來源

我國是世界上蘋果產(chǎn)量最多的國家，我國的蘋果產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的近百分之六十，與此同時蘋果進口量達到了世界總量的百分之五十左右。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù)顯示，截止到2020年年底，蘋果產(chǎn)量已經(jīng)達到了4100萬噸。但是伴隨著蘋果產(chǎn)量的提高，更多的問題也隨之出現(xiàn)。目前，國內(nèi)的蘋果采摘大多的是采用人工采摘，并且在采摘過程中存在耗時長，采摘效率不高等問題。在蘋果的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，蘋果的采摘過程就占據(jù)了整個作業(yè)量的百分之四十[1]。并且采摘環(huán)節(jié)的水平高低將會直接影響到后續(xù)的各項環(huán)節(jié)的質(zhì)量。但是經(jīng)過我們小組的觀察發(fā)現(xiàn)，由于采摘環(huán)節(jié)操作難度大，損耗高， 該環(huán)節(jié)的自動化程度仍然很低。參考研究資料我們了解到目前國內(nèi)采摘作業(yè)基本上都是靠聘請工人進行人工采摘。這導(dǎo)致了采摘環(huán)節(jié)中人工作業(yè)量大，并且成本增加。參考國外的采摘作業(yè)早已由手工方式轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械化、智能化的機器人采摘，對此我們發(fā)覺到成功設(shè)計出一款成本低，效率高的蘋果采摘機械臂對我國的蘋果種植產(chǎn)業(yè)肯定會有一定幫助。

1.1 機械臂設(shè)計思路

蘋果采摘機械臂主要由前端的傳感器，切割裝置和中后部抓持裝置、驅(qū)動裝置以及自由伸縮的桿件等部分組成，其中最為關(guān)鍵的裝置則是末端執(zhí)行器。對此我們對于該類型蘋果采摘機械臂的設(shè)計思路是：在蘋果采摘機械手開始的工作時，先由前端的傳感器判斷機械手是否接近蘋果，隨后對將要采摘的蘋果位置進行確定，再隨著機械臂自由伸縮裝置的牽引下，讓機械手緩慢的接近蘋果。最后控制機械手的指節(jié)使其收縮抓住蘋果，在對蘋果產(chǎn)生壓力的情況下，由傳感器測得指節(jié)產(chǎn)生的力信號，再將該信號傳給了單片機[5]。而在力閾值的設(shè)定上應(yīng)該遵循在不損壞果實的原則下，還能夠?qū)⑻O果固定抓取。當(dāng)機械手前端手指對蘋果產(chǎn)生的擠壓力達到我們設(shè)置的最大壓力值時，指節(jié)就會自動收縮，確保蘋果能穩(wěn)定抓取不會掉落，隨后機械手的自動伸縮裝置會慢慢上升，在設(shè)置的動力裝置的運作下，前部指節(jié)裝置開始工作， 使蘋果與枝干分離。機械手將蘋果采摘下來之后就會松開，再準(zhǔn)備下一次的采摘作業(yè)，以此為一個循環(huán)進行作業(yè)。

1.2 機械臂設(shè)計的難點

經(jīng)過我們查閱資料發(fā)現(xiàn)，在機械手工作過程中很容易碰撞到周圍的蘋果，導(dǎo)致周圍的蘋果會有一定的損傷。所以我們應(yīng)該盡量降低周圍采摘環(huán)境影響機械手對其他蘋果的破壞。其次當(dāng)機械手將采摘好的蘋果松開后再回到原來的位置時，壓力傳感器要能恰當(dāng)調(diào)整抓取裝置對蘋果的壓力大小， 既要避免由于抓取裝置壓力過大而導(dǎo)致蘋果表面產(chǎn)生疤痕，又要避免因壓力過小導(dǎo)致蘋果中途掉落。此外，前端傳感器還要能夠判斷已經(jīng)進行采摘的蘋果是否還在原來的位置上， 如果傳感器判斷出蘋果還在原來的位置上并未移動，則說明果實采摘失敗。反之，則說明果實采摘已成功。蘋果采摘機械手則需要重復(fù)原來的步驟[2]。還有一個難點就是蘋果果采摘機械臂的前部指節(jié)以及自動伸縮桿件能對末端執(zhí)行器進行有效的控制，使其能夠有效伸長和收縮，自由采摘蘋果，并且能夠?qū)μO果及時固定和釋放，提升蘋果采摘效率。

1.3 機械臂的工作流程

首先用抓取裝置靠近蘋果，由前端傳感器判斷使我們的機械手是否觸碰到蘋果，再由指節(jié)對果實進行擠壓，將產(chǎn)生的力信號通過傳感器傳遞給單片機，最后與我們實際測量出的力閾值進行比較來判斷是否達到我們的設(shè)定值，如果達到則擰斷根底，松開水果，以此為循環(huán)。

圖1 流程圖

2 機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機械采摘頭設(shè)計

國內(nèi)的采摘機器很多只能進行簡單的旋轉(zhuǎn)和前回退運動，但是如果我們要進行水果采摘的話，就需要考慮采摘過程中的力度和運動過程中的準(zhǔn)確性。我們就設(shè)置了一種簡單的，具有一定自動化功能的采摘裝置。如圖2所示，該裝置有三個指節(jié)，設(shè)置的壓力傳感器，自動收縮裝置，各種電機組成。三個指節(jié)的外部加有橡膠加大與蘋果之間的接觸摩擦力，并保護蘋果，由電動機控制三個指節(jié)進行展開與收縮動作。而安裝的旋轉(zhuǎn)電動機則固定在桿件上用于旋轉(zhuǎn)蘋果，使蘋果與枝干脫離。在三個指節(jié)上安裝傳感器，利用傳感器傳回的數(shù)據(jù)來控制施加在指節(jié)上的力[7]。

圖2 機械臂3d模型

2.2 機械臂的運動學(xué)分析

采摘機械手的前端指節(jié)抓取裝置是我們的蘋果采摘器中最為核心的部件，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計不但會影響最后的采摘動作，并且還會影響采摘蘋果的效率。所以我們需要對指節(jié)進行運動學(xué)分析，確保指節(jié)在運行過程中的可靠靈活。采摘機械手的抓取動力源是由抓取電動機驅(qū)動滑塊實現(xiàn)機械爪頭的張開和閉合，其機構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 機械臂前端指節(jié)簡圖

根據(jù)上文的機構(gòu)簡圖繪制出的封閉矢量圖，如圖4所示。

圖4 機械臂前端指節(jié)封閉矢量圖

該機構(gòu)的矢量表達式為：

式中：l1、l2分別為采摘指節(jié)的旋轉(zhuǎn)位置到設(shè)置的固定鉸鏈與滑塊的長度；h為固定鉸鏈到滑塊的偏心距；S為滑塊移動的距離[3]。

矢量方程在 x、y 上投影關(guān)系如下：

將式（2）對時間t求導(dǎo)可得：

將式（3）對時間 t 再次求導(dǎo)可得:

由式（5）可得角加速度:

式中:θ1、θ2分別為l1、l2與水平面之間的夾角；ω1、ω2分別為l1、l2的角速度；a1、a2分別為l1、l2的角加速度。

對機械手前部的三個指節(jié)進行分析，三個指節(jié)之間均保持120°幾何對稱，所以三個之間受力相同，對其中一個進行分析可得F1為對蘋果的壓力，F(xiàn)1f為摩擦力：

圖5 采摘蘋果受力圖

對其他兩個指節(jié)進行分析得到：

由于三個指節(jié)之間作用力相等：

由（9）得

所以由物理知識可得，F(xiàn)的大小與蘋果重量，指節(jié)材料和蘋果大小有關(guān)。

2.3 機械臂運動學(xué)仿真

最后我們對機械手進行了運動學(xué)仿真。利用軟件設(shè)計了機械手的三維模型，并對整個運動環(huán)境和電動機的工作進行了運動學(xué)仿真[4]。圖6所示為前部抓取指節(jié)的角速度曲線，在整個過程中，角速度變化只有+0.4°/s，運動不會產(chǎn)生突變，可以順利完成對蘋果的采摘過程。隨著指節(jié)的收縮，角速度的變化也隨之變小。

圖6 角速度變化曲線圖

圖7所示為采摘機械指節(jié)的角加速度曲線，如圖可見，角加速度的變化也僅為0.34°/s，運動不會過于激烈。

圖7 角加速度變化曲線圖

3 結(jié)束語

借助我們已有的物理知識，以及參考他人的研究成果，我們小組齊心協(xié)力完成了對機械臂物理方程的建立，最后對我們建立的機械臂三維模型進行了運動學(xué)仿真分析，并基于分析和驗證，最后設(shè)計了一個簡單的蘋果采摘機械臂。由于我們專業(yè)知識有限，不能更進一步地設(shè)計功能更加完善、更符合實際生活的采摘機械臂。