果實采摘機器人柔性機械手的設(shè)計

田寶連

（江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江西 南昌 330000）

1 柔性機械手整體設(shè)計

果實采摘機器人柔性機械手主要包含PLC 自動控制模塊、機械手爪構(gòu)件、機械手連接件、氣動控制部件、主體機械承載機構(gòu)、報警模塊等6個部分。其中，PLC 自動控制模塊用于組建整個系統(tǒng)的硬件回路，實現(xiàn)對柔性機械手采摘的循環(huán)自動控制；機械手爪是完成果實采摘的主要機構(gòu)；連接件是手爪與氣動控制部件的連接模塊；主體機械承載機構(gòu)用于裝載整個機械手、PLC 模塊、電源模塊、報警模塊等部件；報警模塊用于對機械手運行中可能出現(xiàn)的過壓、過載、過流等故障進行報警，且出現(xiàn)報警故障，系統(tǒng)會自動斷電。柔性機械手整體設(shè)計框圖，見圖1。

圖1 柔性機械手整體設(shè)計框圖Fig.1 The overall design block diagram of flexible manipulator

2 柔性機械手機構(gòu)設(shè)計

2.1 手爪設(shè)計

手爪是采摘果實的主要機構(gòu)，由氣缸組件和手爪組件2個部分構(gòu)成。其中，氣缸組件是氣路連通和能量傳輸?shù)妮d體，由于在采摘果實的過程中，機械手需要執(zhí)行“上升-旋轉(zhuǎn)定位-抓取果實-下降-旋轉(zhuǎn)復(fù)位-松開果實”系列動作，因此，在氣缸的配置上，包括給手爪“抓取松開”動作提供能量的手指氣缸、給手爪“旋轉(zhuǎn)定位復(fù)位”動作提供氣能的旋轉(zhuǎn)氣缸、給手爪“上升下降”動作提供能量的旋方型氣缸。手爪組件采用硅膠制作，制作的流程為：采用autoCAD 軟件制作手爪三維模型，應(yīng)用3D 打印技術(shù)制作手爪模具；制作手爪內(nèi)膽；將內(nèi)膽放入手爪模具，澆注硅膠，等待手爪固定成型。

2.2 連接件設(shè)計

連接件是手爪機構(gòu)與氣路氣管連接的部件，起固定柔性手爪和保證氣路氣密性的作用。首先，在保證氣路氣密性設(shè)計上，通過應(yīng)用生膠帶固定連接螺栓，在生膠帶的纏繞上務(wù)必做到仔細，盡可能多繞幾圈；其次，在柔性手爪固定設(shè)計上，在連接件內(nèi)部頂端設(shè)計了3 個氣管氣路與三指手爪連接的通道，并通過螺栓加固連接氣路通道。完成連接件設(shè)計后，需要通過反復(fù)的采摘試驗測試氣密性和手爪牢固程度，確保手爪在完成果實采摘循環(huán)動作中不會出現(xiàn)漏氣、掉落等故障。

2.3 氣動控制設(shè)計

氣動控制部分為手爪采摘果實動作提供能量，包含電磁閥、氣動管、磁性開關(guān)、緩沖閥、節(jié)流閥、消聲器等部件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上按照“柔性手爪通過氣管連接氣動電磁閥”“氣動電磁閥連接氣源”的方式構(gòu)成。此外，在柔性手爪上安裝數(shù)個磁性開關(guān)傳感器，用來精確檢測手爪采摘果實的狀態(tài)。緩沖閥、節(jié)流閥可調(diào)整氣壓，以確保手爪采摘果實動作的穩(wěn)定性，消聲器用于降低手爪循環(huán)動作時產(chǎn)生的噪音。

圖2 手爪設(shè)計圖Fig.2 The design drawing of gripper

圖3 連接件設(shè)計圖Fig.3 The design drawing of connector

圖4 氣動控制連接圖Fig.4 The pneumatic control connection diagram

3 機械手采摘自動控制設(shè)計

3.1 PLC電氣控制回路

系統(tǒng)以西門子S7-200型PLC為硬件核心設(shè)計，還包括外接繼電器、接觸器、開關(guān)、報警指示燈、電氣適配件等。此外，為柔性機械手采摘動作控制分配合適的I/O 地址也是設(shè)計的核心項目，具體來說，本系統(tǒng)的輸入電氣地址包括：I0.0（系統(tǒng)啟動開關(guān)）、I0.1（系統(tǒng)停止開關(guān)）、I0.2（手爪上升限位磁性開關(guān)傳感器）、I0.3（手爪下降限位磁性開關(guān)傳感器）、I0.3（手爪旋轉(zhuǎn)限位磁性開關(guān)傳感器）、I0.4（手爪抓緊限位磁性開關(guān)傳感器）、I0.5（連接件傳感器）；本系統(tǒng)的輸出電氣地址包括：Q0.0（手爪上升驅(qū)動電磁閥線圈）、Q0.1（手爪下降驅(qū)動電磁閥線圈）、Q0.2（手爪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電磁閥線圈）、Q0.6（手爪驅(qū)動電磁閥線圈）、Q0.4（報警指示燈驅(qū)動線圈）。此外，在具體的PLC電氣控制回路配置上，應(yīng)在接線中嚴格檢查各傳感器、電磁閥、氣路氣管、輸入輸出控制端子的連接密封情況，確保柔性手爪的循環(huán)采摘作業(yè)質(zhì)量。

3.2 循環(huán)采摘程序

基于PLC 編譯的果實循環(huán)采摘梯形圖程序流程圖，見圖5。整個程序的編譯執(zhí)行思路為：啟動設(shè)備，系統(tǒng)完成復(fù)位和自檢，機械手初始位為“下降限位+松開限位+旋轉(zhuǎn)復(fù)位”狀態(tài)；機器人柔性機械手運行至果園對應(yīng)的采摘區(qū)域；柔性機械手按照“上升-旋轉(zhuǎn)到位-采摘抓緊-旋轉(zhuǎn)復(fù)位-下降-松開放果”的循環(huán)流程執(zhí)行采摘作業(yè)；采摘過程中若PLC 連接的傳感器檢測到掉果、漏摘、過壓、過載、過流等故障問題，系統(tǒng)指示燈會閃爍，并自動停止采摘作業(yè)；若采摘過程中沒有發(fā)生故障，柔性機械手會自動循環(huán)執(zhí)行采摘作業(yè)，直至技術(shù)人員按下停止按鈕，系統(tǒng)才會停止采摘。此外，系統(tǒng)運行過程中若出現(xiàn)停電、故障急停，會導(dǎo)致的機械手未能停在初始位，特編譯了機械手再次通電后的自動和手動復(fù)位程序，即：重啟系統(tǒng)后，倘若發(fā)現(xiàn)機械手未能停在初始位，技術(shù)人員可按下手動復(fù)位開關(guān)（I0.6）或自動執(zhí)行SM0.1 初始化程序，使機械手回到初始位置，具體的梯形圖程序見圖6。

圖5 循環(huán)采摘程序流程圖Fig.5 The flow chart of circular picking procedure

圖6 機械手復(fù)位程序Fig.6 The manipulator reset procedure

4 結(jié)語

系統(tǒng)完成設(shè)計后，在果園中進行了運行試驗，結(jié)果顯示：該款機械手針對農(nóng)作物果實的采摘成功率為100%，沒有出現(xiàn)掉果、漏摘等問題，穩(wěn)定性、可靠性和應(yīng)用性良好，在農(nóng)作物果實自動采摘生產(chǎn)領(lǐng)域具有一定的推廣價值。