關(guān)于果蔬采摘機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)的研究*

王 甦

（河池市職業(yè)教育中心，廣西 河池 547000）

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人工采摘作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要人力最多的一環(huán)，成本越來(lái)越高，許多國(guó)家為了促進(jìn)采摘業(yè)的發(fā)展，均在努力研發(fā)采摘機(jī)器人。通過(guò)機(jī)器代替人工，既節(jié)約成本又提高效率[1]。果蔬采摘機(jī)器人是一種采摘設(shè)備，其主要的功能是對(duì)果蔬進(jìn)行精準(zhǔn)采摘，其工作原理是通過(guò)PLC控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)中編寫(xiě)特定的驅(qū)動(dòng)程序；同時(shí)，機(jī)械手采摘機(jī)構(gòu)應(yīng)在液壓機(jī)的作用下工作，位置檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)返回控制系統(tǒng)，以便相應(yīng)地調(diào)整機(jī)構(gòu)的位置，保證位置的準(zhǔn)確性，使得采摘機(jī)構(gòu)能夠按照設(shè)定完成動(dòng)作，滿(mǎn)足果蔬采摘的工作要求。

1 果蔬采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)技術(shù)要求

主要用途：對(duì)果蔬進(jìn)行采摘及搬運(yùn)[2]；主要參數(shù)：三自由度；手臂可以旋轉(zhuǎn)180°，速度小于或等于70 mm/s；定位方式：根據(jù)地形設(shè)置起止位置；定位精度：±0.3 mm；驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)合；控制方式：PLC；手指握力：500 N；夾持范圍：8 dm3，10 kg，車(chē)體部分為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，荷載100 kg。

1.2 果蔬采摘機(jī)器人機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)果蔬采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，其主要是在PLC的控制下，在編寫(xiě)程序后，行駛到指定位置，采摘果蔬并運(yùn)到指定位置。其主要?jiǎng)幼黜樞驗(yàn)椋阂簤焊滋幱谑湛s狀態(tài)，手臂處于后限位，小車(chē)行駛，識(shí)別到成熟果蔬，行駛到指定位置，機(jī)械手開(kāi)始作業(yè)：手爪張開(kāi)—手臂前伸下降—手臂中止—檢測(cè)位置—手臂下降—手爪閉合—手臂上升—手臂旋轉(zhuǎn)180°—手臂下降—手臂下降到指定位置—手爪張開(kāi)—手臂上升—手臂回轉(zhuǎn)180°至原始位置[3-4]。

2 手部設(shè)計(jì)及計(jì)算校核

2.1 機(jī)械手部設(shè)計(jì)要求

1）具有一定的夾緊力與驅(qū)動(dòng)力，并且保證具有足夠的夾緊力以便夾斷瓜藤。

2）夾具應(yīng)有一定的夾緊間隔和開(kāi)閉角度，從而抓取果蔬。

3）手爪應(yīng)具有一定的定位方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)果蔬的精準(zhǔn)抓取。

2.2 手部設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及其工作用途，其要實(shí)現(xiàn)果蔬的抓取及瓜藤的切斷，并將果蔬放入小車(chē)當(dāng)中，所以果蔬采摘機(jī)器人是用來(lái)抓取果蔬及切割瓜藤的夾持裝置。綜上考慮，將抓取部件設(shè)計(jì)為鏟斗形式，通過(guò)螺紋桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的收縮，完成采摘?jiǎng)幼?。手爪結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 手爪結(jié)構(gòu)示意圖

分析表明，在電機(jī)動(dòng)力不變的情況下，隨著角度的增大，握力增大，因此牽引桿的拉伸增大，手部的設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)增大，所以α=30°～45°最好。

3 手臂設(shè)計(jì)及計(jì)算校核

3.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求

1）臂部因需要承載果蔬及爪部重量，應(yīng)保證其剛度及強(qiáng)度、承載能力并且控制重量[5]。

2）手臂運(yùn)動(dòng)速度要平穩(wěn)，盡量降低慣性沖擊。

3）減少手臂部件的摩擦，手臂結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單緊湊。

3.2 手臂設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂，在液壓缸的收縮下能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲運(yùn)動(dòng)，而回轉(zhuǎn)動(dòng)作則是由機(jī)身上的回轉(zhuǎn)臺(tái)在電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的。采取雙液壓缸的形式對(duì)手臂進(jìn)行推拉從而實(shí)現(xiàn)手爪位置的精準(zhǔn)控制[5-6]。在最末端裝入電機(jī)連接螺紋桿，通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)手部的收縮與張開(kāi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)果蔬的摘取與放下。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

4 車(chē)身設(shè)計(jì)及計(jì)算校核

4.1 車(chē)身的設(shè)計(jì)要求

1）需安裝一個(gè)果蔬機(jī)械臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)并保證其精度及剛度。

2）為采摘機(jī)構(gòu)提供一個(gè)穩(wěn)定的工作平臺(tái)。

3）能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。

4.2 機(jī)身的設(shè)計(jì)方案

本文選用直流電機(jī)作為整個(gè)裝置的動(dòng)力源，因此直流電機(jī)性能直接決定整個(gè)裝置的運(yùn)行情況。選用電機(jī)不僅要考慮價(jià)格合理，降低整個(gè)裝置成本，也要能夠提高足夠的動(dòng)力，保證整個(gè)裝置穩(wěn)定運(yùn)行，還不能選用動(dòng)力遠(yuǎn)大于所需的電機(jī)，這樣會(huì)造成性能過(guò)剩，而且價(jià)格昂貴，不符合設(shè)計(jì)理念。因此選擇電機(jī)時(shí)，不能考慮單一指標(biāo)，不僅要考慮多種因素，也要考慮工作環(huán)境。計(jì)算直流電機(jī)功率：

考慮本裝置的整體結(jié)構(gòu)，本裝置需要承受的質(zhì)量為100 kg，需要載荷為1 000 N，其運(yùn)行速度V=0.5 m/s，因此：

該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率是0.85，則：

本裝置連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸的直徑為20 mm，則轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)上述計(jì)算和論述，考慮到工作環(huán)境和實(shí)際需求，考慮設(shè)計(jì)余量，本裝置選取功率為1.5 kW電機(jī)，其轉(zhuǎn)速為2 980 r/min，型號(hào)為Y80M1-2[7-9]。如圖3所示。

圖3 電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

5 機(jī)械手液壓系統(tǒng)

5.1 機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)果蔬采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手具有三個(gè)自由度，具有液壓驅(qū)動(dòng)和PLC控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)果蔬的精確采摘功能[10]。

5.2 液壓元件明細(xì)表及模型展示

液壓元件明細(xì)、液壓缸模型分別如表1、圖4所示。

圖4 液壓缸模型圖

6 總結(jié)

課題組通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外果蔬采摘機(jī)器人的了解，對(duì)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)自己的設(shè)

計(jì)還有很多不足。具體的不足如下：1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還不夠成熟，由于果蔬的果實(shí)與葉片顏色近似，導(dǎo)致果蔬采摘機(jī)器人的成功采摘率不高；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還不夠緊湊，機(jī)器人價(jià)格過(guò)高，要想投入生產(chǎn)還需進(jìn)一步優(yōu)化；2）PLC設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)可能過(guò)于理想，還有許多情況沒(méi)有考慮到，程序設(shè)計(jì)也需要進(jìn)一步完善；3）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了追求各個(gè)部件的動(dòng)力充足，在一些方面忽略了環(huán)保理念。希望隨著科技的發(fā)展，可以制造出識(shí)別精確、采摘平穩(wěn)、動(dòng)力環(huán)保、價(jià)格低廉的果蔬采摘機(jī)器人，早日幫助果蔬種植戶(hù)們解決人工采摘成本高、效率低這一難題。

表1 液壓元件明細(xì)表