一種樹(shù)生水果采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

黃保賽 ，趙棟杰 ，張偉濤 ，張 賽

（聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，果園面積和水果產(chǎn)量穩(wěn)步提升，均位居世界前列[1]。水果采摘是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為耗時(shí)耗力的一個(gè)環(huán)節(jié)，采摘作業(yè)的質(zhì)量和效率直接影響了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國(guó)果蔬采摘作業(yè)仍以傳統(tǒng)的人工采摘模式為主，這種傳統(tǒng)的人工采摘方式不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)力成本高，而且效率相對(duì)較低。尤其對(duì)于某些地方果樹(shù)密度大、果實(shí)生長(zhǎng)密集等情況，水果采摘存在非常大的困難。因此，實(shí)現(xiàn)果蔬采摘機(jī)械化、智能化具有非常重要的意義[2-4]。

農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人發(fā)展十分迅速，美國(guó)、日本、荷蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)針對(duì)不同水果研究出相應(yīng)的采摘機(jī)器人原型機(jī)，走在農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究的前列；我國(guó)對(duì)于農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研究起步略晚，但近些年發(fā)展迅速，也取得了比較豐碩的成果[5]。在水果采摘領(lǐng)域，已有文獻(xiàn)報(bào)道的采摘機(jī)器人產(chǎn)品有Johan Baeten等[6]研制的負(fù)壓夾持式蘋(píng)果采摘機(jī)器人，日本大阪府立大學(xué)的Tanigaki等[7]研制的四自由度鉸接式櫻桃采摘機(jī)械臂，江蘇大學(xué)的趙德安等[8]設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的王韌[9]研發(fā)的果蔬采摘的冗余七自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，重慶理工大學(xué)的張茂[10]設(shè)計(jì)的柑橘采摘機(jī)器人。

上述農(nóng)業(yè)水果采摘機(jī)器人多采用剛性關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，普遍存在靈活性受限、質(zhì)量大等缺點(diǎn)[11-12]，難以滿足某些地方果樹(shù)生長(zhǎng)密集、果實(shí)錯(cuò)落分布等情況的采摘需要，并且生硬的機(jī)械臂容易對(duì)果實(shí)造成一定的損傷，人在操作時(shí)也具有一定的安全隱患[13-16]?；诖耍疚哪７麓笙蟊亲拥倪\(yùn)動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種拉繩驅(qū)動(dòng)的仿象鼻柔性采摘機(jī)械臂，并基于該機(jī)械臂設(shè)計(jì)了一種樹(shù)生水果采摘機(jī)器人。

1 總體設(shè)計(jì)方案及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該樹(shù)生水果采摘機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)械爪部分、機(jī)械臂部分、收集裝置部分、車身部分組成，總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

其中，機(jī)械爪部分的夾持手指采用柔性材料，用于夾裹目標(biāo)果實(shí)；機(jī)械臂部分由三段串接的柔性關(guān)節(jié)段組成，可實(shí)現(xiàn)多自由度、較大幅度的柔順彎曲運(yùn)動(dòng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪在抓取、采摘過(guò)程中所需的各種柔性運(yùn)動(dòng)；機(jī)械爪和機(jī)械臂均采用拉繩驅(qū)動(dòng)，由驅(qū)動(dòng)底座的直線模組提供動(dòng)力；配合可升降的收集裝置部分，能有效縮短機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)行程，進(jìn)一步提高采摘效率；機(jī)械臂和收集裝置安裝在車身上，車身還帶有水果收集箱，采摘后的水果可以儲(chǔ)存在車身上的收集箱中。

1.2 工作原理及流程

該樹(shù)生水果采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定采摘位置后，首先，收集裝置部分的一級(jí)升降裝置和二級(jí)升降裝置升高到一定高度，完成準(zhǔn)備工作。其次，機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)底座進(jìn)行工作，拉動(dòng)拉繩使得機(jī)械臂到達(dá)要采摘水果的位置。到達(dá)指定位置后，控制機(jī)械爪運(yùn)動(dòng)的拉繩也被拉動(dòng)，機(jī)械爪完成閉合和旋轉(zhuǎn)，從而完成采摘作業(yè)。再次，通過(guò)拉繩的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，將采摘的水果通過(guò)傳輸管道放到收集裝置部分的水果收集盤(pán)中，完成一次采摘作業(yè)。最后，當(dāng)收集盤(pán)中的水果收集滿后，二級(jí)升降裝置下降到一定位置，人工取下收集盤(pán)，再放上一個(gè)空的收集盤(pán)，將收集盤(pán)中的水果放到輪履小車的收集箱中。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械爪

機(jī)械爪用于摘取目標(biāo)果實(shí)，采用拉繩驅(qū)動(dòng)方式，具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)械爪包括夾持機(jī)構(gòu)和底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)安裝在底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，采摘手指使用TPU柔性材料，能避免采摘過(guò)程中對(duì)水果的損傷，拉動(dòng)兩根拉繩可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪對(duì)目標(biāo)果實(shí)的夾持和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，當(dāng)手指夾持住目標(biāo)果實(shí)后，底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)連同目標(biāo)果實(shí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將果實(shí)從樹(shù)枝上擰下，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)果實(shí)的摘取。

圖2 機(jī)械爪結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 機(jī)械臂

象鼻是大象最重要的肢干，本身由16塊肌肉組成，靠縱向肌肉的牽引來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，可以完成伸長(zhǎng)、彎曲和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作，具有快速伸長(zhǎng)并朝任意方向彎曲的能力，并且可以根據(jù)需要改變自身剛度。在相同的尺度范圍內(nèi)，象鼻既靈活又具有較高的自由度。

機(jī)械臂模仿象鼻運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一種新型的仿生機(jī)械，模仿象鼻內(nèi)部縱向肌肉的牽引來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，采用拉線方式驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

圖3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

1）在長(zhǎng)度方向上有很高的拉伸強(qiáng)度，而在其他方向上卻很柔軟且易于彎曲，可以承擔(dān)較大的拉力而不改變本體尺寸。

2）自身超強(qiáng)的彎曲變形能力能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境，在復(fù)雜狹小的工作空間內(nèi)每個(gè)關(guān)節(jié)可以根據(jù)環(huán)境產(chǎn)生彎曲變形，具有很強(qiáng)的避障能力和環(huán)境適應(yīng)能力。

3）在運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)，能夠控制機(jī)械臂末端較準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置。

機(jī)械臂主要由三段相同的柔性段從上到下依次串接而成。各柔性段均包括上、下底座連接盤(pán)和3個(gè)中間支撐盤(pán)，底座連接盤(pán)和支撐盤(pán)的圓周上均布有9個(gè)對(duì)應(yīng)的繩孔，便于控制機(jī)械臂的9根拉繩穿過(guò)，一個(gè)柔性段由3根拉繩進(jìn)行控制，3根拉繩間隔120°設(shè)置，在保證有效驅(qū)動(dòng)的同時(shí)又不至于使控制過(guò)于復(fù)雜，中間支撐盤(pán)的引入能對(duì)柔性段的彎曲進(jìn)行約束，使得變形更加可控。其中，機(jī)械爪的拉繩從拉簧硅膠骨架的內(nèi)部穿過(guò)，機(jī)械爪和機(jī)械臂都是由驅(qū)動(dòng)底座提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)底座上設(shè)有直線模組，直線模組運(yùn)動(dòng)并拉動(dòng)拉繩，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂彎曲并到達(dá)目標(biāo)采摘位置，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪對(duì)目標(biāo)果實(shí)的摘取。

2.3 車身

車身主要由車型框架、變履轉(zhuǎn)換裝置、水果收集箱三大部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。車型框架起到連接各分支部分和協(xié)調(diào)配合的作用，車型框架底部裝有變履轉(zhuǎn)換裝置，變履轉(zhuǎn)換裝置利用液壓伸縮桿來(lái)伸縮調(diào)整五邊形框架支撐梁的形狀，從而可實(shí)現(xiàn)平履動(dòng)和半輪動(dòng)兩種工作狀態(tài)的切換，車型框架尾部裝有水果收集箱，用于存儲(chǔ)收集到的水果。

圖4 車身結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 收集裝置

收集裝置主要由一級(jí)升降裝置、二級(jí)升降裝置、傳輸管道、收集盤(pán)組成。一級(jí)升降裝置作為安裝基礎(chǔ)，連接設(shè)置二級(jí)升降裝置，傳輸管道、收集盤(pán)安裝在二級(jí)升降裝置上，一級(jí)升降裝置用于實(shí)現(xiàn)對(duì)收集裝置的升降，采摘完的水果通過(guò)傳輸管道進(jìn)入收集盤(pán)，通過(guò)二級(jí)升降裝置的移動(dòng)完成水果的向下輸送，最終，收集盤(pán)中的水果進(jìn)入水果收集箱。水果收集裝置協(xié)調(diào)柔性采摘機(jī)械臂進(jìn)行工作，能縮短機(jī)械臂控制末端的位移距離，進(jìn)一步提高采摘效率。收集裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 收集裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

1）根據(jù)仿生學(xué)原理，模仿大象鼻子運(yùn)動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種仿象鼻柔性采摘機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)較大幅度的柔順彎曲運(yùn)動(dòng)。

2）基于仿象鼻柔性采摘機(jī)械臂設(shè)計(jì)了一種樹(shù)生水果采摘機(jī)器人，該機(jī)器人具有工作空間更大、靈活性更強(qiáng)、安全性更高等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足枝條密集、作業(yè)空間狹窄環(huán)境下的采摘作業(yè)需求，使得人機(jī)協(xié)作更加安全。