農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)研究*

李 玲 ，顧曉宇

（齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

0 引言

機(jī)械臂作為一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常用的機(jī)械設(shè)備，具有較高的精確度和靈活度?，F(xiàn)有農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂將底座與爪臂組件設(shè)置為轉(zhuǎn)動關(guān)系，提高爪臂組件轉(zhuǎn)動的靈活性和自由性，同時(shí)，還將機(jī)械爪與爪臂之間設(shè)置為轉(zhuǎn)動關(guān)系，提高機(jī)械臂使用的自由度和靈活度，確保機(jī)械臂能夠靈活、自由地轉(zhuǎn)動和操作。在使用現(xiàn)有農(nóng)業(yè)采摘機(jī)機(jī)械臂時(shí)，需要移動爪臂組件，促使機(jī)械爪向指定位置進(jìn)行穩(wěn)定移動，并借助機(jī)械手，快速抓取水果、蔬菜等農(nóng)作物，然后借助爪臂組件，將農(nóng)作物轉(zhuǎn)移到其他位置，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作穩(wěn)定、有序進(jìn)行[1]。操作人員使用該機(jī)械臂進(jìn)行水果、蔬菜等農(nóng)作物的采摘時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂內(nèi)部的機(jī)械爪通過縮短兩個板塊之間距離，與農(nóng)作物材料接觸擠壓，完成對農(nóng)作物的抓取工作，但是，這種抓取方式無法實(shí)現(xiàn)對不規(guī)則農(nóng)作物的抓取，導(dǎo)致不規(guī)則農(nóng)作物因過于松動而出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，降低機(jī)械臂的應(yīng)用效果[2]。

為解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型、先進(jìn)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂，該機(jī)械臂內(nèi)板塊與農(nóng)作物接觸面之間設(shè)置若干個尖銳凸起，增大機(jī)械爪接觸擠壓不規(guī)則農(nóng)作物時(shí)的摩擦力，提高抓取農(nóng)作物的穩(wěn)定性與機(jī)械臂使用性能和效果[3]。所以，為解決現(xiàn)有農(nóng)業(yè)采摘機(jī)機(jī)械臂存在的不規(guī)則農(nóng)作物抓取不牢固、不規(guī)則農(nóng)作物易松動脫落等問題，強(qiáng)化對新型農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)和應(yīng)用顯得尤為重要。

1 機(jī)械臂運(yùn)行原理設(shè)計(jì)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期間應(yīng)用農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂對水果、蔬菜等農(nóng)作物進(jìn)行抓取移動時(shí)，首先，要確保底座處于穩(wěn)定啟動狀態(tài)，然后，借助底座靈活轉(zhuǎn)動和調(diào)節(jié)底座上的爪臂組件，確保機(jī)械爪穩(wěn)定地移動到農(nóng)作物所在位置，并利用機(jī)械爪成功抓取農(nóng)作物。其次，還要對電動伸縮桿進(jìn)行正常啟動，不斷靠近和縮短固定在電動伸縮桿上的壓板距離，此時(shí)，安裝在壓板上的滑塊會沿著滑槽進(jìn)行穩(wěn)定滑動，帶動滑塊上的限位板進(jìn)行滑動，確保機(jī)械爪與農(nóng)作物表面相接觸和擠壓，與此同時(shí)，農(nóng)作物被擠壓于兩側(cè)加強(qiáng)板之間，從而提高壓板對農(nóng)作物的夾持效果，確保機(jī)械爪與農(nóng)作物之間形成較大的接觸面積，保證機(jī)械爪抓取農(nóng)作物的穩(wěn)固性，降低農(nóng)作物松動脫落的概率。應(yīng)用農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂，能夠大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率，從而幫助農(nóng)民獲得較高的經(jīng)濟(jì)收入，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平[4]。機(jī)械臂立體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械臂立體結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將爪臂組件設(shè)置和連接于底座表面，將機(jī)械爪設(shè)置和連接于爪臂，而機(jī)械爪的表面設(shè)置和固定相應(yīng)的加固裝置。該加固裝置主要含有兩個安裝板，兩個安裝板分別連接和固定于機(jī)械爪的表面兩側(cè)，將兩個安裝板的截面設(shè)計(jì)為“L”形。將電動伸縮桿與兩個安裝板表面相連接，將壓板固定和連接于電動伸縮桿，將滑塊連接和固定于壓板的表面，將滑槽安裝和連接于兩個安裝板的表面位置，而滑槽內(nèi)壁安裝和連接滑塊，確?；瑝K沿著滑槽內(nèi)壁進(jìn)行穩(wěn)定、可靠的連接。該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)主要包含加固板、加強(qiáng)板、限位板、滑動裝置、穩(wěn)定槽、擋板等組成部分，接下來，對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1 加固板設(shè)計(jì)

將加固板安裝和固定于壓板表面與電動伸縮桿之間。該加固板所使用的材料為橡膠材料。通過安裝和設(shè)置加固板，可以增加壓板與農(nóng)作物之間的接觸面積和摩擦力，確保兩個壓板能夠穩(wěn)固、可靠地夾持農(nóng)作物，避免出現(xiàn)農(nóng)作物脫落的情況，使得機(jī)械臂使用性能得以最大化發(fā)揮[5]。加固裝置立體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 加固裝置立體結(jié)構(gòu)

2.2 加強(qiáng)板設(shè)計(jì)

采用傾斜設(shè)置的方式，將加強(qiáng)板安裝和固定于壓板表面兩側(cè)位置。通過設(shè)置加強(qiáng)板，可以確保壓板接觸擠壓農(nóng)作物時(shí)形成更多的接觸點(diǎn)，促使壓板表現(xiàn)出較高的夾持強(qiáng)度，使農(nóng)作物轉(zhuǎn)移變得更加穩(wěn)定化、流暢化[6]。

2.3 限位板設(shè)計(jì)

將限位板安裝和固定于滑塊的表面，將限位板截面設(shè)計(jì)成“U”形，將限位槽安裝和固定于滑槽的兩側(cè)，并將限位板的兩端分別連接和固定于兩側(cè)的限位槽，確保限位板沿著滑槽進(jìn)行穩(wěn)定滑動。在電動伸縮桿的移動下，通過設(shè)置限位板，可以確保壓板能夠穩(wěn)定、流暢地移動，提高壓板穩(wěn)固性，避免因壓板晃動而導(dǎo)致抓取的農(nóng)作物松動或脫落，確保機(jī)械爪表現(xiàn)出穩(wěn)固、良好的抓取效果[7]。

2.4 滑動裝置設(shè)計(jì)

滑動裝置內(nèi)含有滑軌，滑動槽主要設(shè)置在滑軌表面，將底座表面與滑動槽進(jìn)行穩(wěn)定連接，確?；瑒拥牧鲿承浴Ａ硗?，還要將穩(wěn)定槽設(shè)置在底座的表面兩側(cè)，將穩(wěn)定桿設(shè)置和固定于滑槽內(nèi)壁，確保穩(wěn)定桿沿著穩(wěn)定槽進(jìn)行穩(wěn)定、流暢的滑動[8]?；瑒友b置設(shè)置需達(dá)到的目的如下：應(yīng)用該機(jī)械臂抓取移動農(nóng)作物時(shí)，正常啟動和使用底座，此時(shí)底座沿著滑動槽進(jìn)行穩(wěn)定、流暢的滑動，當(dāng)?shù)鬃瑒拥街付ㄎ恢煤蠹纯赏Ｏ?，此時(shí)機(jī)械臂活動范圍不斷擴(kuò)大，確保機(jī)械臂在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，這樣一來，不僅提升了機(jī)械臂的使用性能，還提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率[9]?；瑒友b置立體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 滑動裝置立體結(jié)構(gòu)

2.5 穩(wěn)定槽設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)穩(wěn)定槽時(shí)，將其截面設(shè)計(jì)為矩形，并結(jié)合穩(wěn)定桿的直徑和長度，對穩(wěn)定槽的尺寸進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，使其尺寸完全匹配于穩(wěn)定桿。通過科學(xué)設(shè)計(jì)穩(wěn)定槽，使其與穩(wěn)定桿的尺寸相適配，確保底座更加穩(wěn)定、可靠地滑動于滑動槽內(nèi)，避免底座出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，提高底座滑動的穩(wěn)定性，促使機(jī)械臂使用變得更加自由化、靈活化[10]。

2.6 擋板設(shè)計(jì)

將擋板設(shè)置和固定于滑軌的表面兩側(cè)，并結(jié)合滑動槽的大小，科學(xué)設(shè)置擋板的尺寸，確保兩者的尺寸相適配。通過科學(xué)設(shè)置擋板，可以實(shí)現(xiàn)對底座滑動距離的有效控制，確保底座能夠沿著滑動槽進(jìn)行穩(wěn)定滑動，避免出現(xiàn)底座脫離滑動槽的現(xiàn)象，保證底座滑動的穩(wěn)定性和可靠性。

3 仿真驗(yàn)證

在進(jìn)行仿真試驗(yàn)時(shí)，為測試機(jī)械臂抓取的精確度和自由度，對水果、蔬菜、花朵等農(nóng)作物進(jìn)行模擬采摘。以某種果實(shí)為測試對象，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂末端與果實(shí)之間接觸位置為距果實(shí)底部30 cm 處，利用單目視覺傳感器、三維農(nóng)業(yè)相機(jī)，對該機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析。當(dāng)機(jī)械臂末端直接接觸到果實(shí)時(shí)，在外力作用下，該機(jī)械臂始終保持平衡狀態(tài)。結(jié)合該機(jī)械臂實(shí)際作業(yè)情況，當(dāng)進(jìn)行物體抓取時(shí)，爪臂速度和角加速度始終保持不變。

該機(jī)械臂抓取目標(biāo)物體時(shí)，如果定位精確度不高，會導(dǎo)致抓取目標(biāo)物體失敗。為有效地分析和研究該機(jī)械臂對目標(biāo)物體的定位精度，需將該機(jī)械臂與移動平臺放置在距離目標(biāo)物體3 m 位置處，然后，研究和探討該機(jī)械臂與移動平臺所對應(yīng)的抓取誤差，發(fā)現(xiàn)其誤差被控制在0.01 mm 以下，該機(jī)械臂運(yùn)用雙指夾持型設(shè)計(jì)模式，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的精確采摘。這說明本文所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂可以很好地適應(yīng)目標(biāo)物體位置范圍，具有定位精確度高、抓取自由靈活等特點(diǎn)，能夠滿足農(nóng)業(yè)采摘機(jī)對水果、蔬菜等農(nóng)作物的抓取需求。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文針對采摘機(jī)運(yùn)行期間出現(xiàn)果實(shí)識別不精確、抓取不牢固等問題，設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)、新型的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂。該機(jī)械臂含有加固板、加強(qiáng)板、限位板、滑動裝置、穩(wěn)定槽、擋板等組成部分，可以實(shí)現(xiàn)對水果、蔬菜等農(nóng)作物的精確定位和穩(wěn)定抓取。為驗(yàn)證該機(jī)械臂的穩(wěn)定性和可靠性，本文利用單目視覺傳感器、三維農(nóng)業(yè)相機(jī)，測試農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂的精確度和自由度。結(jié)果表明：該機(jī)械臂可以精確地定位水果、蔬菜等農(nóng)作物，并成功完成抓取動作，符合預(yù)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。本文所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)多自由度機(jī)械臂具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的機(jī)械化采摘、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率提供了重要的設(shè)備支持。