瓜果采摘机械臂的改进与试验研究

郭岩

摘要 现代农业的发展离不开现代化的农业机械，而现有的瓜果采摘机械臂难以满足全方位采摘瓜果的需要，针对这种不足，通过改进瓜果采摘机械臂设计原理及方法，创制了能在任意空间目标点采摘瓜果的机械臂，并对新改进的机械臂进行了试验，取得了预期的结果，这对现代化农业的发展是大有益处的。

关键词：瓜果采摘，农业机械，机械臂改进

1.瓜果采摘机械的现状及改进的意义

现代化农业的发展是我国农业发展的必然趋势，而现代农业的发展离不开农业科技技术的不断进步，未来农业生产的发展也离不开机械化。而现有的瓜果采摘机器人的机械臂存在着不少问题，如它们大多直接购买现有工业机械手，而这些机械手不但成本较高，且所占空间大，在采摘瓜果的过程中往往不尽如人意，这些问题无疑会影响农业生产。因此针对现在瓜果采摘机械臂的这种不足，通过改进瓜果采摘机械臂设计原理和设计方法，创制了能在采摘范围内的任意目标点采摘瓜果的机械臂，并对新改进的机械臂进行了验证试验，验证了这种新创制了瓜果采摘机械臂的有效性和实用性，这对现代化农业的发展是大有益处的。

2.农业采摘机械臂设计原理的优化与创新

瓜果采摘的机械化是现代农业的需要，而使用农用机械进行瓜果采摘仍需要遵循瓜果采摘的一般要求，那就是这些机械设备要占地面积小，采摘的范围要大，采摘瓜果要灵活且准确率高，并且要减少采摘给瓜果原株成长造成的伤害。因此，这些就决定了瓜果采摘机械臂的设计要尽可能满足这些要求，另外还要降低采摘成本，提高采摘瓜果的效率，适应现代市场经济发展的需要。而传统的农用瓜果采摘机器人所使用的机械臂，多是直接购买现有工业机械手，它们不但成本较高，且所占空间大，在使用过程不尽人意。为了保证新改进的机械臂采摘的灵活性，研制出新型的瓜果采摘机械臂，而改进了传统瓜果采摘机器人的设计原理和设计方法。

传统农业机器人的结构设计主要包括四大类：直角型、圆柱型、坐标型和关节型。对这四种机器人的优劣进行了综合的分析对比，最终选择了关节型的瓜果采摘机器人的结构设计。理论上6个自由度的机械臂设计虽然可以达到三维空间的任何点，但这种按照这种理论设计出来的机械臂往往结构比较复杂，在采摘瓜果的过程中不易控制。而同样是通过三维空间来确定采摘瓜果的目标位置，采用了4个自由度来控制机械臂灵活性的设计更具优势和实用性。

3.瓜果采摘机械臂设计方法的改进

对瓜果采摘机械臂进行改进使之更能满足瓜果采摘的实际需要，改进机械臂的设计原理只是创制新机械臂的基础，还需要在此基础上在具体设计过程中进行改进。首先，改进机械臂设计的结构参数，来确定瓜果采摘的空间范围，这需要计算出机械臂腕关节最小的回转角度；其次，瓜果采摘机械臂的设计需要考虑相关的设计变量，这些变量包括机械臂底座的高度、机械臂的长度、腕关节的长度以及机械臂腰部的回转角、肩关节和肘关节的转角范围、腕关节的转角等，通过分析瓜果采摘过程中的实际需要，最终对除了底座的高度和腕关节的长度外的其他变量进行改进，进而确定采摘瓜果的空间范围，此外，还根据机械臂本身与目标瓜果之间的位置关系以及机械臂自身结构的限制等因素，来改进设计机械臂的变量等。其次，还需要改进机械臂的结构参数，是机械臂设计结果更加合理。整个机械臂的改进都经过详细的计算和重新设计，才使新创制的机械臂在使用过程中更加便捷。

4.对新创制机械臂的试验及分析

为了验证新创制的瓜果采摘机械臂是否能准备定位目标果实的空间位置及是否能准确采摘到瓜果，因此对新创制的机械臂进行了试验。选择了目标瓜果采摘范围内的若干个制定的采摘位置，和随机选取的若干个采摘位置进行试验，并对数据进行记录和分析。通过对比瓜果采摘的理论数值、实际采摘数值及误差值进行对比分析，我们发现新创制的机械臂能准确到达目标采摘范围中的任意位置，并且在采摘过程中机械臂工作稳定、机械臂本身无明显抖动现象。这充分表明新创制的机械臂的合理与成功。

通过分析机械臂试验数据还可以发现，机械臂实际工作中的数值与理论数值之间存在着误差，对目标果实定位误差的存在虽然是不可避免的，但还是对误差产生的原因进行分析，主要包括以下两点：第一，机械臂个部件加工装配的原有误差，是机械臂各个连接杆之间产生了位置上的误差；第二，机械臂各关节的电动机采用的是独立的控制方法，它们在同时运行时由于惯性及重力等的影响，导致机械臂各关节在角度的控制上产生了误差。针对上述影响误差的因素，可在以后机械臂设计研究过程中采取相应的补救方法：首先，可以采用先进的计算机技术来补偿由加工装配偏差所引起的位置误差。其次，采用其他先进的控制方法或通过机械模型的控制方法，来提高机械臂在采摘瓜果工作中的精准度。

5.结论

针对现有瓜果采摘机械手不但成本较高，且所占空间大，在使用过程不尽人意的诸多缺点，通过改进机械臂设计原理及方法，创制了能在任意空间目标点采摘瓜果的机械臂，这种机械臂设计不仅结构简单紧凑，采摘范围广而所占空间较少，且操作的灵活度高。此外，新创制的瓜果采摘机械臂生产所使用的材料简单易得，生产成本大为降低。对新创制的机械臂进行了试验，结果表明：新创制的机械臂能准确到达目标采摘范围中的任意位置，并且在采摘过程中工作稳定、机器本身无明显抖动现象，能满足瓜果采摘的任务需要。这无疑说明新创制的机械臂是合理且有效的，只是机械臂在精准定位瓜果的空间位置时存在一些误差，这需要在以后的工作做进一步研究和改进。

参考文献：

[1].赵金英，张铁中，杨丽.西红柿采摘机器人视觉系统的目标提取[J].农业机械学报，2006，37（10）：200～203.

[2]郭峰，曹其新，崔永杰等，用于草莓收获机器人的果实定位和果柄检测方法[J].农业工程学报，2008，24（10）：89～94.

[3]宋健.茄子采摘机器人结构参数的优化设计与仿真[J].机械设计与制造，2008，6（6）：166～168.

[4]孙杏初.关节型机器人主连杆（手臂）参数的优化设计[J].北京航空航天大学学报，1996，22（4）：509～512.