机械手便捷采摘苹果装置探究

鲁旭阳 后刚 白和良 刘锋 陈荣辉

[摘要]随着我国科技发展水平的不断提升，各种新技术被广泛应用到各个产业的发展过程中，机械手作为一种较为先进的采摘工具，在苹果采摘过程中发挥着十分重要的作用。本文研究机械手便捷采摘苹果，先简单介绍了采摘机械手的工作原理以及苹果采摘机械手的工作原理，再分析苹果机械手切割式采摘装置，便于提高我国苹果产业的采摘效率，推动苹果产业发展。

[关键词]机械手;苹果;采摘工具

随着我国社会主义市场经济体制不断向纵深化发展，市场资源配置更加优化，提升了我国经济发展的效率，推动着我国经济向规模化、集中化的方向发展。在这种发展形势下，我国很多产业都出现了规模化、产业化发展的趋势，苹果种植业也不例外。苹果种植面积不断扩大，依靠人工采摘的做法不仅效率低下，还需要花费大量的人工成本，无法适应大规模、产业化市场发展的需要，在这种情况下，需要转变苹果产业采摘方式，提高苹果采摘效率，推动苹果采摘智能化、机械化方向的发展。因此，利用机械手采摘苹果成为苹果产业采摘的重要方式，能够提高苹果采摘的效率，推动苹果采摘产业化发展[1]。

1 苹果采摘机械手的工作原理

1.1 采摘机械手设计

采摘机械手主要由传感器、采摘机械手、步进电机、控制电路、电机驱动器、传感器放大器等部件构成。

1.2 工作原理

苹果采摘机械手主要由抓持装置、驱动、自由伸缩及切割装置及传感器等部分组成，关键装置则是末端执行器。苹果采摘机械手的工作运转需要遵循一定的工作原理，其工作原理如下：在苹果采摘机械手的工作过程中，让抓取装置对苹果进行定位，在采摘机械臂的作用下，机械手慢慢靠近果实并对果实产生挤压，造成对果实的压力，从而产生的力信号由传感器测得并将该信号传给了单片机。对根据实际情况设定的力阈值进行判断、衡量，力阈值的设定遵循不能损坏果实的原则并且能够对果实进行有效抓住。当机械手对果实产生挤压并达到力阈值时，机械手会自动发出动作，对果实进行稳定抓住，然后机械手的手臂会逐渐上升，上升到能够将果实和其他果实分离，并且在动力的作用下，促使抓取装置运转，实现苹果采摘机械手上的切割刀对苹果柄进行切割。在机械手旋转过程中必须减少对其他果实的损坏或者降低周边的采摘环境对机械手的动作产生影响，当机械手将采摘好的果实松开后再回到原位[2-3]。

压力传感器能够合理调整抓取装置施加给苹果的压力，避免抓取装置对苹果表面造成巨大损害，提升苹果采摘效率。机器需要对该果实是否在原来的位置进行判断，如果确定果实还在原来的位置，则说明果实没有采摘成功，否则则说明果实采摘已经成功，果实采摘机械手需要采摘下一个果实。此外，苹果采摘机械手的自由伸缩以及切割装置可以对末端执行器进行有效控制，促使其自由伸缩，便于其自由采摘苹果并对苹果进行有效放置[4]。

1.3 苹果采摘机械手的设计

苹果采摘机械手的设计主要由末端执行器结构设计和末端执行器切割装置设计两部分组成。苹果采摘机械手末端执行器结构较为复杂，其组成结构依次为压力传感器、手指、限位开关、直流电机、涡轮蜗杆机构、钢丝软管传动、刀架转轮、刀架与刀片、碰触传感器、光电开关、薄型双作用气缸[5]。

苹果采摘机械手如果想要精准、正确地抓取苹果，需要对采摘机械手抓取装置进行设计，以便于在抓取苹果的过程中受力较为均匀，避免抓取的苹果从抓取装置中出现滑落现象，设计出符合机械手抓取苹果的末端执行器抓取装置。

苹果机械手末端抓取装置要想运动，需要依靠给予其动力，借助连杆装置将机械手的手指和气缸连接起来，同时把机关环节设置在手指中间，并依靠手指内部微型齿轮来对手指的弯曲程度加以控制。利用机械手手指采摘苹果时，可依据苹果的大小、形状对手指关节进行调整，使机械手的手指能够有效抓住苹果的关键位置和部分，这样能够有效采摘苹果，避免机械手采摘苹果时出现不适应的问题。用机械手手指摘取苹果时，可以在机械手手指上带上橡胶手套，从而降低机械手手指对苹果的摩擦，有效保护苹果原来的形状和色泽。此外，还可以将比较柔软的海绵放在机械手手指上，不让机械手手指与苹果直接接触，让二者之间有足够的缓冲区域，这样可以有效保护苹果[6]。

在采摘苹果的过程中，经常发现与苹果相连接的树枝部分很难折断，非常影响苹果的采摘效率。为解决采摘过程中遇到的采摘不顺问题，需要对采摘装置尤其是切割装置进行合理研制。在当前阶段，研制出来的机械手采摘苹果装置主要有旋转装置和切割装置两种。机械手采摘旋转装置是依靠机械手连杆装置来对机械手加以控制，让其旋转，借助机械手的旋转力将苹果数值加以折断。但由于连接苹果的树枝较硬，采用折断树枝的方式采摘苹果不仅成功率，对苹果以及苹果树的损坏也较大，容易造成苹果损伤，因此，这种采摘方式难以大规模推广。机械手采摘切割装置则是利用切刀或者电流刀切断苹果柄。但这种采摘方式需要对苹果柄的位置进行确定，并且还要求机械手臂能够灵活自由地调整，操作起来不能过于困难。切割式的采摘方式能够提高苹果采摘的效率，但如果对苹果柄的定位不准，容易对苹果造成损伤，采摘苹果的风险较大。因此，这种采摘方式对机器人的要求较高，研发使用成本通常也较高，操作起来也较为复杂。

2 苹果机械手切割式采摘装置

2.1 苹果机械手切割采摘装置的设计

为有效解决上述两种采摘方式带来问题，需要对机械手采摘苹果装置进行改造升级，形成更加符合采摘实践的切割采摘装置，从而研制出更加适合苹果采摘的切割装置。切割式的采摘装置主要由直流电机、微型涡轮蜗杆减速器、钢丝绕盘、钢丝、下软管架、弹性软管、上软管架、刀架、刀架轉轮、转盘轴、楔形刀片等结构组成。

切割式采摘装置一般由直流电源提供充足动力，能源供应具有稳定性。在对传动部分安装内部套装时，一般采用软管对传动部分加以套装。在利用切割式采摘装置采摘苹果时，在动力的驱使下，切割刀片围绕着手指外围旋转一周，确定苹果柄的位置，对其加以切割，既能够折断苹果柄，又能够避免切割刀对苹果造成损坏，还能够提高苹果的采摘效率。同时，切割式采摘装置操作比较简单，并且大大降低了机器人的采购成本。切割刀片是以楔形状的刀片为主，在对苹果柄进行切割时，刀片和苹果柄会出现部分滑动，更加容易造成苹果柄被刀片切断，避免切割装置出现无用动作，提升切割效率，确保机械手操作的可靠性。

2.2 苹果采摘机械手气动系统运作

苹果采摘机械手末端运转需要气动动力装置加以控制，苹果采摘机械手气动系统装置主要由小型气压源、单向阀、电触电压力表、小型气罐、气源调节装置、电磁换向阀、先导单向阀、溢流阀、单向减压阀、单向节流阀、薄型气缸等结构组成。其中，气源调节装置主要由气体过滤装置及减压阀装置构成，该装置一方面能够净化空气，另一方面能够控制气压。在电压阀的作用下，气动路可以有效进行调节和切换，进而实现人为控制气缸活塞的运动。在气动回路中，设置的先导式单向阀，能够有效保证气缸处于中间位置，提升稳定性。通常情况下，溢流阀可以控制气缸拉力的稳定性。安装双单向阀装置，能够最大限度减小气动冲力给机械手带来的不利影响，使苹果采摘机械手在采摘苹果时不会出现颤抖现象，提高苹果采摘的成功率，增强采摘效果。

3 结论

随着现代科技的快速发展，我国的机器人技术也取得了突飞猛进的发展，生产出了各种先进的智能化产品，并被广泛应用于人们生产生活的各个方面，为人们的日常生活提供了便利，尤其是现代技术应用于苹果采摘等产业的过程中，催生了各种先进的采摘机器，机械手就是一种比较好的采摘工具，能够提升苹果采摘的效率。

参考文献

[1]马责飞，马履中，杨文亮，苹果采摘机器人机械手运动学分析与仿真[J].农机化研究，2010 （7）：21-25.

[2]李国利，姬长荚，顾宝兴.多末端苹果采摘机器人机械手运动学分析与试验[J].农业机械学报，2016 （12）：14-21.

[3]姬伟，程凤仪，赵德安.基于改进人工势场的苹果采摘机器人机械手避障方法[J].农业机械学报，2013 （11）：253-259.

[4]崔鹏，陈志，张小超苹果采摘机器人仿生机械手静力学分析与仿真[J].农业机械学报，2011 （2）：149-153.

[5]丁祥青，马莉，采摘机器人机械手结构设计与分析[J].机床与液压，2017 （23）：40-42.

[6]刘威林.水果采摘机械手[J].农业知识：瓜果菜，2005（6）：47