智能远程控制水果采摘机的研制

薛政坤　刘春丽

摘要：该采摘机是在传统机械臂基础上，采用了先进的机械机构、传动方案和控制系统，使得果农在采摘水果过程中更加地智能和便捷。采用SolidWorks软件设计全部零件，可以实现采摘机的动态仿真。该作品获得了2017年辽宁省大学生机械创新设计大赛一等奖。

关键词：采摘机；舵机； 控制；机械臂

1 研制背景及意义

随着世界人口的急剧增加，农业生产所承受的压力越来越大，对大规模、高效率的生产模式的需求也日益明显。同时，科技的发展和各种理论、技术的突破，也使得这类生产模式成为可能。农业机器人凭借其无疲劳、高效率的优势起到相当重要的作用，自动采摘机器人正是在这种背景下诞生的。20世纪末开始，美国、日本、法国、印度等许多国家开始了对自动采摘机器人的研究，并取得了一定成果，但应用情况并不乐观。本作品运用在智能化的农业生产中，可实现远程（在家中或者控制室中）控制采摘机，完成整个采摘过程。其可以大幅度地节省人力，减轻劳动强度，提高采摘效率。具有应用前景广阔、实用性强的优势，填补国内空白。

2 采摘机的组成及工作原理

2.1 简介

该采摘机由采摘收集系统和整理系统两部分组成。采摘收集系统为机械臂采摘结构，通过对舵机的控制，使得图臂杆六自由度灵活的转向摆臂，最顶端装有夹头（夹头上安装有用来剪枝的刀片），与此同时，还安装有摄像头用来回传现场图像。下半部分则为车体水果收集箱，其顶端采集回来的水果通过管道进入车体，车体与管道的衔接处安装有红外传感器，用来计数采集回来的水果数量并显示在车体上的显示屏上。水果进入车体的管道后，会被车体内的整理系统合理地摆放在车体内。 当收集箱集满或完成采摘任务时，可控制车体的后背盖全自动打开，此时后背盖变为架在车体与地面之间的斜坡，使得水果合理的卸出。

2.2 采摘收集系统

采摘收集部分装有两个刀片和一个环形漏斗，采摘时通过摄像头将影像传输回来，可以选择人工控制机械臂或者选择机械臂自动采摘。采摘时环形网袋会套住果实，将果实的枝干部分靠入爪机构中，爪子的合并使得刀片将枝干剪断，使果实通过与环形漏斗滑入车体。

2.3 整理系统

整理系统由一个小型舵机和三个步进舵机组成。用支架将三个步进舵机组成XY轴平面坐标系，运用丝杆结构将小舵机与一个运输小平台连接，使支架上的小舵机连接的小型运输平台可在XY坐标系平面内有序运行。小舵机控制平台开关，水果能够正确坠入系统指定位置。

2.4 工作部分

在工作部分中，机械臂的顶端的夹头上安装有一套剪枝刀片，用于适当的时候对枝条的裁剪。机械臂的本体拥有五个自由度即可有五个独立的关节运动，手机端使用蓝牙与51单片机端的串口蓝牙实现异步通信。机械臂的动作分别采用了无人工干预的全自动分配联动算法，使控制变得相当简单。采集回来的水果经过中间的减速缓冲带进入收集箱，为了确保水果的品质，在车体收集装置的入口处安装了一个运送平台，水果进入平台后停止运动。此时水果也遮拦住了入口处所放置的红外传感器，再经过误差排除即可完成一次有效计数。

车体内部的整理系统将水果按程序有序整齐地排列在收集箱中，卸水果时，收集箱的后盖自动打开，车体后盖形成一定角度的斜坡以便水果自动倾倒到地面。车体内配有LED灯管，在夜晚来临或者光线不足时可以开启灯光进行光线補偿。

2.5 显示记录部分

显示记录部分由红外传感器和显示屏组成，它可以实时测出进入箱体内的水果个数，并通过显示屏显示出来。

2.6 控制原理

该机器控制系统为：嵌入式Openwrt系统的ARM控制板，手机电脑等终端设备直接连入网即可与此控制板通信。同时夹头的上方也安放一颗720P的高清摄像头并且使用常见的USB线与ARM控制板连接，最高可以以30帧的流畅度将采集到的现场的图像信息通过Openwrt的ARM控制板回传到控制终端。机械臂的本体拥有五个自由多即可有五个独立的关节可运动。手机端使用蓝牙与51单片机端的串口蓝牙实现异步通信。

3 创新点及应用

3.1 创新点

（1）巧妙运用机械臂六自由度结构完成复杂情况的采摘功能，在控制算法上采用独创的联动算法，让操作者轻松上手。

（2）使用基于Linux内核的开源嵌入式Openwrt系统，将该系统与路由器整合并挂载摄像头完成远程图像回传，并结合手机App实施远程控制。

（3）利用舵机、电机以及设置运送平台，采摘回来的水果得以完好的进入收集装置中。

（4）在车体内装有整理装置，可以使采集好的水果在车体内有序地摆放，减少水果互相碰撞造成损伤。

（5）具有记录功能，能准确地反应出箱体内部水果的个数。

3.2 应用

相比现阶段我国国内采摘机器，该采摘机具有多功能化、操作简便、可靠性高、智能化等优点。对该采摘机的使用者文化程度要求不高，使用方法简单，维修维护方便，价格合理，便于果农使用，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]濮良贵，纪名刚.机械设计，高等教育出版社，2005，12，203212.

[2]江耕华，胡来容，陈启松.机械传动设计手册，煤炭工业出版社.

[3]胡小安，赵德安.果树采摘机器人关键技术研究最终报告，40000158X2006AA10Z254/01.中国科学技术信息研究所，2014.

[4]周学才，李卫平，李强.开放式机器人通用控制系统[J].机器人，1998（1）.

基金项目：由辽宁科技大学大学生创新创业训练计划专项经费资助（项目编号：201810146050）

作者简介：薛政坤（1997），本科，专业领域为机械电子工程；刘春丽（1972），讲师，专业领域机械设计。