智能采摘草莓机的设计

芮杰 高威 王正浩 岑理章

摘 要：本文针对高架草莓人工采摘困难等现象，介绍了智能草莓采摘机的结构设计，并说明了其工作原理及特点。

关键词：高架草莓；草莓采摘机；机械手

草莓成熟时，若不及时采摘，草莓的外观和营养价值会逐渐变差，因此必须在草莓成熟季节及时挑选和采摘。但采摘劳动强度大，雇佣成本高，是不小的支出。为了减轻农民劳动强度，降低生产成本，所以将自动化技术引入草莓采摘作业环节。有利于加快草莓的收获速度，增加草莓种植面积，实现乡村振兴战略。

1.草莓种植环境

本文设计的草莓采摘机器人主要针对高架草莓的采摘。草莓种植在高架栽培床上，生长环境多为大棚，栽培床有水培、基质培等种类。高架草莓相比地垄草莓产出投入比很高，而且草莓硕大，品相好，汁水多，食用口感好。同时高架草莓还适合发展观光农业。

我国草莓高架栽培模式多用于温室，高架高150cm，宽40cm，高架长度可根据日照空间布局，每个栽培架放置2～3行草莓，果实成熟后分别从栽培床两侧垂下。相邻2个高架栽培床的间距约为80cm，可作为采摘机器人的行走通道。根据草莓的生长特点和农艺管理特点，为保证绝大多数草莓生长良好，在成熟后方便摘取，果实应悬挂在距离栽培床上沿不超过20cm处。

2工作原理

草莓采摘机启动初始化，在相邻2个高架栽培床之间追踪已有路线行进，通过摄像头捕捉草莓区域，进行识别，然后驱动采摘机行进至合适采摘位置，利用CCD传感系统获取草莓彩色图像，判断草莓成熟程度，进而直角坐标机械手移至成熟草莓同一高度，通过机械爪前端传感器，机械爪到达所采草莓果梗处，由刀片切断草莓果梗，完成采摘。

3总体布局

如图1所示，草莓采摘机由运动定位机构、末端抓取机构、行走机构、框架、控制箱、草莓放置架构成。工作时，采摘机沿着预定路线行走，参考工业机床坐标系统选择方法，根据右手法则，并结合实际采摘动作，确定采摘机的坐标系统。运动定位装置的上下运动方向确定为Z轴方向，设向上运动方向为正方向；由右手法则将机械手通过草莓的直线运动方向作為Y轴方向，设靠近草莓移动的方向为正方向，反之则是负方向；以机械手在丝杠模组上的移动的方向为X轴方向，相对采摘方位，设面对模组向左移的方向为正方向，右移为负方向。 出于成本考虑，本文针对种植高度在100cm以下的草莓设计采摘机，由于相邻2个高架栽培床的间距约为80cm，采摘机采用双行道行走模式，每侧栽培架都设计一条行走路线。现确定采摘机外形尺寸50cm（长）×40cm（宽）×100cm（高）。

4.方案论证

4.1框架

考虑加工难易，组装可调性和机器重量，采摘机框架选用质地较轻的铝型材。采摘机设计外形为方形，铝型材框架组合形式多样，从减轻重量和外观简洁考虑选择如图1搭法，连接处用3030三通块连接。该搭法能最大化减轻框架重量，减少不必要耗材和角码。

4.2 运动定位机构

（1）定位机构类型选择

定位机构主要由手部（或称抓取机构）、传送机构（或称臂部）、驱动部分、控制部分、其它部分几部分组成。按运动坐标型式分为直角坐标式机械手、圆柱坐标式机械手、球坐标式机械手、多关节式机械手。

直角坐标式机械手适用于和作业位置成行列的环境。它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z，3个方向的直线进行运动。其具有运行速度快，定位准确，控制方便的优点，与多关节机器人相比，价格低廉、维修方便。但作业范围较小。

圆柱坐标式机械手的手臂有两个直线运动副和一个回转运动副，能实现前后移动、上下升降和水平面的摆动。其特点为结构紧凑，占地面积较小，工作范围较大，但垂直方向上受到限制。

球坐标型工业机械手手臂有一个直线运动副和两个转动副。机械手臂可沿X方向移动，绕Y轴和Z轴摆动和回转。该机械手结构紧凑，质量较轻，避障性能好，而且所占空间小。但定位精度一般。

关节坐标型机械手由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成，相比以上几种机械手，其结构最紧凑，运行灵活，占地面积最小，工作范围最广。但因为臂长存在运动平衡问题，导致精度较低，而且控制复杂，价格昂贵，维修不便。

由于采摘机设计框架为矩形框架，机器整体尺寸较小，采摘草莓相对框架成行排列，采摘作业范围不大，且草莓垂挂高度落差较大，并对运动定位机构精密度要求高，同时要求机器稳定，价格实惠，便于维修，所以选择直角坐标式机械手。

（2）动力源选择

运动定位机构的驱动方式主要有三类：液压驱动、气压驱动、电力驱动。液压传动的结构紧凑，重量轻。具有调速度性能好，运转稳定、可靠的优点，且自润性强，容易实现复杂得控制。但对封闭性装置要求高，不然油的泄露对机构性能影响大，并对草莓及其生长环境造成污染。气压传动的结构简单，工作介质（常为空气）的传输简单。具有成本较低，维护方便，工作寿命长的优点。但由于空气具有可压缩性，造成工作稳定性较差。电力机械的结构牢固，使用和控制方便。具有工作效率高，运行可靠，工作时无烟，无尘、无气味，噪声低，价格低廉的优点。

草莓质量只有几十克，体积小，质量轻，各轴负载质量不超过10kg，电机可提供足够的驱动力，运行稳定。相比液压和气动动力源，电机驱动更加简单方便、价格便宜。而且后期维护方便。综合考虑，选择电机作为运动定位机构的动力源。

（3）定位机构组合方式

直角坐标式机械手的组合方式可根据工作负载、行程等要求组合成龙门式、悬臂式、壁挂式等，一般为三轴和多轴，可构成多自由度。鉴于采摘机的安装空间小，要求整体质量轻，所以采用悬臂式结构。该机构包含3个平面自由度和1个旋转自由度。

4.3 末端抓取机构

本设计采用了凸轮机构带动直线机构实现夹紧的夹爪。如图2所示。该夹爪为平移型，夹爪两手指的张开闭合一直为平行移动，在夹持草莓果梗时，不会造成果梗中心位置得偏移。而且夹爪的结构紧凑、夹紧力足够，夹取速度快，工作效率高。

结论

该设备主要针对高架草莓，实现全自动采摘，具有结构简单、造价低、动作稳定可靠、效率高等特点。

参考文献：

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[2]张凯良，杨丽，王粮局，张丽霞，张铁中.高架草莓采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报，2012年9月（48卷，第09期）

[3]楼建忠，麻桂杨.大棚草莓无人化自动采摘装置的设计与研究[J].理论广角，2018，20

本项目为2018浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目（2018R427015）和2018年国家级大学生创新创业训练计划项目（20181300 1034S）