关于花椒采摘机器人的机械系统方案设计及其关键技术的分析

段锦晶

（天津航天中为数据系统科技有限公司，天津 300301）

在农业生产工作中，机器人发挥着越来越突出的作用。尽管我国距离实现农业现代化还存在一定的差距，但是，农业机械化基本得以实现。在计算机信息技术背景下，农业机器人正在逐渐向智能化迈进。因为农业机器人的不断进步，使农业作业效率得到极大提升，同时降低了农民的作业强度。花椒是一种生长在树上的作物，具有一定的采摘难度，花椒树的植株高度在3～5m，并且花椒树的茎秆分布有皮刺，所以往往在人工采摘的过程中经常会被皮刺刮伤，除了皮外伤口外，花椒树分泌的木脂素类化合物刺花椒毒素会给采摘人员带来二次伤害。

为了降低人工采摘花椒的劳动强度以及避免采摘人员受伤的情况，本次研究中提出，一种花椒采摘机器人，有效解决了人工采摘花椒产生的一系列问题。

1 花椒采摘环境

本次研究选择甘肃省秦安县千户乡作为调查地点进行花椒采摘环境调研。经调查发现，花椒的种植地段多为山地，其中有80%为梯田，斜坡山地占20%。受到地理环境影响，种植花椒的地段大多相连，种植面积最大达到500亩，每株花椒树的种植间距约为5m，采摘的高度范围在0.5～3m，没株花椒树的产值在60～75kg，人工采摘速率在20kg/d，成本3元，可采摘1.5kg。

2 花椒采摘机器人机械系统

2.1 底座

花椒采摘机器人的底座机构包括机身与行走装置。

（1）在安装花椒采摘机器人的各系统支柱以及一系列基础件时，需要满足一系列条件：具有足够的强度与稳定性；机械系统的结构布置需要合理，目的是为了防止机器人在作业过程中各机构之间相互干涉产生的一系列影响。

（2）对于采摘机器人而言，行走机构是十分重要的，花椒采摘机器人的行走机构由驱动装置、传动装置、路线导航装置等结构组成，可以同时兼顾对机器人自身结构的支持以及适应不同的工作环境。为了适应花椒采摘的作业环境，花椒采摘机器人的行走装置采用履带式行走装置，同时，兼顾花椒机器人采摘过程中足够的牵引力与稳定性。

2.2 收集装置

花椒机器人完成对花椒的采集后，需要快速将采集的花椒收集起来，以此保证花椒采集工作的连贯性以及后续的包装工作。花椒采集机器人的收集装置是直径在3～7cm的一种球形容器，鉴于花椒采集的特殊性，使用管道式作为主要的收集方式，这样做可以有效避免花椒收集过程中在管道中形成的堵塞，为了进一步保证管道的流畅性，外加抽气泵强化管道内气流，带动管道内花椒粒快速移动，进一步完成收集。

2.3 末端执行器

结合采摘花椒的特点对末端执行器的力学特征进行设计。花椒采摘机器人的末端执行器需要具备识别检测功能，在此基础上，采摘机器人可以结合采摘对象的生物特征进行收集。 （1）夹持装置。夹持装置几乎是所有机器人都需要具备的关键部分，现阶段，机器人的夹持装置大致可分为三种类型：以支点为中心的手指开闭型：手指在开闭过程中形成的运动轨迹为弧形；手指平行开闭型：手指在平行状态下进行开闭，对于这种夹持机构的传动装置为平行连杆或齿条齿轮装置；多指机械手：多指机械手是在原有机械手的基础上增加三个以上的手指，使夹持工作更灵便。（2）切断装置。切断装置主要作业于果实采集阶段，用于分离果实与茎。设计切断装置需要对切断力进行科学合计，因为切断力无论过大或过小，都会造成采摘效率大大下降。因此，在设计切断机构时，要结合采摘对象的实际情况进行科学设计。（3）吸引装置。本次设计的花椒采集机器人结合花椒采摘的实际情况以及花椒树生长的环境因素设计末端执行器。花椒果实一般3～5粒生长在一起，花椒簇的直径一般在3～7cm，并且花椒果实从诞生到成熟颜色变化分辨率较低，因此通过视觉系统分辨花椒进行采集具有一定的难度，改用红外装置对成熟花椒进行采集，夹持装置夹住花椒果实后，由切断装置负责分离果实。

2.4 机械臂

花椒采集机器人的机械臂由连杆、关节共同组成，关节主要包括回转关节、直动关节，可以实现多个自由度活动。机械臂的设计需要结合花椒采摘的实际情况，在遵循机械臂设计原则的同时，兼顾花椒的实际特征，因此，花椒采集机器人的机械臂具有如下特征：（1）充足的作业空间：充足的作业空间可以为花椒采摘过程中的可行性奠定基础条件，同时为确保采摘效率创造前提；（2）障碍规避：机械臂在进行采摘时，难免会遇到一些障碍，因此，机械臂需要具备规避障碍的功能以确保采摘工作的顺利开展；（3）合理设计结构：对机械臂的结构进行合理设计可以保证机械臂在作业过程中机构之间出现相互干涉或造成传动系统失效等现象； （4）机械臂的设计过程中不仅要考虑实际应用情况，还要考虑成本问题，争取用最低的成本设计出最杰出的机械臂。

现阶段常见的采摘机器人机械臂有以下类型：（1）直角坐标机械臂：直角坐标机械臂采用直动关节不仅结构相对简单，而且定位精度高。手臂在运动过程中具有较大空间，不过占地较大并且空间相对有限。现阶段，直角坐标机械臂主要被用于室内果实装箱、收获等作业中；（2）圆柱坐标机械臂：与直角坐标机械臂截然不同，圆柱坐标机械臂由围绕中心轴的回转关节与直动关节共同组成；（3）极坐标机械臂：极坐标机械臂在垂直方向上使用回转关节取代直动关节，拥有更大的操作空间，不过精度、刚度不能被保证；（4）多关节机械臂：前三关节由回转关节组成，不仅占地面积小，还拥有更大的活动空间，但是同样刚度和精度不能被保证。结合机械臂不同类型特点不同以及花椒采摘需求不同，需要尽可能选取占地空间小、活动空间大、灵活性出众、结构简单的机械臂。相比之下，关节坐标机械臂基本满足花椒采摘工作的需求，可以通过移动、调整机器人的位置实现更高的操作性。

3 行走装置

花椒采摘机器人采用履带行走装置。履带行走机构的结构如图所示。这种履带行走装置具有如下优点：承载整机重量较大，对地比压较小；牵引力足够大，在复杂路面的通过性能较好；对急转弯和陡坡行驶有很强的适应能力，机动性能很好。在履带驱动时，车辆的马达会带动驱动轮转动，链轨与驱动链轮相啮合，此时，链轨会出现相对移动的趋势。通常在履带行走的过程中履带板与路面之间会出现较大的附着力，并且附着力大于驱动链轮、支重轮和导向轮之间的滚动阻力，正因为如此，履带板才不会出现滑动，但是，驱动链轮、支重轮和导向轮会按照其所在的链轨进行滚动，带动车辆整体行走。履带的行走机构分为前履带和后履带，前后履带均可以独立进行转向，所以车辆整体的转弯半径会更小，实现斜行。

4 结语

本次研究中对花椒采摘机器人的机械系统方案设计及其关键技术进行分析，首先，对花椒采摘环境进行介绍；对花椒采摘机器人机械系统进行分析，包括底座：足够的强度与稳定性、结构的支持以及适应不同的工作环境。收集装置、末端执行器：夹持装置、切断装置、吸引装置。机械臂：充足的作业空间、障碍规避、合理设计结构。机械臂类型：直角坐标机械臂、圆柱坐标机械臂、极坐标机械臂、多关节机械臂。花椒是一种重要的调味剂，具有广阔的种植市场，但是，人工花椒采摘工作不仅效率低下，还会造成伤害。本次研究中在结合花椒生长环境的基础上，分析机器人技术，设计花椒采摘机器人，目的是提升花椒的采摘效率，解放劳动力。