智能水果采摘机械手臂的研究＊

吴丽源 ， 潘文杰 ， 黄友霞 ， 周 菁

（安徽三联学院机械工程学院，安徽 合肥 230601）

1 研究背景

我国作为一个农业国家为了促进农业的发展，农业机械化、自动化与智能化是实现现代农业的发展趋势，并成为农业发展力量的必要条件。近年来，随着我国自动控制和机械臂技术的迅速发展，机械臂从工业领域逐渐渗透到农业领域。农业机械臂能够满足采摘的要求成为关键技术之一[1]。在收获的时候，采摘需要大量的人力物力资源，并且效率不高。水果富含营养，对人体有很多好处，人们对水果的需求与日俱增。因此，水果种植面积逐渐增加，而采摘是种植过程中最耗时的，所以水果采摘机械手臂的设计具有重要意义。

2 水果采摘机械手臂的设计方案

日常生活中水果的种类繁多，每种水果的生产环境有所不同，果树的高度也有所不同。本文主要研究关于苹果等水果类采摘智能机械手臂的研究。本机械手臂主要包括两部分，分别是两自由度的移动载体和四自由度的机械手臂。机械手臂的第一自由度控制机械手臂底座的转动，二三自由度控制机械手臂伸展，第四自由度控制机械爪的张开与闭合。机械手臂的结构简图及传动简图如图1、图2所示。

图 1 机械手臂的结构简图

图 2 机械手臂的传动简图[2]

2.1 采摘机械臂结构设计

根据机械手臂工作时动作形态中坐标形式的不同，农业机械手臂可分为以下四种：圆柱坐标型、直角坐标型、极坐标型和多关节型。

1）圆柱坐标型。该类机械手臂的工作范围是一圆柱体，它是由转动关节和移动关节组成的机械臂，结构比较简单。它主要是由垂直柱子、水平移动关节和底座构成[3]。这类机械手臂的水平移动关节装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下运动；垂直柱子安装在底座上，并与水平移动关节一起绕底座转动。圆柱坐标型机械手臂的特点有：占地面积比较小，活动范围比较大，结构比较紧凑，定位精度比较高等。但是，灵活度比较差是圆柱形机械手臂的主要缺陷。

2）直角坐标型。直角坐标系末端执行器的工作位置是由三个相互垂直的并且做直线运动的轴来确定的。这种机构比较简单，适合自由度要求不多的机械手臂，由于三轴互相垂直，可以当成空间直角坐标系来看，所以这一类的机械臂定位都是很精确的[4]。但是这类机械手占地空间比较大，灵活性不好，如果用在农业上会存在一定局限性。

3）极坐标型。极坐标型的机械手臂的工作行程和路径是半个球的形状。极坐标型的机械手臂的形成与旋转坐标型机械手臂比较相似，极坐标型手臂同样也可以非常灵活地抓取放在机械手臂旁边的各种东西，就像旋转坐标型手臂一样，转座带动着整个手臂进行旋转[5]。这个功能类似肩关节的转动。极坐标手臂存在一定弊端，就是肩关节是无法伸展和弯曲的。它的第二个自由度的肘关节可以控制前臂的上下运动。它的第三个自由度实现的是前臂的各种伸展运动。前臂“内部”关节的伸缩带动着末端的夹持器在机械手臂上收放。要是没有该关节，手臂只能抓取放在前面的一个有限的二维圆周里面的物体[6]。

4）多关节型。多关节机械手臂具有很高的灵活性，因为其具有很高的自由度，常见的有四轴、五轴和六轴，他们所对应的工作范围大，结构紧凑。工作过程中机械臂之间的干涉较小，能拟合空间任意曲线，自由编程，完成自动化的工作。关节型机械手臂也存在一定的缺点，那就是末端负载很有限，机械结构的刚度较小。

在选用机械手臂的类型时，要考虑：首先机械手臂要移动到苹果类水果的位置，其次要能选中所要采摘的水果，最后要能把它采摘下来。根据采摘苹果类水果需要的条件，本文采用多关节四轴机械手臂。本机械手臂采摘的时候主要是把苹果类水果的茎给剪断，所以末端所需要的负载很小，这一点正好弥补多关节机械手臂末端负载小的弊端[7]。机械手臂的实际尺寸是根据苹果类水果生长高度来确定的。

2.2 采摘机械臂的传动设计

本文设计的关节多为摘果辅助的四轴机械手臂，每轴配备TD8120MG的转向器，输出扭矩为10kg/cm。通过控制舵机的运动，依次控制机械手的运动，实现果实的采摘[8]。当舵机收到一个简单的控制命令时，可以根据命令自动转向一个相对准确的角度，所以舵机非常适合多关节机械手臂使用。舵机的结构简单，由直流电动机、电机控制器和减速机等组成，然后封装在一个外壳中，便于安装伺服单元[9]。这样，相对简单的输入信号便可以实现相对准确的旋转角度。舵机装有电位计或其他角度传感器，可以用于检测输出轴的旋转角度，而控制板主要用于根据电位计的信息准确控制和保持输出轴的旋转角度。

舵机工作时由控制电路接收信号源的控制信号，信号发给驱动器，再由驱动器驱动电机转动；齿轮组也就相当于减速机将电机的速度按照一定的减速比成大倍数缩小，通过P=FV可知当速度变慢，力就会增加，由此可以将电机的输出扭矩放大相应倍数，然后输出。电位器和齿轮组的末级是一起转动，从而可以测量舵机轴转动角度；电路板负责检测和判断电位器舵机转动角度，从而可以使舵机转动到指定的角度，也可以使舵机保持在指定角度[10]。

舵机的控制通常需要一个大约20ms的时间脉冲，这一时间脉冲的高电平一般是0.5ms～3.5ms范围内的角度控制脉冲部分。180°角度伺服马达所对应的控制关系如下：0.5ms-0；1.0ms-45°；1.5ms-90°；2.0ms-135°；2.5ms-180°，如图3所示。

图 3 舵机控制的角度时间图

2.3 采摘机械手臂底座设计

机械臂灵活的移动范围相对较小，这就导致了机械臂在果园中无法自由移动去采摘果实，为了解决这一问题，可以设计一个可移动的机械臂底座，以增加机械臂的灵活性，适用于果园摘果。苹果果实的生长地面一般不平坦。因此，所选的机械臂应该能够在各种路面上前进，以方便后续采摘移动。因此，可以选用履带式车轮、平板式车架，这使得机械臂的运动平稳，容易固定。

2.4 采摘机械手臂底座控制传动设计

底座的传动方式选取普通的360马达，该马达轴长12mm，轴径2.4mm，底座的控制采用遥控控制。机械手臂底座的控制板接线要注意细节，发射板按下，打开底座上开关，底座就会行走。

3 机械手臂的控制流程

该装置增加了电控集装箱、电机槽、轴承套、原理箱，此外灵活使用轴承达到高空润滑和连接紧固装置的作用。本装置还利用人的手和手臂的动作，实现对轮式机械手动作的操控，使操作更为形象和准确；作品还装配了目标定位监控的无线摄像头，扩大了使用范围；同时，还实现了目标自动定位功能，体现了作品的智能化，进一步提高了工作效率。具体控制流程如图4所示。

图 4 机械手臂控制流程图

4 结束语

我国是水果生产及消费大国，每当面临水果收获季节时，劳动力短缺，水果的采摘成为大问题。因此，对智能水果采摘装置进行研究有极大的应用价值。农业对机械化的需求在不断攀升，机械手作为一种较为先进的农业采摘工具，在水果采摘中起着至关重要的作用。它从模仿人手臂动作的角度出发对智能水果采摘装置进行研究，从而解决采摘季节劳动力短缺等问题，实现了农机结合，缓解了农民生产与经济压力，进而促进国家经济的发展。