果实采摘机器人柔性机械手的设计

田宝连

（江西工业职业技术学院，江西 南昌 330000）

1 柔性机械手整体设计

果实采摘机器人柔性机械手主要包含PLC 自动控制模块、机械手爪构件、机械手连接件、气动控制部件、主体机械承载机构、报警模块等6个部分。其中，PLC 自动控制模块用于组建整个系统的硬件回路，实现对柔性机械手采摘的循环自动控制；机械手爪是完成果实采摘的主要机构；连接件是手爪与气动控制部件的连接模块；主体机械承载机构用于装载整个机械手、PLC 模块、电源模块、报警模块等部件；报警模块用于对机械手运行中可能出现的过压、过载、过流等故障进行报警，且出现报警故障，系统会自动断电。柔性机械手整体设计框图，见图1。

图1 柔性机械手整体设计框图Fig.1 The overall design block diagram of flexible manipulator

2 柔性机械手机构设计

2.1 手爪设计

手爪是采摘果实的主要机构，由气缸组件和手爪组件2个部分构成。其中，气缸组件是气路连通和能量传输的载体，由于在采摘果实的过程中，机械手需要执行“上升-旋转定位-抓取果实-下降-旋转复位-松开果实”系列动作，因此，在气缸的配置上，包括给手爪“抓取松开”动作提供能量的手指气缸、给手爪“旋转定位复位”动作提供气能的旋转气缸、给手爪“上升下降”动作提供能量的旋方型气缸。手爪组件采用硅胶制作，制作的流程为：采用autoCAD 软件制作手爪三维模型，应用3D 打印技术制作手爪模具；制作手爪内胆；将内胆放入手爪模具，浇注硅胶，等待手爪固定成型。

2.2 连接件设计

连接件是手爪机构与气路气管连接的部件，起固定柔性手爪和保证气路气密性的作用。首先，在保证气路气密性设计上，通过应用生胶带固定连接螺栓，在生胶带的缠绕上务必做到仔细，尽可能多绕几圈；其次，在柔性手爪固定设计上，在连接件内部顶端设计了3 个气管气路与三指手爪连接的通道，并通过螺栓加固连接气路通道。完成连接件设计后，需要通过反复的采摘试验测试气密性和手爪牢固程度，确保手爪在完成果实采摘循环动作中不会出现漏气、掉落等故障。

2.3 气动控制设计

气动控制部分为手爪采摘果实动作提供能量，包含电磁阀、气动管、磁性开关、缓冲阀、节流阀、消声器等部件。在结构设计上按照“柔性手爪通过气管连接气动电磁阀”“气动电磁阀连接气源”的方式构成。此外，在柔性手爪上安装数个磁性开关传感器，用来精确检测手爪采摘果实的状态。缓冲阀、节流阀可调整气压，以确保手爪采摘果实动作的稳定性，消声器用于降低手爪循环动作时产生的噪音。

图2 手爪设计图Fig.2 The design drawing of gripper

图3 连接件设计图Fig.3 The design drawing of connector

图4 气动控制连接图Fig.4 The pneumatic control connection diagram

3 机械手采摘自动控制设计

3.1 PLC电气控制回路

系统以西门子S7-200型PLC为硬件核心设计，还包括外接继电器、接触器、开关、报警指示灯、电气适配件等。此外，为柔性机械手采摘动作控制分配合适的I/O 地址也是设计的核心项目，具体来说，本系统的输入电气地址包括：I0.0（系统启动开关）、I0.1（系统停止开关）、I0.2（手爪上升限位磁性开关传感器）、I0.3（手爪下降限位磁性开关传感器）、I0.3（手爪旋转限位磁性开关传感器）、I0.4（手爪抓紧限位磁性开关传感器）、I0.5（连接件传感器）；本系统的输出电气地址包括：Q0.0（手爪上升驱动电磁阀线圈）、Q0.1（手爪下降驱动电磁阀线圈）、Q0.2（手爪旋转驱动电磁阀线圈）、Q0.6（手爪驱动电磁阀线圈）、Q0.4（报警指示灯驱动线圈）。此外，在具体的PLC电气控制回路配置上，应在接线中严格检查各传感器、电磁阀、气路气管、输入输出控制端子的连接密封情况，确保柔性手爪的循环采摘作业质量。

3.2 循环采摘程序

基于PLC 编译的果实循环采摘梯形图程序流程图，见图5。整个程序的编译执行思路为：启动设备，系统完成复位和自检，机械手初始位为“下降限位+松开限位+旋转复位”状态；机器人柔性机械手运行至果园对应的采摘区域；柔性机械手按照“上升-旋转到位-采摘抓紧-旋转复位-下降-松开放果”的循环流程执行采摘作业；采摘过程中若PLC 连接的传感器检测到掉果、漏摘、过压、过载、过流等故障问题，系统指示灯会闪烁，并自动停止采摘作业；若采摘过程中没有发生故障，柔性机械手会自动循环执行采摘作业，直至技术人员按下停止按钮，系统才会停止采摘。此外，系统运行过程中若出现停电、故障急停，会导致的机械手未能停在初始位，特编译了机械手再次通电后的自动和手动复位程序，即：重启系统后，倘若发现机械手未能停在初始位，技术人员可按下手动复位开关（I0.6）或自动执行SM0.1 初始化程序，使机械手回到初始位置，具体的梯形图程序见图6。

图5 循环采摘程序流程图Fig.5 The flow chart of circular picking procedure

图6 机械手复位程序Fig.6 The manipulator reset procedure

4 结语

系统完成设计后，在果园中进行了运行试验，结果显示：该款机械手针对农作物果实的采摘成功率为100%，没有出现掉果、漏摘等问题，稳定性、可靠性和应用性良好，在农作物果实自动采摘生产领域具有一定的推广价值。