自动分拣系统中机械手执行部的设计

刘江彩 崔彪

摘要：本文设计的自动分拣系统中机械手执行部，应用在基于视频智能识别的分拣系统中，可以大大降低工人的劳动强度，提高作业效率。以河北省种植面积最大的梨树为例，通过在梨树果实的各个生长周期中果树从开花、授粉、疏花、蔬果、套袋、去袋、采摘操作等需求设计不同机械手执行部，从而满足一台带分拣执行部的机械手，可以替代8-15人的人工分拣。

关键词：机械手;执行部;自动分拣

一、设计题目的提出及主要任务

目前，我国是世界上果树种植最广泛的国家，种植面积和产量均居世界第一。国家统计局发布的《2018年中国统计年鉴》显示，我国果树面积为11136千公顷，即1.67亿亩。尽管有如此大的种植规模，果树从开花、疏花、蔬果、套袋、去袋、采摘一直都是人工操作。由于作业场景复杂、果树种类多样性等原因，果树机械管理智能化一直处于起步阶段，百亿级果树智能化系统市场的大门迟迟没有被打开。由于我国正处于农村劳动力人口减少、人口老龄化的阶段，农村剩余劳动力越来越少，这也意味着，雇佣劳动力完成果树管理、劳作人员的费用会不断增加。即便如此，也面临着无人可雇佣的尴尬局面。当今在机器人与智能化日益普及的现状下，谁先拿下“果树智能化全生命周期管理控制系统”，谁就能拿下这块空白市场的第一桶金。

由于各种果品形状、大小、性质不同，工作环境不同，需要有不同功能的末端执行部。履带车、机械臂、视频智能识别软件也日益广泛应用，唯有不同功能的末端执行部未见上市。末端执行部是集机械制作、机电传感、控制于一体的综合部件，末端执行部是实现智能化果树农业管理系统的关键，也是各国在智能机械化农业领域急需解决的问题。

二、机械手的概述

机械手是最早出现的工业机器人，同时也是最早出现的现代机器人，它能够模仿人手和臂的某些动作，从而通过这种功能进行设置程序，进行固定抓取、搬运、或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机器人末端执行器装在操作机手腕的前端（称机械接口），用以直接执行工作任务。根据作业任务的不同，它可以是夹持器或专用工具等。夹持器是具有夹持功能的装置，如吸盘、机械手爪、托持器等;专用工具是用以完成某项作业所需要的装置，如用于完成焊接作业的气焊枪、点焊钳等。并由此，将焊接机器人又可细分为：C02焊机器人、TIG焊机器人、MAG/MIG焊机器人、气焊机器人、钎焊机器人、点焊机器人、激光焊机器人等。而目前机械手在农业上应用的较少，本次设计的自动分拣系统中机械手执行部的设计就是为解决目前农业生产中的一系列问题，从而通过自动化设备打造智慧农业产业，提高产业效率。

三、技术路线

果树智能化全生命周期管理控制系统由履带车+机械臂+人工视频智能控制系统+（自制）末端执行部构成。可以针对不同的果实的软硬度、形状等特征，开发新的人工智能软件及配套的传感器和末端执行部，实现一机多用。

（一）控制方式

采用STM32单片机控制：单片机的存储器用作工作区及存放用户数据。单片机的I/O引脚通常是多功能的且外部扩展能力强，体积小，成本低，运用灵活，易于产品化。面向控制，能有针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。具有抗干扰能力强，适用温度范围宽。可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。

通过压力传感器感知物体抓紧力的大小，去控制螺杆电机的转角，进而控制气缸的压力;重力传感器感知物体重量的大小，重力信号反馈给单片机做计重存储，待计重确认后，单片机执行后续相关动作。采用柔触分拣装置，借助压力传感器、荷重传感器采集信息输入到控制器中，及时检测装置外部变量，调整电气控制装置完成机械部分动作。执行部的控制器采用高速的微控制器，与图像识别装置建立通信连接，完成物品抓取动作。

（二）驱动机构

本项目设计的自动分拣系统机械手驱动机构采用电动驱动方式，为了机械手能在农业中穿梭方便内置电池，对驱动机构进行电动驱动。

四、对梨树生长周期各种形态进行分析并设计相应的机械手

（一）疏花

在梨树开花初期，为了确保梨树产果质量，一般会进行人工疏花。关于控制梨树的合理负载有句话是“疏果不如疏花，疏花如疏蕾，迟疏不如早疏”。所以，如果现在梨树正处于花蕾期，那就要开始疏蕾了，疏蕾讲究越早越好，一般在花序分离初期进行，疏去弱蕾。如果没来得及疏蕾，那就要疏花了，因为梨树1个花序中边花先开，所以疏花时应留边花，疏去晚花、中心花，初花期的花一般都是好花，应全部保留，一个花序应保留3-5朵边花。

我们设计的机械手疏花蔬果末端执行工具主要是以传统的气缸为基础，利用气缸的伸缩来控制剪刀紧和松的动作;通过摇杆来控制手臂到达相应的位置再来控制气缸从而使得能够去掉多余的弱花和畸形果。

（二）授粉

人工梨树人工授粉可使用点授、掸授法以及液体喷雾授粉这三种方法，在点授方法中，授粉时间最好是在开花当日或是次日，选择毛笔、软鸡毛或是橡皮擦作为沾花粉的器材，间隔20厘米点授1个花序，每个花序中可点授1～2朵花。

我们设计的授粉执行器主要以旋转气缸为基础，在旋转气缸旁增加两个限位气缸。启动旋转气缸旋转工作碰到两个限位气缸可实现反转功能;在旋转气缸上固定一把毛刷（毛刷规格可自行规定）。毛刷通过旋转气缸的动作可实现人工授粉的要求。

（三）蔬果

1.按距离留果：一般梨樹每15-20cm留一个果，强树壮枝留果距离稍近，10-15cm留一个果，弱树、弱枝留果稍远，20-25cm留一个果。

2.看果苔副梢留果：果苔副梢强壮，2个副梢留双果，一个副梢、中弱副梢留单果，无副梢的花序不留果。

3.以花序位置留果：在一个花序中，选留下部的1-2个果，其果柄长粗，能长成大果，果形标准。疏去花序上部的花果。

4.整棵协调布局：树冠内膛和下层适当多留，外围和上层少留;辅养枝多留，骨干枝少留;骨干枝中部多留，下部少留;盛果期树背上枝多留，背后枝少留;花多树弱时少留。

我们设计的机械手疏花蔬果末端执行主要是以传统的气缸为基础，利用气缸的伸缩来控制剪刀紧和松的动作;通过摇杆来控制手臂到达相应的位置再来控制气缸从而使得能够去掉多余的弱花和畸形果。视觉系统中设置了标准花果形态规格，机械手执行器会根据视觉系统镜头对不合格的花果进行处理。疏花疏果的总体原则是：保证产量，提高品质，选优去劣，调节分布。

（四）套保护纸袋

1.纸袋的选择

目前市场上梨纸袋种类繁多，应合理选择纸袋。不同的梨品种，在纸质、纸层和颜色上均有不同要求。对纸袋的基本要求是：遮光度良好，经风吹雨淋后不易变形、不破损、不脱蜡，雨后易干燥，对梨果的不良影响小。袋的规格通常为宽14-16厘米，长18-19厘米，袋口中间有一半圆缺口，便于张开纸袋，袋口底部两侧有出气孔，便于雨水流出，以免袋中积水。

2.套袋注意事项

（1）套袋顺序：先套上部果，再套下部果，先套内膛果，再套外围果。

（2）绑扎松劲要适当，不要用力过大，防止折伤果柄，拉伤果柄基部或捆扎丝扎得过紧影响果实生长或过松导致刮风时果实脱落。

（3）袋口不能扎成喇叭口状，以防积存雨水、药物流入袋内或病虫进入袋内，也不要把叶片套入袋内。

（4）套袋时，通气放水口一定要张开，果实一定要处于袋子中部。

（5）套袋期遇雨或药后6天未套完者，应重新细致喷药。

（6）露水未干或药液未干时不能套袋。

（7）梨果套袋最好全园、全树套袋，便于套袋后的集中统一管理。若要部分套袋则要选择初盛果期的中庸或中庸偏强树，不要选择老弱树、虚旺树、病树、孤树、风口树、小老树。

我们设计的套袋执行器为圆形手爪，在圆形手爪下面安装一个底座用来装纸袋;我们利用气缸的伸缩来控制机械环形伸缩装置。并且在执行上安装充气装置，避免袋口变形套袋失败。在套袋前提前将袋充气，使全袋膨胶起来，两底角的出水气孔张开。在袋口下2-3厘米处，套上果实，从中间向两侧依次折叠袋口，幼果悬空在袋中，不与袋壁贴附果实袋，应捆绑在近果台的果柄上部，注意应将梨果置于袋中央部位，使之悬空，以防止纸袋摩擦果面而形成锈斑。绑口时不能把袋口绑成喇叭状，以免积存药液流入袋内，引起药害。每花序套1个果，1果1袋。我们在套袋执行器的上方安装扎口执行器，当套袋完成后对其封口进行扎口，扎口由铁丝扎口钉通过对封口进行夹紧，铁丝钉对其封口夹紧后完成自动套袋操作。

（五）在果树成熟后去掉保护纸袋

梨果套袋后比不套袋梨果含糖量有所下降，采前除袋在一定程度上增加果实的含糖量，反而对果点和果皮颜色有较大影响，所以采前除袋降低了套袋改善果实外观品质的效果。因此，对于不需要着色的品种应带袋采收，等到分级时除袋，这样可以防止果实失水、碰伤和果面的污染。

我们设计的机械手去保护袋末端执行工具与疏花疏果执行器为同一个，利用气缸的伸缩来控制剪刀紧和松的动作;通过摇杆来控制手臂到达相应的位置再来控制气缸从而使得能够去掉保护袋。

在果实成熟后有选择性地采摘：

实商品化处理主要包括选果、分级、单包装、装箱等环节。

（1）选果时首先剔除病虫果、畸形果、机械损伤果、小果、不符合卫生指标果。分级按果实大小、形状进行分级。

（2）单果包装用于远销、冷藏的应进行单果包装，包装材料选用网套、包装纸等，袋梨果可不摘袋即作单果包装。

（3）装箱同一箱同一批采用同一等级果，同-箱中要求果实大小基本一致，放置时要求果实排列整齐、果梗侧斜朝、层间用纸板隔开。

我们设计的采摘执行器主要是以传统的气缸为基础，利用气缸的伸缩来控制剪刀紧和松的动作;通过摇杆来控制手臂到达相应的位置再来控制气缸从而使得能够剪下梨果的枝藤。在剪刀执行器下方安装柔性6爪执行器，收集摘取的梨果后装入收集箱。

（六）采摘后根据大小品质自动分拣

梨外观等级规格指标分为特等、一等、二等，要求充分发育，成熟，果实完整良好，新鲜洁净，无异味、不正常外来水分、刺伤、虫果及病害。色泽具有本品种成熟时应有的色泽，果形端正比较端正可有缺陷，但不得有畸形果果面缺陷。

我们设计的自动分拣机械手执行部，机械手设有6根柔性软爪，主要是以传统的气缸为基础，利用气缸的伸缩来控制软爪紧和松的动作;通过视觉相机对梨进行图像采集，根据梨的大小通过视觉检测系统对其进行分类，再通过自动分拣机械手执行部将梨按照分类装入到相应规格收集箱中。

（七）分拣后自动套保护网

在梨采摘分拣后需要将梨套一层保护网，防止在运输过程中磕碰对梨造成损坏。我们选择的保护网为珍珠棉泡沫网材质。保护网尺寸按照梨的规格选择3款规格保护网，分别为：6x10cm、7x12cm、7x14cm。

我们设计的自动套保护网机械手执行机构，机械手设有4根弧形柔性软爪，执行部装有翻转机构。机械手根据机器视觉系统对梨的规格确定后，机械手选择相应尺寸的保护网后，执行机构移动到梨的上方，机械手4爪进行翻转操作，将保护网套中梨后4爪再翻回完成套保护网操作。

（八）套网后自动计重装箱：

自动计重装箱操作主要是通过码垛机械手将不同外形尺寸的包装货物，整齐、自动地码（或拆）在托盘上（或生产线上等）。为充分利用托盘的面积和码堆物料的稳定性，机械手具有物料码垛顺序、排列设定器。可满足从低速到高速，从包装袋到纸箱，从码垛一种产品到码垛多种不同产品。应用于搬运、码垛等。

自动计重装箱执行器机械手采用6爪执行器，为减少抓取起来的梨掉落，在机械执行器手抓上面设有橡胶涂层，增大机械执行器手爪与瓜类的摩擦力。并且我们在6爪执行器上安装了拉力传感器，拉力传感器会产生细微拉伸，通过拉力传感器的细微拉伸距离从而判定梨的重量。

五、结语

在国内，果树种植在农业经济中占了很高的比例，而果品分拣仅仅局限于采用人工分拣，或将果品逐个放置到载有托盘的传动带的分拣机上分拣，效率很低，且经过多次转运容易损伤果品。设计自动分拣系统中机械手执行部，应用在基于视频智能识别的分拣系统中，可以大大降低工人的勞动强度，提高作业效率，为智慧农业发展创新

参考文献：

[1]冯保.梨树的花果管理技术[J].现代园艺，2019，No.391（19）：77-78.

[2]孙书品，孙义平.梨树花果管理技术[J].四川农业科技，2004，（05）：21.