基于机械手臂的叶菜有序收获机械设计与实现

吴玉娟+++刘永华

摘要：为了实现对叶菜快速自动收获，综合运用嵌入式软硬件开发技术，选用Arduino IDE作为软件设计开发平台，研制开发了一种集采摘、自动收集等多种功能于一体的叶菜有序收获装置，它由控制模块、采摘模块、收集模块等组成，能够实现对整棵叶菜的收割与采集，并且摆放有序，便于挑选整理，对于提高叶菜收获生产效率具有重要意义。

关键词：叶菜；有序收获；收获机械

中图分类号： S225.92文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）12-0353-03

[HJ1.3mm]

收稿日期：2016-10-14

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（14）2110]；江苏省农业三新工程（编号：SXGC[2016]305）；江苏农林职业技术学院项目（编号：2013td06）。

作者简介：吴玉娟（1981—），女，江苏南京人，硕士，讲师，主要从事机电综合研究与开发。E-mail：623255445@qq.com。

中国是蔬菜生产大国，但蔬菜生产机械化水平却相对落后，其中叶菜类蔬菜收获机械装备在我国几乎还是空白，随着现代农业技术的发展，蔬菜机械化收获技术在我国越来越受到重视。欧美等西方发达国家蔬菜种植以大面积农田种植为主，开发应用的蔬菜收获机械主要是大中型机械设备，发达国家收获机械的割台较为单一，不适合我国多品种的叶菜形态，且单台收获机械重量重、面积大，容易造成对作物的压踏，影响蔬菜作物的后续生长和收获效率，直接引进应用价值不大。通过资料查询，国内尚无对整棵叶菜的收割与采集、摆放有序整理以及后期销售成型的叶菜收获机械；因此，研制开发一种基于机械手臂的叶菜有序收获装置，对于提高叶菜收采效率和降低蔬菜生产成本具有重要意义[1]。

1整机结构及工作原理

1.1整机结构

基于机械手臂的叶菜有序收获装置整机结构主要包括收获机械本体、抓取装置、控制系统等3大部分组成。其中机械本体通过专用控制器与抓取装置、切割装置、传送装置、装箱装置以及显示装置相连接。机械本体的前端上方安装有抓取装置，前端下方安装有切割装置，中部上方安装有传送装置，传输装置末端下方设有装箱装置，装箱装置安装在收获机械本体上，收获机械本体结构见图1[2-3]。

1.2工作原理

通过收获机械本体前端的传感器检测前方是否有叶菜，并将检测信号传至控制器，如果无叶菜，控制器将停止机械手抓取和切割装置切割等动作，并将此信号反馈给显示装置显示；如果前方有叶菜，控制器驱动机械手臂到设置的位置，控制机械手抓取叶菜，控制器控制机械手臂向后翻转至传送带上方，并使叶菜茎秆与传送带运动方向垂直，同时松开机械

手[CM（25]，叶菜水平落在传送装置上，然后控制器控制机械手臂复[CM）]

[FK（W14][TPWYJ1.tif]

位。当传送带翻转至背面时，传送带上的叶菜掉入下方菜篮里。菜篮通过下方齿轮齿条传动，进行前后移动（移动方向与传送带移动方向同轴），可实现叶菜的有序装载。

1.3性能特点

（1）机械手夹持叶菜位置可进行调整，可达到机械手最佳夹持叶菜位置。（2）切割装置位置可上下调整，根据触摸屏所输入数据，实现切割装置自动调整上下位置，实现最佳切割位置。（3）当切割完成，机械手夹持叶菜翻转至传送带上，使茎秆与传送带运动方向垂直，实现蔬菜采摘有序传送摆放。（4）当传送带翻转至背面时，传送带上的叶菜掉入下方菜篮里。（5）菜篮通过下方齿轮齿条传动，进行前后移动（移动方向与传送带移动方向同轴），可实现叶菜的有序装载。（6）用户还可通过触摸屏的用户界面，输入机械手抓取叶菜初始位置数据，实现抓取叶菜最佳位置。（7）触摸屏设计界面友好，收获机械全程状态及相关数据实时显示，并自动控制，能够实现不同品种、不同长势叶菜类蔬菜有序收获。

基于机械手臂的叶菜有序收获机械装置，将满足广大蔬菜种植户提高收获劳动效率的迫切需要，对于解决蔬菜收获难题具有重要意义。

[BT1#]2叶菜有序收获装置工作流程设计

根据叶菜通过显示装置调整机械手臂抓取位置、切割装置的切割位置、平板速度、传送带速度、菜篮重量等参数，也可选择控制器保存的历史参数。

通过收获机械本体前端的光电传感器检测前方是否有叶菜，并将检测信号传至控制器，如果无叶菜，控制器将停止机械手抓取和切割装置切割等动作，并将此信号反馈给显示装置显示；如果前方有叶菜，控制器驱动机械手臂到设置的位置，控制机械手抓取叶菜；当未检测到叶菜持续时间超过 10 min 后，控制器自动停机断电。

控制器控制机械手臂向后翻轉至传送带上方，并使叶菜茎秆与传送带运动方向垂直，同时松开机械手，叶菜水平落在传送装置上，然后控制器控制机械手臂复位。

通过传送带将叶菜传送到菜篮中，菜篮反复由前向后和由后向前移动，即菜篮由前向后移动，当移动到达后限位时，再由后向前移动，当移动受到达到前限位时，再由前向后移动，如此反复，直到菜篮质量达到预设质量，从而实现叶菜的有序摆放；在菜篮移动过程中，平板下方的质量传感器不断将检查到的质量信号传输给控制器，控制器使显示装置显示质量信息，并判断菜篮的质量是否达到预设质量值，如果达到发出信号通知用户[4]。收获机械工作流程见图2。

3有序收获机械控制模块设计与实现

为了使有序收获机械装置能够自动收获不同尺寸的蔬菜类型，设计开发有序收获机构控制装置传感器控制模块软件，完成了控制模块研发。

3.1控制模块硬件设计

本装置采用Arduino作为控制模块的开发平台，并对其进行相应的改造。PDA作为装置的控制器及无线网络的协调器，需要内嵌1个无线通信模块，以实现与传感器节点的无线组网（图3）。我们对PDA硬件结构进行改造，以便能够使用RS232串口与无线通信模块进行互联互通。无线通信模块接收传感器节点集数据，然后自动传输至PDA处理，从而在PDA上显示和存储[5-6]。控制模块硬件设计见图4。

3.2控制模块件设计

为了设计开发实用的有序收获机械控制程序，选用了便捷[CM（25]灵活、方便上手的开源电子原型平台Arduino作为软件设[CM）]

[FK（W8][TPWYJ3.tif]

计的开发平台，它能够支持在Windows、Macintosh OSX、Linux等3大主流操作系统上运行。在控制模块软件系统的设计过程中，按照软件工程化的设计理念，严格遵循需求分析、概要设计、详细设计、系统测试的工程化设计理念，研制开发了控制模块软件系统。其中收获叶菜传感器模块数据采集工作流程为传感器上电之后初始化，然后打开定时器定时，時钟溢出产生中断，可以通过模拟开关ADG704依次选通相应的通道进[CM（25]行叶菜尺寸数据采集；AD采集包括初始化AD转换器、启[CM）]

[TPWYJ4.tif]

动AD转换、判断AD转换状态，最后读取AD转换后数值。为了减小误差，每个通道重复采集后取平均值，然后选通下一个通道，直到采集完所有通道的信号。当所有通道信号都采集完毕后，将数据传输给控制器，即PDA。完成之后再次打开定时器定时，进行下一轮测量、采集[7-8]。传感器软件设计流程见图5。

[FK（W18][TPWYJ5.tif]

在此基础上，根据软件系统对控制收获机械臂偏移数据的采集结果，运用Matlab仿真分析软件对其结果数据进行了仿真分析，仿真分析结果见图6。

[TPWYJ6.tif；S+3mm]

软件系统的编程代码如下：

pinMode（12，INPUT）；

Serial.begin（9600）；

myshow=0；

mycomflag=2；//机械臂默认上电状态为：2自动运行

myservoA.attach（3）；//控制腰部（A）的端口是3号

myservoB.attach（5）；//控制大臂（B）的端口是5号

myservoC.attach（6）；//控制小臂（C）的端口是6号

myservoD.attach（9）；//控制小臂旋转（D）的端口是9号

myservoE.attach（10）；//控制腕部（E）的端口是10号

myservoF.attach（11）；//控制腕部旋转（F）的端口是11号

myservoG.attach（8）；//kongzhidao pian——2

myservoA.write（10）；//初始5点钟方向10-110

myservoB.write（10）；//越小越陡10-30

delay（1000）；

myservoC.write（130）；//

myservoD.write（90）；

myservoE.write（10）。

4结论

基于嵌入式软硬件开发技术、电子技术、通信技术，研制开发了一种集采摘、自动收集、包扎等多种功能于一体的叶菜有序收获装置。对完成的叶菜有序收获装置进行初步试验，获得了以下结论：（1）机械手夹持叶菜位置要能够满足收获不同尺寸叶菜需求进行调整，并且必须能够依托传感器自动获取相关数据。（2）切割装置位置要能够实现精准上下自动调整，当切割完成，机械手夹持叶菜翻转至传送带上，使茎秆与传送带运动方向垂直，实现蔬菜采摘有序传送摆放。（3）当传送带翻转至背面时，传送带上的叶菜掉入下方菜篮里，否则不利于打包。

[HS2][HT8.5H]参考文献：[HT8.SS]

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