苹果采摘辅助机械手设计

张强+金世佳

摘要：针对传统的人工采摘苹果存在的问题，研究设计一种“仿生+智能”的苹果采摘辅助机械手。介绍该机械手的总体结构与关键部件设计，阐述其工作原理、特点及操作步骤，以期为该机械手在苹果采摘中的应用与推广提供技术支持。

关键词：苹果；采摘；仿生；智能；辅助机械手；设计

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）08-0017-03

传统的苹果采摘多为人工采集，效率低，采摘的苹果质量参差不齐，影响到苹果的产量和效益。为了降低果农工作强度，减少采摘时间，提高工作效率，方便我国中小型果园的采摘工作，对机械水果采摘进行研究并设计一种顺应智能时代的苹果采摘辅助机械手。

该机械手以“仿生+智能”为总体设计思路，其机械结构细分为三部分：一是手持部位，利用伸缩杆来达到采摘的任意高度；二是可调角度的旋转轴，连接手持部位上伸缩装置的最前端，通过调整旋转轴的角度可以在任意位置采摘；三是手部的动作，通过仿人手的机构直接抓取或夹紧并上下起程。在电路控制方面，利用电机的正反转和单片机原理来控制伸缩杆的伸缩长度，达到采摘的高度；利用单片机控制电机，从而控制旋转角度；利用PLC、单片机原理、液压传动和激光传感器来控制手指的张合与上下运动，以及二叶刀的剪接等一系列动作。

1 苹果采摘辅助机械手的总体结构

1.1 机械结构

机械手是执行装置，主要由手臂、手腕和手部等组成，其中：手部为与苹果直接接触的仿人手指夹持的部件；手腕为连接部件，用来调整采摘的角度；手臂为支撑手部等组织的部件，用来带动手部动作，按给定的上下轨迹去辅助手部完成夹持过程。二叶剪刀是剪切苹果桔梗的执行部件，其在减速电机的带动下可以更有力地快速剪切，防止在剪切过程中力不够而烧毁电机。支座是整个机械手的支撑部件，起到整体支撑和连接的作用。机械手的二维与三维草图分别如图1和图2所示。

1.2 电路结构

苹果采摘辅助机械手电路结构主要包括位置检测系统、驱动系统及控制系统。控制系统利用PLC、单片机及液压传动来控制电机的转动；驱动系统的目的在于驱动机械手臂；位置检测装置通过测量苹果的实际位置和机械手的实际位置并进行对比，然后将相关数据传给控制系统；动力装置与辅助装置等装置共同组成启动系统。控制系统的工作过程就是将实际位置与程序设置给定位置相比较，进而让执行部件更为精确地进行夹持，然后控制二叶刀剪切收割苹果。

2 苹果采摘辅助机械手的设计原理与特点

2.1 设计原理

苹果采摘辅助机械手由控制系统、驱动系统和执行机构等部分构成。在控制系统及检测系统监控下，执行机构在驱动系统的作用下，于一定时间内按给定速度及运动轨迹来实现设计的动作。苹果采摘辅助机械手的原理如图3所示：

2.2 各部分的设计

2.2.1 手部结构设计 夹持式手部由仿生手指和传动机构构成。采用3只手指外夹式，在夹持时可以达到完全约束。手部夹具设计需要考虑以下几方面。

1） 具有适当的夹紧力。因为苹果多汁易碰伤，所以在苹果采摘中对触碰力控制要求很高。手指对苹果夹紧力的计算公式为：

Fn=h1h2h3G

式中：Fn为夹紧力；h1为安全系数；h2为工作状况系数；h3为方位系数，根据手指与苹果不同位置选取；G为苹果重力。

2） 具有足够的开闭角。手指在夹紧和松开苹果时，必须具有足够大的开闭角来适应不同大小的苹果，使夹持中心位置偏差小、精度高。

3） 苹果采摘辅助机械手必须有足够的刚度和强度。在采摘时需要考虑传动机构的惯性和振动所带来的影响，如果手臂没有足够的强度和刚度就容易弯曲变形。

4） 为了保护苹果不被碰伤，还需要在手指内侧加置软垫。

2.2.2 手腕结构设计 手腕结构从自由度和驱动力两方面来设计。在苹果采摘过程中要避免因树枝的歪曲而造成采摘困难，所以要求手腕部位可以回转（角度小于180 °）。驱动手腕需要克服离心力、摩擦力和向心力，手腕驱动力的计算公式为：

2.2.3 立柱结构设计 立柱结构是用于支撑手部的部件，在手部夹持苹果时需要向下带动手部，避免二叶剪刀在剪切时损伤苹果。利用单片机编程来控制立柱的上下移动（10 mm左右）。

2.2.4 手臂机构设计 在手臂设计中，考虑到是由人手持操作，不需要回转左右移动，所以利用电推杆的原理来替代复杂的手臂部分，从而达到节省采摘成本、使用方便省力、提高采摘效率的目的。电动推杆主要由减速齿轮、弹簧、驱动电机、螺杆、螺母、推杆、滑道、外壳及涡轮等部分组成。电机经齿轮减速器后，带动一对丝杆螺母，把电机的旋转运动变成直线运动，利用电机正反转完成推杆动作。设计时需要考虑以下几个方面：1） 推杆的行程，利用编码器实现；2） 推杆位置反馈，利用电位器及霍尔反馈；3） 精确控制推杆，利用PLC精确控制。

3 苹果采摘辅助机械手操作步骤

该机械手高效简便，所有工作人员均适宜操作。手持采摘器，根据果实的高度与距离调节伸缩杆及两伸缩杆的角度（遇到树枝阻碍可调角度避开障碍，防止损坏树体本身），然后用采摘器将果实套入即可實现自动剪切，利用网袋及缓冲装置使果实轻轻落入收集装置。

4 苹果采摘辅助机械手的推广应用

目前市场上专门采摘苹果的机器很少，采摘效率也不理想，而效果较好的机器又比较昂贵。本研究设计的苹果采摘辅助机械手可以大大减少果农采摘苹果的时间，提高采摘效率，减少果实损伤率，且成本合理，可以解决果农采摘苹果的问题。

参考文献

[1] 梁喜凤.番茄收获机械手机构分析与优化设计研究[D].杭州：浙江大学，2004.

[2] 梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，等.果实采摘机械手机构设计与工作性能分析[J].农机化研究，2004（2）：133-135，13.

[3] 赵匀，武传宇，胡旭东，等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报，2003（1）：20-24.

[4] 张志勇，何东健，张建锋，等.苹果采摘机器人手臂控制研究[J].中国农业大学学报，2008（2）：78-82.

[5] 杨文亮.苹果采摘机器人机械手结构设计与分析[D].镇江：江苏大学，2009.endprint