多足行走自动摘果机器人的设计

陈敏生 徐梓麒 肖钰伦 姚伟林 潘嘉伟 毛星 王杏进

摘 要：鉴于菠萝的生长特性和地形环境，以及考虑到人工采摘的安全性与效率，设计了一个可控制其行走和采摘的多足机器人，该机构操作简单，安全性高，采摘效率快。工作时，采摘员控制机器人对菠萝柄进行剪断，从而顺利采摘菠萝。所以要对该多足行走自动摘果机器人进行总体设计，运用软件对机械臂及其他机械结构进行了虚拟建模，并对关键部件进行了校核，验证了关键零部件的结构设计的合理性。此设计能够有效地解决大部分果农采摘菠萝时的难题，促进了菠萝产业的发展。

关键词：菠萝；采摘；机器人；多足；机械臂

0 引言

菠萝，又称凤梨，为著名热带水果，为多年生水果，乃我国四大名果之一。菠萝果实品质优良，营养丰富，含有大量的果糖，葡萄糖，维生素B、C，磷，柠檬酸和蛋白酶等物质，能分解蛋白质、帮助消化，有一定的利尿作用，对肾炎和高血压者有益，对支气管炎也有辅助疗效。菠萝有极好的经济价值，菠萝叶中含有一种优质的叶脉纤维———菠萝麻，是优质的纺织原料，具有很高的经济价值。

1 菠萝采摘的现状分析

菠萝植株的叶片呈螺旋形排列，簇生于莲上，菠萝成熟时，叶片变为革质，呈剑状，有些菠萝品种的叶片边缘还会长出剌来，易扎伤人的手。目前，绝大多数菠萝的采摘是人工进行的，每到菠萝的成熟期，采摘菠萝的劳动强度大大加大，这是菠萝产业发展的重大难题。随着科学技术的快速发展，，机械化产业的发展日新月异，所以实现水果产业的机械化迫不及待且有着重大的意义。水果的收获是水果生产的重要部分，但是每到采摘时期，艰辛的采摘工作，过低的采摘效率，造成果实由于过于成熟而无法适时收获，这让果农们吃尽了苦头。菠萝的釆收就是一个很典型的实例。为促进水果的发展，对水果采摘机械化自动化的研宄显得格外重要。

2 总体结构及工作流程设计

2.1 多足行走自动摘果机器人总体结构设计

该摘果机器人由多足行走装置、机械臂、齿轮摘果剪刀、wifi视频远程遥控装置及中央控制计算机组成。

2.2 系统工作流程

1）手机打开wifi连接该机器人发出的wifi信号，打开软件获取机器人摘果机械臂上的摄像头传送来的视频和遥控按钮页面。

2）远程遥控该多足行走自动摘果机器人进入菠萝田，行走到菠萝前，遥控摘果机械臂，机械臂末端齿轮剪刀进行剪切动作，将果柄剪断。

3）机械臂恢复初始位置，机器人继续向前，进入下一次工作。

3 主要部件的结构和程序设计

3.1 多足行走装置的设计

基于仿生学原理，采用六足行走装置，有利于在坑坑洼洼的菠萝田地里行走，运动灵活，方便采摘工作。采用橡胶式防滑和触地即停装置，使该六足机器人不会在菠萝田地中打滑和踩空，抓地更加有力，行走更加平稳。

3.1.1 多足行走装置的程序设计

该多足行走装置由18个智能串口双轴LX-16A数字舵机和一系列的连接件组成。该款舵机采用串行总线，通过控制板引出一个I/O口连接舵机，舵机之间通过双接口进行上下串联，达到一条线控制所有舵机的目的。

通过数据的运算，可以达到舵机的各种动作的完成，继而使多足行走装置达到：前行、后退、左转、右转、站立及蹲下等动作。运用各种算法也可以达到触地即停的效果，使多足行走装置实现在凹凸不平的地面行走的功能。

3.2 机械臂及齿轮摘果剪刀的设计

机械臂采用3自由度设计，用于控制齿轮摘果剪刀进行精确的空间定位，摘果剪刀则采用2自由度设计，分别用于控制末端剪刀机构的开闭和齿轮的旋转。

本设计中，关键问题是对菠萝果实的采摘，如果剪切机构不稳定造成剪不断或者无法正常定位，将严重影响其工作的可靠性。该齿轮摘果剪刀通过齿轮与齿条的啮合作用，能够可靠并稳定地实现剪切动作。

此机构通过wifi视频远程遥控舵机旋转使拉绳缠绕起来，绑在拉绳孔的拉绳使摇柄上的齿轮顺时针旋转向前推动齿条，从而带动齿条刀片向上运动，与橡皮刀口配合完成剪切运动。成功采摘下菠萝后，舵机反转，释放拉绳，由复位弹簧让齿条刀片回归常态。

3.2.1 机械臂及齿轮摘果剪刀的程序设计

采摘机构也是由LX-16A数字舵机控制，所以其运行方法与行走机构类似。

采摘机构的程序设计有两种，一个是采用反复扫描，二是按键定位。之所以采用两种方法扫描，是为了弥补软件遥控界面按键不足而作出的设计。因为在机械臂上有四个舵机控制，这既提高了采摘精度，也提高了控制难度，为此设计了两种运动方法，也能让遥控更加简便，能对每个按键进行最大化的利用。同样，该设计不会对整体遥控产生过大冲突，因为最底下舵机的左右扫动摇摆角度较小，采用扫动并不会有过多的时间损失，因此该设计方法是切实可行的。

3.3 wifi视频远程遥控装置

本设计的遥控与监控使用了WIFI视频传输控制模块套件实现，该模块具有8M Flash，64M大内存以及高清摄像头，可以满足需求。

通过手机APP进行远程遥控与监视现场的情况。APP上有10个按键分别执行控制不同的功能。

左边的上下左右分别控制六足的前后左右运动，中间的按键控制六足的起立和蹲下。右边的左右控制机械臂的左右转动，上下分别控制机械臂上面两个舵机的前后运动。中间的按键控制机械臂剪断和采摘果实。

4 结语

针对菠萝作物的特殊性，设计出了一款相对简单有效的多足行走自動摘果机器人，目前开发出的模型机器人已经证明了技术和经济上的可行性。该机器人的设计解决了人工采摘时被菠萝果实上的芒刺和叶子上的锐齿刺伤的问题，使得使用者不用进入菠萝田地便能摘下菠萝，极大程度上解放了劳动力，节约了采摘成本。本设计结构简单、原理明确、操作方便，在实际运用中可以为使用者提供方便，可促进菠萝产业的发展。

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