关于果蔬采摘机器人机械系统设计与关键技术的研究*

王 甦

（河池市职业教育中心，广西 河池 547000）

随着社会的快速发展，人工采摘作为农业生产中需要人力最多的一环，成本越来越高，许多国家为了促进采摘业的发展，均在努力研发采摘机器人。通过机器代替人工，既节约成本又提高效率[1]。果蔬采摘机器人是一种采摘设备，其主要的功能是对果蔬进行精准采摘，其工作原理是通过PLC控制系统，在系统中编写特定的驱动程序；同时，机械手采摘机构应在液压机的作用下工作，位置检测装置的实时监控应返回控制系统，以便相应地调整机构的位置，保证位置的准确性，使得采摘机构能够按照设定完成动作，满足果蔬采摘的工作要求。

1 果蔬采摘机器人结构及控制系统的设计

1.1 设计技术要求

主要用途：对果蔬进行采摘及搬运[2]；主要参数：三自由度；手臂可以旋转180°，速度小于或等于70 mm/s；定位方式：根据地形设置起止位置；定位精度：±0.3 mm；驱动方式：液压驱动与电机驱动结合；控制方式：PLC；手指握力：500 N；夹持范围：8 dm3，10 kg，车体部分为直流电机驱动，荷载100 kg。

1.2 果蔬采摘机器人机械手的运动分析

根据果蔬采摘机器人的设计要求，其主要是在PLC的控制下，在编写程序后，行驶到指定位置，采摘果蔬并运到指定位置。其主要动作顺序为：液压缸处于收缩状态，手臂处于后限位，小车行驶，识别到成熟果蔬，行驶到指定位置，机械手开始作业：手爪张开—手臂前伸下降—手臂中止—检测位置—手臂下降—手爪闭合—手臂上升—手臂旋转180°—手臂下降—手臂下降到指定位置—手爪张开—手臂上升—手臂回转180°至原始位置[3-4]。

2 手部设计及计算校核

2.1 机械手部设计要求

1）具有一定的夹紧力与驱动力，并且保证具有足够的夹紧力以便夹断瓜藤。

2）夹具应有一定的夹紧间隔和开闭角度，从而抓取果蔬。

3）手爪应具有一定的定位方式，从而实现对果蔬的精准抓取。

2.2 手部设计方案

根据设计参数及其工作用途，其要实现果蔬的抓取及瓜藤的切断，并将果蔬放入小车当中，所以果蔬采摘机器人是用来抓取果蔬及切割瓜藤的夹持装置。综上考虑，将抓取部件设计为铲斗形式，通过螺纹杆的转动，使得移动平台移动，进而实现机械手的收缩，完成采摘动作。手爪结构如图1所示。

图1 手爪结构示意图

分析表明，在电机动力不变的情况下，随着角度的增大，握力增大，因此牵引杆的拉伸增大，手部的设计尺寸应增大，所以α=30°～45°最好。

3 手臂设计及计算校核

3.1 机械手手臂的设计要求

1）臂部因需要承载果蔬及爪部重量，应保证其刚度及强度、承载能力并且控制重量[5]。

2）手臂运动速度要平稳，尽量降低惯性冲击。

3）减少手臂部件的摩擦，手臂结构尽量简单紧凑。

3.2 手臂设计方案

本设计的机械手臂，在液压缸的收缩下能够实现弯曲运动，而回转动作则是由机身上的回转台在电机的带动下实现的。采取双液压缸的形式对手臂进行推拉从而实现手爪位置的精准控制[5-6]。在最末端装入电机连接螺纹杆，通过电机的正反转来实现手部的收缩与张开，进而实现对果蔬的摘取与放下。其结构如图2所示。

图2 机械臂结构

4 车身设计及计算校核

4.1 车身的设计要求

1）需安装一个果蔬机械臂回转机构并保证其精度及刚度。

2）为采摘机构提供一个稳定的工作平台。

3）能够稳定转向。

4.2 机身的设计方案

本文选用直流电机作为整个装置的动力源，因此直流电机性能直接决定整个装置的运行情况。选用电机不仅要考虑价格合理，降低整个装置成本，也要能够提高足够的动力，保证整个装置稳定运行，还不能选用动力远大于所需的电机，这样会造成性能过剩，而且价格昂贵，不符合设计理念。因此选择电机时，不能考虑单一指标，不仅要考虑多种因素，也要考虑工作环境。计算直流电机功率：

考虑本装置的整体结构，本装置需要承受的质量为100 kg，需要载荷为1 000 N，其运行速度V=0.5 m/s，因此：

该机构的传动效率是0.85，则：

本装置连接轴转动，轴的直径为20 mm，则转速为：

根据上述计算和论述，考虑到工作环境和实际需求，考虑设计余量，本装置选取功率为1.5 kW电机，其转速为2 980 r/min，型号为Y80M1-2[7-9]。如图3所示。

图3 电机结构示意图

5 机械手液压系统

5.1 机械手液压系统原理图设计

根据果蔬采摘机器人的设计要求，本机械手具有三个自由度，具有液压驱动和PLC控制，能够实现对果蔬的精确采摘功能[10]。

5.2 液压元件明细表及模型展示

液压元件明细、液压缸模型分别如表1、图4所示。

图4 液压缸模型图

6 总结

课题组通过对国内外果蔬采摘机器人的了解，对相关技术领域的学习，发现自己的设

计还有很多不足。具体的不足如下：1）结构设计还不够成熟，由于果蔬的果实与叶片颜色近似，导致果蔬采摘机器人的成功采摘率不高；结构设计还不够紧凑，机器人价格过高，要想投入生产还需进一步优化；2）PLC设计程序设计可能过于理想，还有许多情况没有考虑到，程序设计也需要进一步完善；3）在设计过程中，为了追求各个部件的动力充足，在一些方面忽略了环保理念。希望随着科技的发展，可以制造出识别精确、采摘平稳、动力环保、价格低廉的果蔬采摘机器人，早日帮助果蔬种植户们解决人工采摘成本高、效率低这一难题。

表1 液压元件明细表