【摘要】蘋果采摘裝置適用于蘋果成熟后的蘋果采摘，智能化機(jī)械化的采摘模式解放了勞動(dòng)力，提高了采摘效率，本裝置利用無線遙控技術(shù)，搭載移動(dòng)平臺(tái)，安裝末端執(zhí)行裝置即機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了蘋果采摘過程中的機(jī)械化，利于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】蘋果采摘；機(jī)械手；傳感器

Abstract：Apple picking device is suitable for mature apple picking，intelligent mechanization picking mode liberated the labor force，improve the picking efficiency，this device using the wireless remote control technology，with a mobile platform，installation of the manipulator end point device，realized in the process of apple picking mechanization，agricultural research and application of the robot.

Key words：Apple picking；Manipulator；The sensor

引言

21世紀(jì)以來，隨著我國城鎮(zhèn)化的社會(huì)進(jìn)程，原始的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力逐漸減少，轉(zhuǎn)向其他行業(yè)，而水果采摘在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有很多弊端：第一是采摘中需要大量人力；第二是采摘是相對(duì)耗時(shí)長的一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)；第三，采摘水果大都集中在一個(gè)時(shí)段；第四，人工采摘水果果實(shí)需要彎腰或者爬高，具有一定的危險(xiǎn)性。隨著我國科技水平和農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的逐步提高，用機(jī)械手來采摘水果果實(shí)成為可能，這樣不僅解放了農(nóng)村勞動(dòng)力，而且更加安全，方便。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：隨著科技的進(jìn)步，近年來，國外在果蔬采摘機(jī)器人的研究方面取得不少成果，但由于技術(shù)，市場(chǎng)和價(jià)格多方面因素的影響，此類研究工作基本停頓，國內(nèi)研究此類型的方面起步晚，相對(duì)來說成果少，對(duì)蘋果的采摘方面研究還很缺乏。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程加快，其種植越來越規(guī)?；?，然而蘋果的采摘大部分還處于人工作業(yè)的情況，這大大降低了采摘效率，提高了成本，而且蘋果高度不一，人工采摘費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易疲勞，發(fā)生危險(xiǎn)，所以對(duì)蘋果采摘設(shè)備的研究有重要意義[1]。

本文以蘋果為研究對(duì)象，討論蘋果采摘裝置，最終目標(biāo)是確保順利采下蘋果，提高勞動(dòng)效率，解放生產(chǎn)力。設(shè)計(jì)一種實(shí)用的蘋果采摘機(jī)械手，用于采摘蘋果果實(shí)。該機(jī)械手結(jié)構(gòu)輕巧，操作靈活簡便。并且可以運(yùn)用傳感器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能采摘。

1.蘋果采摘機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)

1.1 移動(dòng)平臺(tái)選取

為了實(shí)現(xiàn)蘋果的機(jī)械化采摘，首先需要選取移動(dòng)平臺(tái)。近年來，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用使農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展迅速，對(duì)不同的移動(dòng)方式了解比較之后，根據(jù)土地凹凸不平等特點(diǎn)，裝置在土地間運(yùn)轉(zhuǎn)的話需要地面附著力大，面積大，可以跨越小土塊，堅(jiān)固耐用，能量利用率高，穩(wěn)定高速，機(jī)動(dòng)性好等特點(diǎn)，采用履帶式行走方式，履帶式移動(dòng)對(duì)地面附著力大，支承面大，接地壓力小，越障礙能力強(qiáng)，具有堅(jiān)固耐用，容易維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。結(jié)合在蘋果采摘過程中道路情況的復(fù)雜性，簡化結(jié)構(gòu)，易操作和成本低的要求，選用RP6車體，采用前輪驅(qū)動(dòng)方式，在前輪內(nèi)側(cè)搭載微型電機(jī)，采用2級(jí)展開式直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)的電流傳感器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，車體內(nèi)置電池盒，為移動(dòng)平臺(tái)供電，需要裝6節(jié)充電電池，提供9V電壓，可為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和平臺(tái)移動(dòng)提供動(dòng)力。

1.2 蘋果采摘裝置

蘋果采摘裝置主要由移動(dòng)平臺(tái)，遙控裝置，機(jī)械手3部分組成。

1.3 無線電遙控

為了實(shí)現(xiàn)蘋果采摘機(jī)械的智能化和遙控，結(jié)合當(dāng)今遙控越來越廣泛應(yīng)用的時(shí)代背景，對(duì)不同的遙控方式比較分析后發(fā)現(xiàn)：紅外遙控是利用近紅外線傳送信號(hào)的遙控設(shè)備，不影響其他電器設(shè)備，但其缺點(diǎn)是無法穿透，接收信號(hào)的能力比較微弱，適合近距離遙控；無線電遙控器是用無線電波來傳送控制信號(hào)的，其特點(diǎn)是無方向性，可以不“面對(duì)面”控制，距離遠(yuǎn)，可達(dá)數(shù)十米甚至數(shù)公里?；诒菊n題的設(shè)計(jì)要求，選用無線電遙控。其接收機(jī)是解碼電路，遙控器是編碼電路，接收機(jī)根據(jù)遙控器所發(fā)出的不同指令，接收后解碼，輸出到下級(jí)電路，控制各個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)閉，把電流傳輸?shù)竭b控車的動(dòng)作電機(jī)或電磁鐵來完成各種動(dòng)作。 遙控器發(fā)射的是帶有編碼的無線電信號(hào)。

2.關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)選擇

機(jī)械手本身結(jié)構(gòu)尺寸較小，所以電機(jī)的尺寸也應(yīng)盡量小，選用微型電機(jī)有刷直流電機(jī)，屬于鐵芯電機(jī)的一種，其優(yōu)點(diǎn)是力矩大，調(diào)速性能優(yōu)良，調(diào)速方便，能平穩(wěn)地升降速，應(yīng)用范圍廣，通過變勵(lì)磁方式可得到不同的運(yùn)行特性。

2.2 機(jī)械手總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文討論的蘋果采摘機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)模仿人手的結(jié)構(gòu)，由手掌，指頭構(gòu)成，為了方便抓取，同時(shí)又可以采摘到蘋果，機(jī)械手是末端執(zhí)行裝置，體積不易過大，運(yùn)動(dòng)也要簡單可行[4]。

機(jī)械本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以改善運(yùn)動(dòng)的靈活性和控制的復(fù)雜性。這些具有特殊運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性的機(jī)構(gòu)的綜合具有廣泛應(yīng)用前景。[5]所以定為360度空間內(nèi)包含3個(gè)“指頭”，空間分布相差120度，一個(gè)指頭上有3個(gè)指節(jié)，3個(gè)指節(jié)中的2個(gè)關(guān)節(jié)。為了簡便，手掌設(shè)計(jì)為圓柱形，與手掌連接的指節(jié)是可以支撐其余2個(gè)指節(jié)的，第一個(gè)和第二個(gè)指節(jié)里面裝有異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)完成操縱下一個(gè)指節(jié)的運(yùn)動(dòng)。在2個(gè)指節(jié)中間有連接件，傳遞運(yùn)動(dòng)。采摘機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)是一個(gè)指節(jié)操縱下一個(gè)指節(jié)，所以用微小型的齒輪減速器傳遞步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和力，提高傳動(dòng)的穩(wěn)定性。

2.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇

機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：一般常用的有4種，液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)，電力傳動(dòng)。綜合比較，蘋果采摘所用的機(jī)械手用機(jī)械傳動(dòng)，因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率高，符合蘋果采摘裝置的要求。

2.4 材料選擇

為了減輕重量，而且蘋果也不是很大，所以采用鋁合金材料，為了避免損傷蘋果果實(shí)，所以在機(jī)械手上裝尼龍和橡膠材料的保護(hù)套，來保證蘋果不會(huì)被機(jī)械損壞變質(zhì)，同時(shí)也增大了摩擦力，抓緊了果實(shí)，防止掉落。用來減少機(jī)械手抓取時(shí)對(duì)蘋果的抓力，既保證蘋果不會(huì)被機(jī)械損壞變質(zhì)，同時(shí)也增大了摩擦力，抓緊了果實(shí)，防止掉落。

2.5 其他硬件系統(tǒng)

2.5.1 傳感器

傳感器是蘋果采摘裝置的重要組成部分，末端執(zhí)行裝置對(duì)蘋果表皮的損害程度取決于傳感器元件，所以選用應(yīng)變式壓力傳感器，其工作原理是利用彈性敏感元件和應(yīng)變計(jì)將壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻值變化。型號(hào)為OOmar齊平式膜片式壓力傳感器。

2.5.2 單片機(jī)

蘋果采摘裝置選用利用STC12C5A60S2單片機(jī)為核心元件，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制。

2.6 工作原理

如圖3所示，機(jī)械手接近果實(shí)過程中和果實(shí)產(chǎn)生擠壓并產(chǎn)生壓力，此時(shí)壓力傳感器測(cè)的信號(hào)傳給單片機(jī)，判斷是否達(dá)到閉合值，這個(gè)閉合值是由多年農(nóng)民的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)是指，在不破壞果實(shí)的前提下采摘，完成采摘后機(jī)械手恢復(fù)原位。

3.總結(jié)與展望

蘋果采摘裝置整體從實(shí)際出發(fā)，集機(jī)械化，智能化為一體，適用于蘋果采摘，由此節(jié)省了勞動(dòng)力，方便了農(nóng)民，但是設(shè)計(jì)中還有很多不足之處，需要在以后的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中逐步改進(jìn)，相信將來采摘機(jī)械的廣泛應(yīng)用可以帶來更大的便利和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[5]趙景山，馮敬之.機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度分析理論[M].科學(xué)出版社，2009-03-01.