郭巖

摘要 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)機械，而現(xiàn)有的瓜果采摘機械臂難以滿足全方位采摘瓜果的需要，針對這種不足，通過改進瓜果采摘機械臂設計原理及方法，創(chuàng)制了能在任意空間目標點采摘瓜果的機械臂，并對新改進的機械臂進行了試驗，取得了預期的結果，這對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展是大有益處的。

關鍵詞：瓜果采摘，農(nóng)業(yè)機械，機械臂改進

1.瓜果采摘機械的現(xiàn)狀及改進的意義

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開農(nóng)業(yè)科技技術的不斷進步，未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展也離不開機械化。而現(xiàn)有的瓜果采摘機器人的機械臂存在著不少問題，如它們大多直接購買現(xiàn)有工業(yè)機械手，而這些機械手不但成本較高，且所占空間大，在采摘瓜果的過程中往往不盡如人意，這些問題無疑會影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此針對現(xiàn)在瓜果采摘機械臂的這種不足，通過改進瓜果采摘機械臂設計原理和設計方法，創(chuàng)制了能在采摘范圍內的任意目標點采摘瓜果的機械臂，并對新改進的機械臂進行了驗證試驗，驗證了這種新創(chuàng)制了瓜果采摘機械臂的有效性和實用性，這對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展是大有益處的。

2.農(nóng)業(yè)采摘機械臂設計原理的優(yōu)化與創(chuàng)新

瓜果采摘的機械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需要，而使用農(nóng)用機械進行瓜果采摘仍需要遵循瓜果采摘的一般要求，那就是這些機械設備要占地面積小，采摘的范圍要大，采摘瓜果要靈活且準確率高，并且要減少采摘給瓜果原株成長造成的傷害。因此，這些就決定了瓜果采摘機械臂的設計要盡可能滿足這些要求，另外還要降低采摘成本，提高采摘瓜果的效率，適應現(xiàn)代市場經(jīng)濟發(fā)展的需要。而傳統(tǒng)的農(nóng)用瓜果采摘機器人所使用的機械臂，多是直接購買現(xiàn)有工業(yè)機械手，它們不但成本較高，且所占空間大，在使用過程不盡人意。為了保證新改進的機械臂采摘的靈活性，研制出新型的瓜果采摘機械臂，而改進了傳統(tǒng)瓜果采摘機器人的設計原理和設計方法。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機器人的結構設計主要包括四大類：直角型、圓柱型、坐標型和關節(jié)型。對這四種機器人的優(yōu)劣進行了綜合的分析對比，最終選擇了關節(jié)型的瓜果采摘機器人的結構設計。理論上6個自由度的機械臂設計雖然可以達到三維空間的任何點，但這種按照這種理論設計出來的機械臂往往結構比較復雜，在采摘瓜果的過程中不易控制。而同樣是通過三維空間來確定采摘瓜果的目標位置，采用了4個自由度來控制機械臂靈活性的設計更具優(yōu)勢和實用性。

3.瓜果采摘機械臂設計方法的改進

對瓜果采摘機械臂進行改進使之更能滿足瓜果采摘的實際需要，改進機械臂的設計原理只是創(chuàng)制新機械臂的基礎，還需要在此基礎上在具體設計過程中進行改進。首先，改進機械臂設計的結構參數(shù)，來確定瓜果采摘的空間范圍，這需要計算出機械臂腕關節(jié)最小的回轉角度；其次，瓜果采摘機械臂的設計需要考慮相關的設計變量，這些變量包括機械臂底座的高度、機械臂的長度、腕關節(jié)的長度以及機械臂腰部的回轉角、肩關節(jié)和肘關節(jié)的轉角范圍、腕關節(jié)的轉角等，通過分析瓜果采摘過程中的實際需要，最終對除了底座的高度和腕關節(jié)的長度外的其他變量進行改進，進而確定采摘瓜果的空間范圍，此外，還根據(jù)機械臂本身與目標瓜果之間的位置關系以及機械臂自身結構的限制等因素，來改進設計機械臂的變量等。其次，還需要改進機械臂的結構參數(shù)，是機械臂設計結果更加合理。整個機械臂的改進都經(jīng)過詳細的計算和重新設計，才使新創(chuàng)制的機械臂在使用過程中更加便捷。

4.對新創(chuàng)制機械臂的試驗及分析

為了驗證新創(chuàng)制的瓜果采摘機械臂是否能準備定位目標果實的空間位置及是否能準確采摘到瓜果，因此對新創(chuàng)制的機械臂進行了試驗。選擇了目標瓜果采摘范圍內的若干個制定的采摘位置，和隨機選取的若干個采摘位置進行試驗，并對數(shù)據(jù)進行記錄和分析。通過對比瓜果采摘的理論數(shù)值、實際采摘數(shù)值及誤差值進行對比分析，我們發(fā)現(xiàn)新創(chuàng)制的機械臂能準確到達目標采摘范圍中的任意位置，并且在采摘過程中機械臂工作穩(wěn)定、機械臂本身無明顯抖動現(xiàn)象。這充分表明新創(chuàng)制的機械臂的合理與成功。

通過分析機械臂試驗數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，機械臂實際工作中的數(shù)值與理論數(shù)值之間存在著誤差，對目標果實定位誤差的存在雖然是不可避免的，但還是對誤差產(chǎn)生的原因進行分析，主要包括以下兩點：第一，機械臂個部件加工裝配的原有誤差，是機械臂各個連接桿之間產(chǎn)生了位置上的誤差；第二，機械臂各關節(jié)的電動機采用的是獨立的控制方法，它們在同時運行時由于慣性及重力等的影響，導致機械臂各關節(jié)在角度的控制上產(chǎn)生了誤差。針對上述影響誤差的因素，可在以后機械臂設計研究過程中采取相應的補救方法：首先，可以采用先進的計算機技術來補償由加工裝配偏差所引起的位置誤差。其次，采用其他先進的控制方法或通過機械模型的控制方法，來提高機械臂在采摘瓜果工作中的精準度。

5.結論

針對現(xiàn)有瓜果采摘機械手不但成本較高，且所占空間大，在使用過程不盡人意的諸多缺點，通過改進機械臂設計原理及方法，創(chuàng)制了能在任意空間目標點采摘瓜果的機械臂，這種機械臂設計不僅結構簡單緊湊，采摘范圍廣而所占空間較少，且操作的靈活度高。此外，新創(chuàng)制的瓜果采摘機械臂生產(chǎn)所使用的材料簡單易得，生產(chǎn)成本大為降低。對新創(chuàng)制的機械臂進行了試驗，結果表明：新創(chuàng)制的機械臂能準確到達目標采摘范圍中的任意位置，并且在采摘過程中工作穩(wěn)定、機器本身無明顯抖動現(xiàn)象，能滿足瓜果采摘的任務需要。這無疑說明新創(chuàng)制的機械臂是合理且有效的，只是機械臂在精準定位瓜果的空間位置時存在一些誤差，這需要在以后的工作做進一步研究和改進。

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