閆 潤，徐祝君

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400）

基于單片機的便攜式茶葉采摘機械手設(shè)計

閆 潤，徐祝君

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400）

為了提高茶葉品質(zhì)，人工采茶方式沿用至今。針對人工采茶勞力不足的現(xiàn)狀，文章開發(fā)了一種模擬人工采茶的便攜式茶葉采摘機械手，設(shè)計了其機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，并利用 UG進行了建模和仿真，試制了實驗樣機并進行了相關(guān)實驗。結(jié)果表明，該設(shè)計實現(xiàn)了預(yù)期結(jié)果，具有一定的應(yīng)用前景。

茶葉；機械手；單片機

茶是一種十分古老飲品，在我國傳承已久，深受世界人民喜愛。長期以來我國茶葉的采摘以人工為主。人工采茶雖然采摘的茶葉整體質(zhì)量高，但存在勞動強度大、采摘速度慢等不足。文章擬研究對茶葉單個新梢進行采摘的機械臂和相應(yīng)的采摘裝置，并對其結(jié)構(gòu)及控制方式進行合理設(shè)計，開發(fā)一種便攜式的茶葉采摘機械手，以其實現(xiàn)茶葉采摘的半自動化。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。文章設(shè)計的便攜式茶葉采摘機械手主要由固定支架，移動工作平臺，串聯(lián)機械臂，采摘裝置（機械手指）四個部分組成，UG建模如圖1所示。移動平臺底盤為雙圓盤設(shè)計，中間為轉(zhuǎn)動電機，該電機在整個系統(tǒng)中標號為1#電機，可帶動機械臂作0～360°雙向旋轉(zhuǎn)運動。機械臂主要功能是連接移動平臺和采摘執(zhí)行機構(gòu)，在較大的范圍帶動采摘機構(gòu)到達采摘的指定位置并為其提供準確的姿勢。機械臂上安裝4臺電機，其中2#、3#、4#電機分別控制1#機械臂、2#機械臂、采摘裝置繞平臺坐標系X方向進行轉(zhuǎn)動，用來控制機械臂的總長度；5#電機控制采摘裝置繞Z軸進行轉(zhuǎn)動，用來調(diào)整采摘裝置的姿勢，使采摘機構(gòu)以30～60°方向進行采摘。

圖1 機械手UG建模結(jié)構(gòu)圖

（2）串聯(lián)機械臂長度設(shè)計。工作空間決定著茶葉采摘機械的整體尺寸，而整個工作空間與臂長有著密切的關(guān)系。因此根據(jù)工作空間的要求，求出滿足條件的驅(qū)動臂及執(zhí)行臂尺寸。在文章中臂長的控制主要靠1#，2#，3#機械臂的旋轉(zhuǎn)完成，各級機械臂的尺寸確定如表1所示。

表1 各機械臂及驅(qū)動編號

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）控制要求分析。基于茶園地形與茶葉生長具有不確定性，采摘機械手必須考慮茶樹的生長特性，才能保證采到的茶葉符合標準。依據(jù)不同的采摘環(huán)境，確定采摘機械手控制原則為：①機械臂各關(guān)節(jié)之間不能耦合，也不能與茶葉新梢產(chǎn)生相互干涉；②機械臂應(yīng)具有三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，以節(jié)省占地空間；③采摘裝置依附機械臂關(guān)節(jié)運動，應(yīng)保證采摘的靈活性。

（2）控制電路設(shè)計。文章選用的控制系統(tǒng)為51系列單片機控制系統(tǒng)。依據(jù)茶葉采摘機械手控制要求分析及51單片機特點，設(shè)計了復(fù)位電路、震蕩電路、ROM電路，電機控制電路、時鐘電路、通信電路等模塊。

（3）運動特征設(shè)計。在采茶過程中，茶葉采摘機械手的初始位置坐標由系統(tǒng)給定。機械手首先通過底盤將機械臂送到系統(tǒng)Z軸上方，并將目標位置坐標與系統(tǒng)坐標系進行位差計算，獲得機械手與目標的相對位置。當控制系統(tǒng)給定目標后，機械手首先沿支撐架方向進行平動，使其以最快速度到達目標區(qū)域，同時計算目標是否在機械手的可執(zhí)行范圍內(nèi)。系統(tǒng)平動完成后進行轉(zhuǎn)動控制以確定采摘方向。機械手采摘時為剪切運動，采摘后的茶葉被機械手指夾緊并放入指定的收集盒中，因此，機械手指設(shè)計了伸出、剪切、茶葉回收三個子動作。

3 樣機試制及實驗

（1）試制樣機。基于上述茶葉采摘機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，確定試制樣機使用鋁合金材質(zhì)，控制電機采用直流步進電機，單片機控制系統(tǒng)密封，編制運動控制程序，寫入系統(tǒng)。因樣機制作中需對系統(tǒng)進行調(diào)試，故控制器的密封盒暫未安裝，試制樣機如圖2所示。

圖2 機械手試制樣機圖

（2）采摘實驗。將移動平臺架設(shè)在固定軌道上，茶葉新梢坐標直接從計算機輸入并導(dǎo)入控制系統(tǒng)的ROM中。選取校區(qū)茶園作為臨時實驗地點，采摘實驗如圖3所示。

圖3 采摘實驗現(xiàn)場圖

實驗當天為多云天氣，溫度19～28℃，東南風(fēng)——東風(fēng)，微風(fēng)3～4級，采摘實驗結(jié)果如表2所示。表中A代表機械手平動穩(wěn)定時間，B代表機械臂調(diào)整時間，C代表機械手指采摘時間。以上數(shù)據(jù)顯示，采摘成功率約為80%，在成功抓取的茶葉新梢中，葉片完整約為90%。采摘的效果與新梢的相對位置相關(guān)度較高。

表2 采摘實驗結(jié)果

4 結(jié)語

文章對便攜式茶葉采摘機械手進行了整體設(shè)計、計算機建模及仿真，試制了樣機并進行了相關(guān)實驗，實驗結(jié)果表明，該樣機實現(xiàn)了預(yù)期效果。但本設(shè)計未對機械手的重復(fù)精度進行分析，后續(xù)研究將對具有相似形態(tài)的新梢進行機械手的重復(fù)采摘實驗，以確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201313103013Y）。

閆潤，講師，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動化研究工作。