徐 莉，劉喜平，王國(guó)富，張 建，王國(guó)慶，馬 馳，李子康，王靜波

(1.黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省人民政府發(fā)展研究中心，黑龍江 哈爾濱 150030)

0 引 言

在蘋(píng)果生產(chǎn)作業(yè)中,采摘作業(yè)約占整個(gè)作業(yè)量的40%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到后續(xù)的儲(chǔ)存、加工和銷售[1]。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性,其自動(dòng)化程度仍然很低,目前國(guó)內(nèi)采摘作業(yè)基本上都是手工進(jìn)行,研究采摘機(jī)械臂不僅具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,而且具有深遠(yuǎn)的理論意義。因此設(shè)計(jì)一款自動(dòng)化程度高、成本低、效率高的蘋(píng)果采摘機(jī)器人勢(shì)在必行。

1 國(guó)內(nèi)外蘋(píng)果采摘機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外現(xiàn)狀：蘋(píng)果采摘機(jī)器人在美國(guó)、韓國(guó)、日本等國(guó)家均早有研究，在1983年第一臺(tái)采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生[2]，在之后的時(shí)間里，隨著機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，日本、美國(guó)等做了大量研究，并在試驗(yàn)中取得了一定的成功。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀：20世紀(jì)90年代中期，國(guó)內(nèi)才開(kāi)始對(duì)采摘機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行研究，相對(duì)于其他發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚，投資少，發(fā)展慢，且應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)比較少[3]。國(guó)內(nèi)各科研院所、高等院校針對(duì)現(xiàn)實(shí)需要，研究設(shè)計(jì)了一些比較實(shí)用的采摘機(jī)械手、末端執(zhí)行器等。

2 主要研究?jī)?nèi)容

2.1 采摘對(duì)象及要求

所設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人對(duì)蘋(píng)果進(jìn)行采摘收集，蘋(píng)果直徑80～100 mm，重量200～280 g；要求蘋(píng)果被采摘后外無(wú)破損，收集過(guò)程中無(wú)刺傷，碰傷。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作平穩(wěn)可靠，操作方便，安全性能好，便于維修，成本相對(duì)低。

2.2 蘋(píng)果采摘方案的擬定

該蘋(píng)果采摘機(jī)器人的機(jī)械部分由采摘機(jī)構(gòu)、上升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)組成。工作過(guò)程為：機(jī)械手在找到蘋(píng)果后，通過(guò)肘部、肩部的運(yùn)動(dòng)使手爪處于蘋(píng)果下方，上升機(jī)構(gòu)調(diào)整高度，手爪收縮，抓緊蘋(píng)果后機(jī)械手腕部旋轉(zhuǎn)，扭斷果柄，然后再次通過(guò)肘部、肩部運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)手爪將蘋(píng)果放回收集位置，由收集裝置將蘋(píng)果收集。

3 蘋(píng)果采摘機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)方案

使用步進(jìn)電機(jī)、減速電機(jī)和舵機(jī)作為動(dòng)力源。其中，采摘機(jī)構(gòu)使用五個(gè)舵機(jī)，使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)四自由度，增大采摘范圍；上升機(jī)構(gòu)使用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，用以實(shí)現(xiàn)二級(jí)上升；行走機(jī)構(gòu)使用兩個(gè)減速電機(jī)，實(shí)現(xiàn)行走功能。

3.2 總體布局

考慮各個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作的同時(shí)，還要考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不干涉性，保證各個(gè)機(jī)構(gòu)都能正常有序的工作，故最終確定的整機(jī)的總體布局見(jiàn)圖1。

圖1 蘋(píng)果采摘機(jī)器人的整體布局

3.3 主要機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 采摘機(jī)構(gòu)：采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為一個(gè)4自由度的機(jī)械手，通過(guò)此機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)采摘功能，機(jī)械手由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，自由度分別為手指張弛，用以抓取蘋(píng)果；腕部旋轉(zhuǎn)，用以扭斷蘋(píng)果果柄；肘部擺動(dòng)，肩部擺動(dòng)，肩部旋轉(zhuǎn)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置蘋(píng)果的抓取。

(2) 上升機(jī)構(gòu)：上升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是兩級(jí)伸縮式上升，這種設(shè)計(jì)既能在工作時(shí)使機(jī)械手達(dá)到預(yù)計(jì)高度，又能在不工作時(shí)收縮到框架內(nèi)，降低重心，方便運(yùn)輸。

上升機(jī)構(gòu)，由三根絲杠和步進(jìn)電機(jī)組成，其中步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩根絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)一級(jí)平臺(tái)的上升，另外一根絲杠也由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)二級(jí)平臺(tái)的上升。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 上升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

(3) 行走機(jī)構(gòu)：行走機(jī)構(gòu)一方面支承機(jī)器人的機(jī)身、臂部和手部，因而必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性；另一方面，還需隨時(shí)根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在更廣闊的空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。蘋(píng)果采摘機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)采用半履帶車設(shè)計(jì)，這種履帶式設(shè)計(jì)與普通輪式設(shè)計(jì)相比有效地增加了車輪與地面的接觸面積，增加了機(jī)器人在行走過(guò)程中的穩(wěn)定性；還能夠適應(yīng)大多數(shù)果園中的地形。車輪又分成了前后兩部分，其中后面的車輪包有履帶，機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎是通過(guò)左右兩個(gè)履帶車輪不同的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的。具體見(jiàn)圖3。

圖3 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖1.減速電機(jī) 2.履帶 3.從動(dòng)輪

3.4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將以上各部分按整體布局進(jìn)行組裝以后形成整機(jī)，具體如圖4所示。

圖4 實(shí)物整機(jī)俯視圖

3.5 總體程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)涉及多種電機(jī)的控制，因此采用性能強(qiáng)大的STM32F103C8T6控制器進(jìn)行控制，首先運(yùn)用L289N驅(qū)動(dòng)模塊控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，可在固定位置停留，后由控制器向TB6600驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送控制信號(hào)，從而控制由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的雙層升降結(jié)構(gòu)，首先控制第一層的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)平臺(tái)的上升，再控制第二層的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)二層平臺(tái)的上升(在頂端裝有限位開(kāi)關(guān)用以觸發(fā)的保護(hù)措施)，在到達(dá)指定位置后可進(jìn)行自動(dòng)停止，最后控制由五個(gè)舵機(jī)構(gòu)成的五自由度機(jī)器手，機(jī)械手可由控制器控制每個(gè)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，以達(dá)到多角度的抓取(機(jī)械手上裝有限位開(kāi)關(guān)，可以識(shí)別有無(wú)抓到合適大小的蘋(píng)果)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，大方、操作方便快捷；行走部分采用履帶式加萬(wàn)向輪的設(shè)計(jì)，可充分適應(yīng)果園地形；伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以對(duì)機(jī)器人的重心進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)單獨(dú)行走、采摘等功能的要求。

總體設(shè)計(jì)成本較低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，占地空間小，結(jié)構(gòu)易改造，更適用于國(guó)內(nèi)各型果園。各部分設(shè)計(jì)環(huán)保，設(shè)計(jì)新穎，方便維修。 減輕果農(nóng)人力需求大的壓力。