馬駿馳?王鑫?楊潔?楊菲?周朝進?周海燕

摘 要：為了降低絲瓜采摘的人力成本，本文設計一種大棚絲瓜采摘機器人，以實現大棚絲瓜采摘自動化，根據采摘環(huán)境特點和工作方式要求，給出絲瓜采摘機器人的總體結構設計，并且對關鍵的機械臂進行設計說明。

關鍵詞：絲瓜采摘機器人;機械臂結構

0 引言

由于中國社會經濟結構和人口結構的轉變，從事農業(yè)活動的人越來越少，從當前來看，果蔬采摘作業(yè)是農業(yè)生產中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)，[1]屬于勞動密集型的工作，急需實現果蔬自動化采摘以提高勞動效率?，F設計一種大棚絲瓜采摘機器人，實現大棚絲瓜的自動化采摘。本論文所研制的絲瓜采摘機器人采取圓柱形坐標的結構形式，結構簡單，運動控制簡便，坐標計算容易，定位精度高。[2]同時采用伺服電機驅動，可控速度范圍大，能源易得，精度高。采用兩根THK公司生產的標準件引動器作為機械臂，增加傳動精度，減小機器人質量，同時方便后續(xù)的機器人維修和零部件更換，提高采摘效率。[3]

1 采摘機器人工作方式與目標要求分析

機器人工作時移動平臺移動到絲瓜種植區(qū)前方，水平引動器向后移動到最大位置，兩臺工業(yè)攝像機拍照并將照片傳回單片機，單片機通過分析這兩張圖片，確定圖片內所有絲瓜的位置坐標，然后控制機器人作業(yè)。作業(yè)時，通過移動平臺內伺服電機的轉動帶動支撐臺轉動，將兩根引動器轉動到與被采摘絲瓜同一平面內的位置。與此同時，垂直引動器工作，將水平引動器移動到距離絲瓜頂部3cm處。之后，水平引動器開始工作，在電機的驅動下，水平引動器向絲瓜所在的位置伸出，直到絲瓜位于末端執(zhí)行器的機械手開口中心。末端執(zhí)行器上方的切割刀片在工作時，刀片處于復位狀態(tài)（即切割刀片與水平引動器垂直，且刀口的朝向背向絲瓜）。在水平引動器到達指定坐標后，機械手抓合絲瓜，待絲瓜抓穩(wěn)后，切割刀片工作，在直流電機的驅動下，刀片旋轉270°，將絲瓜藤切斷，此后回到復位狀態(tài)。之后，水平引動器收回。支撐臺旋轉適當的角度并伴隨垂直引動器的調整，將機械手中的絲瓜移至籮筐正上方，然后機械手松開絲瓜使其落入籮筐，這樣一次絲瓜采摘就完成了。然后支撐臺旋轉伴隨機械臂的調整，開始第二次采摘。在將照片中的絲瓜全部采摘完成后，引動器回到初始狀態(tài)，移動平臺向前移動到采摘區(qū)域，然后拍照分析進行下一次采摘。

采摘作業(yè)環(huán)境特點：本次課題所研究的絲瓜采摘機器人采摘的絲瓜種植于農田大棚中，之所以應用于該環(huán)境，是因為農田大棚的絲瓜種植利用春提早絲瓜栽培技術，可以做到早結瓜、早上市，增加絲瓜的產量和收益。而此次研究的采摘機器人正是用于該環(huán)境下進行絲瓜的采摘。大棚里的作物通常采用畦作栽培，絲瓜也不例外，通常情況下畦溝的寬度為80cm，兩畦之間的寬度為125cm，種植時絲瓜種植在畦溝內兩側，兩個絲瓜藤之間的橫向距離為40cm，對稱種植，其中圓圈代表絲瓜的種植地點。

2 絲瓜采摘機器人的總體結構設計

根據上述問題，本論文設計出了3自由度的采摘機器人，該機器人與目前市場上所出現的采摘機器人相比，優(yōu)點在于采用圓柱形坐標的結構形式，結構簡單，運動控制簡便，坐標計算容易，定位精度高?；陔p目視覺系統的圖片分析能夠通過分析絲瓜的形狀，提高采摘精度，實現智能采摘。在機械臂的傳動方面，采用最新型的諧波齒輪減速器，降低工作噪音，提高傳動精度，增大工作轉矩。[4]采用兩根THK公司生產的標準件引動器作為機械臂，增加了傳動精度。此外，設計了一種新型的柔性末端執(zhí)行器，最大限度地減少了絲瓜采摘過程中對絲瓜果實的傷害，提高了采摘效率。

2.1 機械臂設計

機械臂的設計是采摘機器人設計的重點，也是機器人工作的核心所在?，F代大部分農業(yè)機器人所使用的機械臂都是在市場上購買的工業(yè)機械臂，機械臂的結構形式及自由度的選擇對末端執(zhí)行器運動精度及靈活性都會產生很大的影響，對采摘作業(yè)的農業(yè)機器人來講，機械臂必須滿足結構簡單、運動靈活等條件。[5]

本次機械臂設計的目的主要是滿足末端執(zhí)行器的定位需要，能夠使末端執(zhí)行器在指定位置采摘絲瓜。因此，設計之初首先需要考慮分配好采摘機器人的自由度。實際考查中，我們發(fā)現3自由度的機器人就可以滿足絲瓜的采摘需要。因此為了避免自由度的冗余、增加生產成本，本課題選擇3自由度的機械臂來開展設計。

對機械臂長度的設計則需考慮絲瓜采摘機器人具體的采摘環(huán)境。本課題所研究的機器人是應用于大棚里的絲瓜采摘，絲瓜平均生長的高度為1.4～1.6m，而移動平臺的高度為0.41m，支撐座高度為0.105m，因此垂直使用的機械臂的高度大約需要1.1m。

機械臂共有兩個自由度，也就是X軸和Y軸的移動自由度。這兩個自由度的運動實現本設計考慮依然采用交流伺服電機來驅動，主要是考慮到交流伺服電機質量小、精度高、易于控制的特點，雖然輸出轉矩較小，但能滿足這兩個直線自由度的實現。機械臂考慮采用絲杠螺母傳動的方式來實現傳動。[6]絲杠螺母傳動的精度高，易于實現，工作壽命長，而且已經標準化。綜合以上要求，本設計考慮選擇日本THK公司生產的引動器。

載重方面，水平引動器的載重肯定小于垂直引動器，因此只需估算垂直引動器的載重。由于不同型號引動器的質量相差很大，所以我們盡量往較大數據估計，為40kg，伺服電機選擇為安川400w的伺服電機，輸入完成過后THK給出的結果是只有KR55和KR65型，考慮到質量輕化優(yōu)先，選擇KR55系列的引動器。這樣機械臂就確定下來，共同組成機器人本體。為了使機械臂能夠穩(wěn)定可靠地平衡傾覆力矩，采用加強筋的設計來輔助平衡。

2.2 移動平臺的設計

根據采摘作業(yè)環(huán)境特點，綜合考慮機械臂在移動平臺上的穩(wěn)定性和畦溝的寬度，選擇移動平臺的寬度為76cm，其中車身的寬度為40cm，車輪的寬度為12cm，因此履帶的寬度為12cm。一般絲瓜的生長高度在1.4～1.6m，因此初選車身的高度為30cm，移動平臺整體的高度為40cm，車輪的直徑為35cm。為了使果蔬采摘機器人結構簡單、傳動精確，同時減小質量，設計采用諧波齒輪減速器來控制整個機器人的轉動。因此需要在移動小車內部放置交流伺服電機，這樣能夠降低車身重量。在小車內部安裝伺服電機，則需考慮裝配該機器人的方便性和可行性。在小車車身處，以完全貫穿的形式設計了一個長為25cm、寬為17cm的矩形安裝區(qū)域，將電機和減速器安置于其中，這樣便于安轉和后期維修?？紤]到采摘完成后需要收集絲瓜，因此在車身設計兩個籮筐安裝區(qū)域，機械臂在采集完成后，可將絲瓜放在籮筐內，提高工作效率。綜合考慮上述情況后，筆者將車身的長度設計為90cm，便于絲瓜機器人后續(xù)設計工作的開展。

3 結語

本文針對絲瓜采摘過程中的問題以及采摘作業(yè)需求，通過分析果蔬采摘機器人的作業(yè)環(huán)境特點，對機器人的主要關節(jié)機械臂和移動平臺進行設計，使機器人滿足對絲瓜采摘的要求。

參考文獻：

[1] 林龍賢.果蔬采摘欠驅動機械手爪研究[D].浙江大學，2013.

[2] 方建軍.移動式采摘機器人研究現狀與進展[J].農業(yè)工程學報，2004（02）：273-278.

[3] 顧寶興.智能移動式水果采摘機器人系統的研究[D].南京農業(yè)大學，2012.

[4] 劉江.諧波齒輪減速器可靠性優(yōu)化設計及傳動精度分析[D].電子科技大學，2012.

[5] 王儒敬，孫丙宇.農業(yè)機器人的發(fā)展現狀及展望[J].中國科學院院刊，2015，30（06）：803-809.

[6] 張新.一種新型碼垛裝置的開發(fā)及其關鍵技術[D].天津大學，2013.

作者簡介：馬駿馳（1998—），男，江蘇揚州人，本科在讀，研究方向：機器人。