段錦晶

（天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中，機(jī)器人發(fā)揮著越來(lái)越突出的作用。盡管我國(guó)距離實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化還存在一定的差距，但是，農(nóng)業(yè)機(jī)械化基本得以實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)信息技術(shù)背景下，農(nóng)業(yè)機(jī)器人正在逐漸向智能化邁進(jìn)。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)器人的不斷進(jìn)步，使農(nóng)業(yè)作業(yè)效率得到極大提升，同時(shí)降低了農(nóng)民的作業(yè)強(qiáng)度。花椒是一種生長(zhǎng)在樹(shù)上的作物，具有一定的采摘難度，花椒樹(shù)的植株高度在3～5m，并且花椒樹(shù)的莖稈分布有皮刺，所以往往在人工采摘的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)被皮刺刮傷，除了皮外傷口外，花椒樹(shù)分泌的木脂素類(lèi)化合物刺花椒毒素會(huì)給采摘人員帶來(lái)二次傷害。

為了降低人工采摘花椒的勞動(dòng)強(qiáng)度以及避免采摘人員受傷的情況，本次研究中提出，一種花椒采摘機(jī)器人，有效解決了人工采摘花椒產(chǎn)生的一系列問(wèn)題。

1 花椒采摘環(huán)境

本次研究選擇甘肅省秦安縣千戶(hù)鄉(xiāng)作為調(diào)查地點(diǎn)進(jìn)行花椒采摘環(huán)境調(diào)研。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，花椒的種植地段多為山地，其中有80%為梯田，斜坡山地占20%。受到地理環(huán)境影響，種植花椒的地段大多相連，種植面積最大達(dá)到500畝，每株花椒樹(shù)的種植間距約為5m，采摘的高度范圍在0.5～3m，沒(méi)株花椒樹(shù)的產(chǎn)值在60～75kg，人工采摘速率在20kg/d，成本3元，可采摘1.5kg。

2 花椒采摘機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)

2.1 底座

花椒采摘機(jī)器人的底座機(jī)構(gòu)包括機(jī)身與行走裝置。

（1）在安裝花椒采摘機(jī)器人的各系統(tǒng)支柱以及一系列基礎(chǔ)件時(shí)，需要滿(mǎn)足一系列條件：具有足夠的強(qiáng)度與穩(wěn)定性；機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置需要合理，目的是為了防止機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中各機(jī)構(gòu)之間相互干涉產(chǎn)生的一系列影響。

（2）對(duì)于采摘機(jī)器人而言，行走機(jī)構(gòu)是十分重要的，花椒采摘機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、路線導(dǎo)航裝置等結(jié)構(gòu)組成，可以同時(shí)兼顧對(duì)機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)的支持以及適應(yīng)不同的工作環(huán)境。為了適應(yīng)花椒采摘的作業(yè)環(huán)境，花椒采摘機(jī)器人的行走裝置采用履帶式行走裝置，同時(shí)，兼顧花椒機(jī)器人采摘過(guò)程中足夠的牽引力與穩(wěn)定性。

2.2 收集裝置

花椒機(jī)器人完成對(duì)花椒的采集后，需要快速將采集的花椒收集起來(lái)，以此保證花椒采集工作的連貫性以及后續(xù)的包裝工作。花椒采集機(jī)器人的收集裝置是直徑在3～7cm的一種球形容器，鑒于花椒采集的特殊性，使用管道式作為主要的收集方式，這樣做可以有效避免花椒收集過(guò)程中在管道中形成的堵塞，為了進(jìn)一步保證管道的流暢性，外加抽氣泵強(qiáng)化管道內(nèi)氣流，帶動(dòng)管道內(nèi)花椒粒快速移動(dòng)，進(jìn)一步完成收集。

2.3 末端執(zhí)行器

結(jié)合采摘花椒的特點(diǎn)對(duì)末端執(zhí)行器的力學(xué)特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。花椒采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器需要具備識(shí)別檢測(cè)功能，在此基礎(chǔ)上，采摘機(jī)器人可以結(jié)合采摘對(duì)象的生物特征進(jìn)行收集。 （1）夾持裝置。夾持裝置幾乎是所有機(jī)器人都需要具備的關(guān)鍵部分，現(xiàn)階段，機(jī)器人的夾持裝置大致可分為三種類(lèi)型：以支點(diǎn)為中心的手指開(kāi)閉型：手指在開(kāi)閉過(guò)程中形成的運(yùn)動(dòng)軌跡為弧形；手指平行開(kāi)閉型：手指在平行狀態(tài)下進(jìn)行開(kāi)閉，對(duì)于這種夾持機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置為平行連桿或齒條齒輪裝置；多指機(jī)械手：多指機(jī)械手是在原有機(jī)械手的基礎(chǔ)上增加三個(gè)以上的手指，使夾持工作更靈便。（2）切斷裝置。切斷裝置主要作業(yè)于果實(shí)采集階段，用于分離果實(shí)與莖。設(shè)計(jì)切斷裝置需要對(duì)切斷力進(jìn)行科學(xué)合計(jì)，因?yàn)榍袛嗔o(wú)論過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)造成采摘效率大大下降。因此，在設(shè)計(jì)切斷機(jī)構(gòu)時(shí)，要結(jié)合采摘對(duì)象的實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。（3）吸引裝置。本次設(shè)計(jì)的花椒采集機(jī)器人結(jié)合花椒采摘的實(shí)際情況以及花椒樹(shù)生長(zhǎng)的環(huán)境因素設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器?；ń饭麑?shí)一般3～5粒生長(zhǎng)在一起，花椒簇的直徑一般在3～7cm，并且花椒果實(shí)從誕生到成熟顏色變化分辨率較低，因此通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)分辨花椒進(jìn)行采集具有一定的難度，改用紅外裝置對(duì)成熟花椒進(jìn)行采集，夾持裝置夾住花椒果實(shí)后，由切斷裝置負(fù)責(zé)分離果實(shí)。

2.4 機(jī)械臂

花椒采集機(jī)器人的機(jī)械臂由連桿、關(guān)節(jié)共同組成，關(guān)節(jié)主要包括回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、直動(dòng)關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度活動(dòng)。機(jī)械臂的設(shè)計(jì)需要結(jié)合花椒采摘的實(shí)際情況，在遵循機(jī)械臂設(shè)計(jì)原則的同時(shí)，兼顧花椒的實(shí)際特征，因此，花椒采集機(jī)器人的機(jī)械臂具有如下特征：（1）充足的作業(yè)空間：充足的作業(yè)空間可以為花椒采摘過(guò)程中的可行性奠定基礎(chǔ)條件，同時(shí)為確保采摘效率創(chuàng)造前提；（2）障礙規(guī)避：機(jī)械臂在進(jìn)行采摘時(shí)，難免會(huì)遇到一些障礙，因此，機(jī)械臂需要具備規(guī)避障礙的功能以確保采摘工作的順利開(kāi)展；（3）合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：對(duì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)可以保證機(jī)械臂在作業(yè)過(guò)程中機(jī)構(gòu)之間出現(xiàn)相互干涉或造成傳動(dòng)系統(tǒng)失效等現(xiàn)象； （4）機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮實(shí)際應(yīng)用情況，還要考慮成本問(wèn)題，爭(zhēng)取用最低的成本設(shè)計(jì)出最杰出的機(jī)械臂。

現(xiàn)階段常見(jiàn)的采摘機(jī)器人機(jī)械臂有以下類(lèi)型：（1）直角坐標(biāo)機(jī)械臂：直角坐標(biāo)機(jī)械臂采用直動(dòng)關(guān)節(jié)不僅結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且定位精度高。手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有較大空間，不過(guò)占地較大并且空間相對(duì)有限?，F(xiàn)階段，直角坐標(biāo)機(jī)械臂主要被用于室內(nèi)果實(shí)裝箱、收獲等作業(yè)中；（2）圓柱坐標(biāo)機(jī)械臂：與直角坐標(biāo)機(jī)械臂截然不同，圓柱坐標(biāo)機(jī)械臂由圍繞中心軸的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與直動(dòng)關(guān)節(jié)共同組成；（3）極坐標(biāo)機(jī)械臂：極坐標(biāo)機(jī)械臂在垂直方向上使用回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)取代直動(dòng)關(guān)節(jié)，擁有更大的操作空間，不過(guò)精度、剛度不能被保證；（4）多關(guān)節(jié)機(jī)械臂：前三關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，不僅占地面積小，還擁有更大的活動(dòng)空間，但是同樣剛度和精度不能被保證。結(jié)合機(jī)械臂不同類(lèi)型特點(diǎn)不同以及花椒采摘需求不同，需要盡可能選取占地空間小、活動(dòng)空間大、靈活性出眾、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)械臂。相比之下，關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)械臂基本滿(mǎn)足花椒采摘工作的需求，可以通過(guò)移動(dòng)、調(diào)整機(jī)器人的位置實(shí)現(xiàn)更高的操作性。

3 行走裝置

花椒采摘機(jī)器人采用履帶行走裝置。履帶行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖所示。這種履帶行走裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：承載整機(jī)重量較大，對(duì)地比壓較?。粻恳ψ銐虼?，在復(fù)雜路面的通過(guò)性能較好；對(duì)急轉(zhuǎn)彎和陡坡行駛有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，機(jī)動(dòng)性能很好。在履帶驅(qū)動(dòng)時(shí)，車(chē)輛的馬達(dá)會(huì)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈軌與驅(qū)動(dòng)鏈輪相嚙合，此時(shí)，鏈軌會(huì)出現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)的趨勢(shì)。通常在履帶行走的過(guò)程中履帶板與路面之間會(huì)出現(xiàn)較大的附著力，并且附著力大于驅(qū)動(dòng)鏈輪、支重輪和導(dǎo)向輪之間的滾動(dòng)阻力，正因?yàn)槿绱?，履帶板才不?huì)出現(xiàn)滑動(dòng)，但是，驅(qū)動(dòng)鏈輪、支重輪和導(dǎo)向輪會(huì)按照其所在的鏈軌進(jìn)行滾動(dòng)，帶動(dòng)車(chē)輛整體行走。履帶的行走機(jī)構(gòu)分為前履帶和后履帶，前后履帶均可以獨(dú)立進(jìn)行轉(zhuǎn)向，所以車(chē)輛整體的轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)更小，實(shí)現(xiàn)斜行。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究中對(duì)花椒采摘機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，首先，對(duì)花椒采摘環(huán)境進(jìn)行介紹；對(duì)花椒采摘機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析，包括底座：足夠的強(qiáng)度與穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的支持以及適應(yīng)不同的工作環(huán)境。收集裝置、末端執(zhí)行器：夾持裝置、切斷裝置、吸引裝置。機(jī)械臂：充足的作業(yè)空間、障礙規(guī)避、合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂類(lèi)型：直角坐標(biāo)機(jī)械臂、圓柱坐標(biāo)機(jī)械臂、極坐標(biāo)機(jī)械臂、多關(guān)節(jié)機(jī)械臂?；ń肥且环N重要的調(diào)味劑，具有廣闊的種植市場(chǎng)，但是，人工花椒采摘工作不僅效率低下，還會(huì)造成傷害。本次研究中在結(jié)合花椒生長(zhǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)上，分析機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)花椒采摘機(jī)器人，目的是提升花椒的采摘效率，解放勞動(dòng)力。