李 源，喬龍圖

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 鄭州 450000）

0 引言

隨著開墾荒地和沙漠改造等工程的不斷完工，農(nóng)業(yè)種植面積不斷擴大，再加上土地單產(chǎn)量不斷增高，農(nóng)作物的采摘任務(wù)越來越重。因此，采摘技術(shù)需符合當(dāng)代農(nóng)作物的采摘需求。人力采摘因為高成本低效率的問題已經(jīng)逐漸被采摘機器人代替?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械已經(jīng)可以代替人力完成農(nóng)作物種植、樹木栽種和農(nóng)作物采摘等多項工作。通過機械代替人力在農(nóng)作物的生產(chǎn)中發(fā)揮作用為農(nóng)作物的生產(chǎn)節(jié)省了3層的成本。

在農(nóng)作物的生產(chǎn)過程中，農(nóng)作物的采摘是耗費人力大的部分。用機械代替人力之后，采摘工作的效率大大提升[1]。采摘機器人的設(shè)計應(yīng)該更具有普遍適用性，這也成為采摘機器人設(shè)計的一大難點。果實的成熟與否，不具有種植經(jīng)驗的人通過肉眼都很難判斷，對于采摘機器人來說判斷果實的成熟度是一大技術(shù)難題，而水果的質(zhì)地一般比較柔軟，采摘力度也需要好好把握，避免在采摘過程中傷到果實，基于上述問題本文對采摘機器人的手臂進(jìn)行機電一體化設(shè)計，希望對解決上述問題提供一定的幫助。

1 采摘機器人機械手臂的機電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

采摘機器人的主要是由機械臂回轉(zhuǎn)部分、機械大臂、機械小臂和機械腕部四部分組成。想要實現(xiàn)農(nóng)作物的自由采摘，機械臂的靈活度至少要和人類手臂的靈活度一致，因此機械臂回轉(zhuǎn)部分要保證機械手臂可以進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)。機械臂的大臂擁有2個自由度，小臂也需要擁有2個自由度[2]。機械臂的大臂和小臂之間的結(jié)構(gòu)采用平行四邊形連接方式，比起傳統(tǒng)方式的矩形結(jié)構(gòu)，平行四邊形的機械臂的水平和垂直運動的靈活性更好。

圖1 機械手組成方框圖

機械手臂的啟動設(shè)備中增加離合器，這樣可以保證在做回轉(zhuǎn)運動的時候在足夠驅(qū)動力的前提下，還能保證回轉(zhuǎn)靈活。將傳統(tǒng)機械臂中所用的絲杠螺絲改換成小型推桿。絲杠螺絲會限制機械手臂在實操中的升降速度，小型推桿的雙螺母結(jié)構(gòu)會消除空氣阻力，加快機械臂的運動速度。

2 基于機電一體化的機械手臂的底座設(shè)計

機械臂的基座的設(shè)計也影響機械臂運動的整體靈活性，將機械臂的外接電源改為電池供電，并將實心底座設(shè)計為空心底座，將驅(qū)動電源安裝在基座中。可以避免外接電源因為電源線的長短限制采摘機器人的行動范圍。

圖2 機械手臂底座及連接結(jié)構(gòu)圖

基座兩側(cè)安裝蝸輪，電池驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪上連接的轉(zhuǎn)軸會幫助機械臂完成采摘動作?；械碾姵夭捎秒p電驅(qū)動方式，足夠的電力也是減少動力傳感的損耗?？杀ＷC機械臂在運動中動力十足，而此時機械臂對果實進(jìn)行定位之后，需要減速開始采摘，雙[3]電驅(qū)動只需減少電力輸出就可以實現(xiàn)機械臂減速。機械臂的機械手腕是利用差動原理進(jìn)行設(shè)計的，蝸輪和蝸桿和運行齒輪之間產(chǎn)生第一差動力，機械臂支撐的和支撐外側(cè)產(chǎn)生第二差動力。兩個差動力之間的差異不宜過大，機械腕的自由度實現(xiàn)主要依靠俯仰軸的轉(zhuǎn)動，而這種機電一體化的設(shè)計也可以消除傳動間的縫隙，實現(xiàn)無間隙傳動。

基座的支撐結(jié)構(gòu)外側(cè)齒輪與傳動軸連接，蝸輪與中控傳動軸連接。機械臂的基座應(yīng)設(shè)計一定的防護(hù)，在基座與其他部分連接的地方套上膠皮的密封圈，防止在運動中產(chǎn)生磨損影響采摘機器人的使用壽命。

3 機械臂農(nóng)作物識別傳感器設(shè)計

機械臂對農(nóng)作物的識別采用超聲波距離測定傳感器，傳感器的供電電壓只需要5 V就可以驅(qū)動，可以在距離農(nóng)作物果實3 cm的地方檢測到果實的存在，實現(xiàn)最終的定位，傳感器擁有一定的感應(yīng)傾角，可以變換采摘角度，保證果實采摘的順利。傳感器的工作電流為2 mA，即使在工作中出現(xiàn)漏電故障，也不會對果實造成破壞[4]。

傳感器具有體型小、耗電低的優(yōu)點，可以根據(jù)農(nóng)作物的實際情況進(jìn)行量程設(shè)定。農(nóng)作物的生熟識別依靠的是紅外線感應(yīng)，紅外線感應(yīng)利用了陽光對農(nóng)作物的作用，適用于大部分農(nóng)作物。對果實的判斷正確率大于95%，紅外線感應(yīng)不僅可以識別果實的生熟，還可以避免在采摘的過程中遇到障礙物[5]。紅外線發(fā)射出去后遇到障礙物后，進(jìn)行信號反射，接收器接收到前方有障礙物信號后會及時調(diào)整方向，避免在采摘過程中撞上障礙物，損壞機械臂的零件。

4 實驗

為了驗證該項技術(shù)能滿足采摘機械化的要求，設(shè)置對比實驗，對比本文設(shè)計的采摘機器人機械臂與傳統(tǒng)的機械臂哪種工作效率更高。

4.1 實驗準(zhǔn)備

采摘機器人的抓力是判斷機械臂優(yōu)劣的重要指標(biāo)，結(jié)合果園采摘的實際情況，在仿真軟件中設(shè)定機械臂的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機械臂的技術(shù)參數(shù)

果實的采摘機器人的機械臂的運動軌跡可以用來輔助判斷手臂的心梗，在仿真軟件的圖形界面可以完整觀察到機械臂的運動軌跡。API場景交互模式可以實現(xiàn)軌跡追蹤結(jié)果轉(zhuǎn)換為方便觀察的實時曲線。對機械臂的運動捕捉采用VRLI技術(shù)。實際產(chǎn)品樣圖如圖3所示。

圖3 實際產(chǎn)品樣圖

4.2 實驗結(jié)果與分析

在仿真平臺中設(shè)置果實的具體位置，使用三維坐標(biāo)的方式展現(xiàn)，對比果實實際位置與機械臂的預(yù)判位置，比較位置偏差，實驗結(jié)果如表2。

表2 果實位置與機械臂預(yù)判位置對比結(jié)果（mm）

實驗結(jié)果如表2所示，本文設(shè)計的機械臂，在相同的仿真環(huán)境中的位置偏差不超過1 mm，而傳統(tǒng)的機械臂的位置偏差最高可達(dá)5 mm，在實際的果實采摘中是采摘不到果實的，必須進(jìn)行重新定位。反復(fù)定位需要大量時間，肯定會降低機械臂的工作效率。因此該實驗結(jié)果可以驗證本文設(shè)計的機械臂工作效率更高。

5 結(jié)束語

機電一體化在采摘機器人機械臂設(shè)計中的技術(shù)融入，有效提高了機械臂的采摘精準(zhǔn)性，機械臂的采摘誤差小，旋轉(zhuǎn)范圍更廣，大量投入生產(chǎn)性價比極高。希望本文的設(shè)計理念可以給予專業(yè)的研究團(tuán)隊靈感，在日后早日實現(xiàn)機電一體化與機械手臂的完美結(jié)合。