劉江彩 崔彪

摘要：本文設(shè)計的自動分揀系統(tǒng)中機械手執(zhí)行部，應(yīng)用在基于視頻智能識別的分揀系統(tǒng)中，可以大大降低工人的勞動強度，提高作業(yè)效率。以河北省種植面積最大的梨樹為例，通過在梨樹果實的各個生長周期中果樹從開花、授粉、疏花、蔬果、套袋、去袋、采摘操作等需求設(shè)計不同機械手執(zhí)行部，從而滿足一臺帶分揀執(zhí)行部的機械手，可以替代8-15人的人工分揀。

關(guān)鍵詞：機械手;執(zhí)行部;自動分揀

一、設(shè)計題目的提出及主要任務(wù)

目前，我國是世界上果樹種植最廣泛的國家，種植面積和產(chǎn)量均居世界第一。國家統(tǒng)計局發(fā)布的《2018年中國統(tǒng)計年鑒》顯示，我國果樹面積為11136千公頃，即1.67億畝。盡管有如此大的種植規(guī)模，果樹從開花、疏花、蔬果、套袋、去袋、采摘一直都是人工操作。由于作業(yè)場景復(fù)雜、果樹種類多樣性等原因，果樹機械管理智能化一直處于起步階段，百億級果樹智能化系統(tǒng)市場的大門遲遲沒有被打開。由于我國正處于農(nóng)村勞動力人口減少、人口老齡化的階段，農(nóng)村剩余勞動力越來越少，這也意味著，雇傭勞動力完成果樹管理、勞作人員的費用會不斷增加。即便如此，也面臨著無人可雇傭的尷尬局面。當(dāng)今在機器人與智能化日益普及的現(xiàn)狀下，誰先拿下“果樹智能化全生命周期管理控制系統(tǒng)”，誰就能拿下這塊空白市場的第一桶金。

由于各種果品形狀、大小、性質(zhì)不同，工作環(huán)境不同，需要有不同功能的末端執(zhí)行部。履帶車、機械臂、視頻智能識別軟件也日益廣泛應(yīng)用，唯有不同功能的末端執(zhí)行部未見上市。末端執(zhí)行部是集機械制作、機電傳感、控制于一體的綜合部件，末端執(zhí)行部是實現(xiàn)智能化果樹農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是各國在智能機械化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域急需解決的問題。

二、機械手的概述

機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，同時也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，它能夠模仿人手和臂的某些動作，從而通過這種功能進行設(shè)置程序，進行固定抓取、搬運、或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機器人末端執(zhí)行器裝在操作機手腕的前端（稱機械接口），用以直接執(zhí)行工作任務(wù)。根據(jù)作業(yè)任務(wù)的不同，它可以是夾持器或?qū)Ｓ霉ぞ叩取A持器是具有夾持功能的裝置，如吸盤、機械手爪、托持器等;專用工具是用以完成某項作業(yè)所需要的裝置，如用于完成焊接作業(yè)的氣焊槍、點焊鉗等。并由此，將焊接機器人又可細分為：C02焊機器人、TIG焊機器人、MAG/MIG焊機器人、氣焊機器人、釬焊機器人、點焊機器人、激光焊機器人等。而目前機械手在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的較少，本次設(shè)計的自動分揀系統(tǒng)中機械手執(zhí)行部的設(shè)計就是為解決目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一系列問題，從而通過自動化設(shè)備打造智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，提高產(chǎn)業(yè)效率。

三、技術(shù)路線

果樹智能化全生命周期管理控制系統(tǒng)由履帶車+機械臂+人工視頻智能控制系統(tǒng)+（自制）末端執(zhí)行部構(gòu)成。可以針對不同的果實的軟硬度、形狀等特征，開發(fā)新的人工智能軟件及配套的傳感器和末端執(zhí)行部，實現(xiàn)一機多用。

（一）控制方式

采用STM32單片機控制：單片機的存儲器用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。單片機的I/O引腳通常是多功能的且外部擴展能力強，體積小，成本低，運用靈活，易于產(chǎn)品化。面向控制，能有針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價格比。具有抗干擾能力強，適用溫度范圍寬?？梢苑奖愕貙崿F(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。

通過壓力傳感器感知物體抓緊力的大小，去控制螺桿電機的轉(zhuǎn)角，進而控制氣缸的壓力;重力傳感器感知物體重量的大小，重力信號反饋給單片機做計重存儲，待計重確認后，單片機執(zhí)行后續(xù)相關(guān)動作。采用柔觸分揀裝置，借助壓力傳感器、荷重傳感器采集信息輸入到控制器中，及時檢測裝置外部變量，調(diào)整電氣控制裝置完成機械部分動作。執(zhí)行部的控制器采用高速的微控制器，與圖像識別裝置建立通信連接，完成物品抓取動作。

（二）驅(qū)動機構(gòu)

本項目設(shè)計的自動分揀系統(tǒng)機械手驅(qū)動機構(gòu)采用電動驅(qū)動方式，為了機械手能在農(nóng)業(yè)中穿梭方便內(nèi)置電池，對驅(qū)動機構(gòu)進行電動驅(qū)動。

四、對梨樹生長周期各種形態(tài)進行分析并設(shè)計相應(yīng)的機械手

（一）疏花

在梨樹開花初期，為了確保梨樹產(chǎn)果質(zhì)量，一般會進行人工疏花。關(guān)于控制梨樹的合理負載有句話是“疏果不如疏花，疏花如疏蕾，遲疏不如早疏”。所以，如果現(xiàn)在梨樹正處于花蕾期，那就要開始疏蕾了，疏蕾講究越早越好，一般在花序分離初期進行，疏去弱蕾。如果沒來得及疏蕾，那就要疏花了，因為梨樹1個花序中邊花先開，所以疏花時應(yīng)留邊花，疏去晚花、中心花，初花期的花一般都是好花，應(yīng)全部保留，一個花序應(yīng)保留3-5朵邊花。

我們設(shè)計的機械手疏花蔬果末端執(zhí)行工具主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作;通過搖桿來控制手臂到達相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉多余的弱花和畸形果。

（二）授粉

人工梨樹人工授粉可使用點授、撣授法以及液體噴霧授粉這三種方法，在點授方法中，授粉時間最好是在開花當(dāng)日或是次日，選擇毛筆、軟雞毛或是橡皮擦作為沾花粉的器材，間隔20厘米點授1個花序，每個花序中可點授1～2朵花。

我們設(shè)計的授粉執(zhí)行器主要以旋轉(zhuǎn)氣缸為基礎(chǔ)，在旋轉(zhuǎn)氣缸旁增加兩個限位氣缸。啟動旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)工作碰到兩個限位氣缸可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)功能;在旋轉(zhuǎn)氣缸上固定一把毛刷（毛刷規(guī)格可自行規(guī)定）。毛刷通過旋轉(zhuǎn)氣缸的動作可實現(xiàn)人工授粉的要求。

（三）蔬果

1.按距離留果：一般梨樹每15-20cm留一個果，強樹壯枝留果距離稍近，10-15cm留一個果，弱樹、弱枝留果稍遠，20-25cm留一個果。

2.看果苔副梢留果：果苔副梢強壯，2個副梢留雙果，一個副梢、中弱副梢留單果，無副梢的花序不留果。

3.以花序位置留果：在一個花序中，選留下部的1-2個果，其果柄長粗，能長成大果，果形標準。疏去花序上部的花果。

4.整棵協(xié)調(diào)布局：樹冠內(nèi)膛和下層適當(dāng)多留，外圍和上層少留;輔養(yǎng)枝多留，骨干枝少留;骨干枝中部多留，下部少留;盛果期樹背上枝多留，背后枝少留;花多樹弱時少留。

我們設(shè)計的機械手疏花蔬果末端執(zhí)行主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作;通過搖桿來控制手臂到達相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉多余的弱花和畸形果。視覺系統(tǒng)中設(shè)置了標準花果形態(tài)規(guī)格，機械手執(zhí)行器會根據(jù)視覺系統(tǒng)鏡頭對不合格的花果進行處理。疏花疏果的總體原則是：保證產(chǎn)量，提高品質(zhì)，選優(yōu)去劣，調(diào)節(jié)分布。

（四）套保護紙袋

1.紙袋的選擇

目前市場上梨紙袋種類繁多，應(yīng)合理選擇紙袋。不同的梨品種，在紙質(zhì)、紙層和顏色上均有不同要求。對紙袋的基本要求是：遮光度良好，經(jīng)風(fēng)吹雨淋后不易變形、不破損、不脫蠟，雨后易干燥，對梨果的不良影響小。袋的規(guī)格通常為寬14-16厘米，長18-19厘米，袋口中間有一半圓缺口，便于張開紙袋，袋口底部兩側(cè)有出氣孔，便于雨水流出，以免袋中積水。

2.套袋注意事項

（1）套袋順序：先套上部果，再套下部果，先套內(nèi)膛果，再套外圍果。

（2）綁扎松勁要適當(dāng)，不要用力過大，防止折傷果柄，拉傷果柄基部或捆扎絲扎得過緊影響果實生長或過松導(dǎo)致刮風(fēng)時果實脫落。

（3）袋口不能扎成喇叭口狀，以防積存雨水、藥物流入袋內(nèi)或病蟲進入袋內(nèi)，也不要把葉片套入袋內(nèi)。

（4）套袋時，通氣放水口一定要張開，果實一定要處于袋子中部。

（5）套袋期遇雨或藥后6天未套完者，應(yīng)重新細致噴藥。

（6）露水未干或藥液未干時不能套袋。

（7）梨果套袋最好全園、全樹套袋，便于套袋后的集中統(tǒng)一管理。若要部分套袋則要選擇初盛果期的中庸或中庸偏強樹，不要選擇老弱樹、虛旺樹、病樹、孤樹、風(fēng)口樹、小老樹。

我們設(shè)計的套袋執(zhí)行器為圓形手爪，在圓形手爪下面安裝一個底座用來裝紙袋;我們利用氣缸的伸縮來控制機械環(huán)形伸縮裝置。并且在執(zhí)行上安裝充氣裝置，避免袋口變形套袋失敗。在套袋前提前將袋充氣，使全袋膨膠起來，兩底角的出水氣孔張開。在袋口下2-3厘米處，套上果實，從中間向兩側(cè)依次折疊袋口，幼果懸空在袋中，不與袋壁貼附果實袋，應(yīng)捆綁在近果臺的果柄上部，注意應(yīng)將梨果置于袋中央部位，使之懸空，以防止紙袋摩擦果面而形成銹斑。綁口時不能把袋口綁成喇叭狀，以免積存藥液流入袋內(nèi)，引起藥害。每花序套1個果，1果1袋。我們在套袋執(zhí)行器的上方安裝扎口執(zhí)行器，當(dāng)套袋完成后對其封口進行扎口，扎口由鐵絲扎口釘通過對封口進行夾緊，鐵絲釘對其封口夾緊后完成自動套袋操作。

（五）在果樹成熟后去掉保護紙袋

梨果套袋后比不套袋梨果含糖量有所下降，采前除袋在一定程度上增加果實的含糖量，反而對果點和果皮顏色有較大影響，所以采前除袋降低了套袋改善果實外觀品質(zhì)的效果。因此，對于不需要著色的品種應(yīng)帶袋采收，等到分級時除袋，這樣可以防止果實失水、碰傷和果面的污染。

我們設(shè)計的機械手去保護袋末端執(zhí)行工具與疏花疏果執(zhí)行器為同一個，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作;通過搖桿來控制手臂到達相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉保護袋。

在果實成熟后有選擇性地采摘：

實商品化處理主要包括選果、分級、單包裝、裝箱等環(huán)節(jié)。

（1）選果時首先剔除病蟲果、畸形果、機械損傷果、小果、不符合衛(wèi)生指標果。分級按果實大小、形狀進行分級。

（2）單果包裝用于遠銷、冷藏的應(yīng)進行單果包裝，包裝材料選用網(wǎng)套、包裝紙等，袋梨果可不摘袋即作單果包裝。

（3）裝箱同一箱同一批采用同一等級果，同-箱中要求果實大小基本一致，放置時要求果實排列整齊、果梗側(cè)斜朝、層間用紙板隔開。

我們設(shè)計的采摘執(zhí)行器主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作;通過搖桿來控制手臂到達相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠剪下梨果的枝藤。在剪刀執(zhí)行器下方安裝柔性6爪執(zhí)行器，收集摘取的梨果后裝入收集箱。

（六）采摘后根據(jù)大小品質(zhì)自動分揀

梨外觀等級規(guī)格指標分為特等、一等、二等，要求充分發(fā)育，成熟，果實完整良好，新鮮潔凈，無異味、不正常外來水分、刺傷、蟲果及病害。色澤具有本品種成熟時應(yīng)有的色澤，果形端正比較端正可有缺陷，但不得有畸形果果面缺陷。

我們設(shè)計的自動分揀機械手執(zhí)行部，機械手設(shè)有6根柔性軟爪，主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制軟爪緊和松的動作;通過視覺相機對梨進行圖像采集，根據(jù)梨的大小通過視覺檢測系統(tǒng)對其進行分類，再通過自動分揀機械手執(zhí)行部將梨按照分類裝入到相應(yīng)規(guī)格收集箱中。

（七）分揀后自動套保護網(wǎng)

在梨采摘分揀后需要將梨套一層保護網(wǎng)，防止在運輸過程中磕碰對梨造成損壞。我們選擇的保護網(wǎng)為珍珠棉泡沫網(wǎng)材質(zhì)。保護網(wǎng)尺寸按照梨的規(guī)格選擇3款規(guī)格保護網(wǎng)，分別為：6x10cm、7x12cm、7x14cm。

我們設(shè)計的自動套保護網(wǎng)機械手執(zhí)行機構(gòu)，機械手設(shè)有4根弧形柔性軟爪，執(zhí)行部裝有翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。機械手根據(jù)機器視覺系統(tǒng)對梨的規(guī)格確定后，機械手選擇相應(yīng)尺寸的保護網(wǎng)后，執(zhí)行機構(gòu)移動到梨的上方，機械手4爪進行翻轉(zhuǎn)操作，將保護網(wǎng)套中梨后4爪再翻回完成套保護網(wǎng)操作。

（八）套網(wǎng)后自動計重裝箱：

自動計重裝箱操作主要是通過碼垛機械手將不同外形尺寸的包裝貨物，整齊、自動地碼（或拆）在托盤上（或生產(chǎn)線上等）。為充分利用托盤的面積和碼堆物料的穩(wěn)定性，機械手具有物料碼垛順序、排列設(shè)定器?？蓾M足從低速到高速，從包裝袋到紙箱，從碼垛一種產(chǎn)品到碼垛多種不同產(chǎn)品。應(yīng)用于搬運、碼垛等。

自動計重裝箱執(zhí)行器機械手采用6爪執(zhí)行器，為減少抓取起來的梨掉落，在機械執(zhí)行器手抓上面設(shè)有橡膠涂層，增大機械執(zhí)行器手爪與瓜類的摩擦力。并且我們在6爪執(zhí)行器上安裝了拉力傳感器，拉力傳感器會產(chǎn)生細微拉伸，通過拉力傳感器的細微拉伸距離從而判定梨的重量。

五、結(jié)語

在國內(nèi)，果樹種植在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占了很高的比例，而果品分揀僅僅局限于采用人工分揀，或?qū)⒐分饌€放置到載有托盤的傳動帶的分揀機上分揀，效率很低，且經(jīng)過多次轉(zhuǎn)運容易損傷果品。設(shè)計自動分揀系統(tǒng)中機械手執(zhí)行部，應(yīng)用在基于視頻智能識別的分揀系統(tǒng)中，可以大大降低工人的勞動強度，提高作業(yè)效率，為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新

參考文獻：

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