摘要：借助采摘機器人代替空余勞動力的方法被更廣泛應用。因此，提出采摘機器人機械手臂機電一體化設計。對采摘機器人機械手臂的機電一體化結構設計：設計基于機電一體化的機械手臂底座，同時，設計機械臂農(nóng)作物識別傳感器，完成采摘機器人機械手臂機電一體化設計。

關鍵詞：機器人;機械手臂;機電一體化

1、研究背景

我國作為一個農(nóng)業(yè)國家為了促進農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械化、自動化與智能化是實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，并成為農(nóng)業(yè)發(fā)展力量的必要條件。近年來，隨著我國自動控制和機械臂技術的迅速發(fā)展，機械臂從工業(yè)領域逐漸滲透到農(nóng)業(yè)領域。農(nóng)業(yè)機械臂能夠滿足采摘的要求成為關鍵技術之一。在收獲的時候，采摘需要大量的人力物力資源，并且效率不高。水果富含營養(yǎng)，對人體有很多好處，人們對水果的需求與日俱增。因此，水果種植面積逐漸增加，而采摘是種植過程中最耗時的，所以水果采摘機械手臂的設計具有重要意義。

2、采摘機器人機械手臂的機電一體化結構設計

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。機械臂的大臂和小臂之間的結構采用平行四邊形連接方式，比起傳統(tǒng)方式的矩形結構，平行四邊形的機械臂的水平和垂直運動的靈活性更好。[1]如圖1所示。

機械手臂的啟動設備中增加離合器，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構會消除空氣阻力，加快機械臂的運動速度。

3、水果采摘機械手臂的設計方案

日常生活中水果的種類繁多，每種水果的生產(chǎn)環(huán)境有所不同，果樹的高度也有所不同。本文主要研究關于蘋果等水果類采摘智能機械手臂的研究。本機械手臂主要包括兩部分，分別是兩自由度的移動載體和四自由度的機械手臂。機械手臂的第一自由度控制機械手臂底座的轉(zhuǎn)動，二三自由度控制機械手臂伸展，第四自由度控制機械爪的張開與閉合。[2]機械手臂的結構簡圖及傳動簡圖如圖2、圖3所示。

4、采摘機械手臂底座設計

機械臂靈活的移動范圍相對較小，這就導致了機械臂在果園中無法自由移動去采摘果實，為了解決這一問題，可以設計一個可移動的機械臂底座，以增加機械臂的靈活性，適用于果園摘果。蘋果果實的生長地面一般不平坦。因此，所選的機械臂應該能夠在各種路面上前進，以方便后續(xù)采摘移動。因此，可以選用履帶式車輪、平板式車架，這使得機械臂的運動平穩(wěn)，容易固定。

5、采摘機械臂結構設計

根據(jù)機械手臂工作時動作形態(tài)中坐標形式的不同，農(nóng)業(yè)機械手臂可分為以下四種：圓柱坐標型、直角坐標型、極坐標型和多關節(jié)型。

1）圓柱坐標型。該類機械手臂的工作范圍是一圓柱體，它是由轉(zhuǎn)動關節(jié)和移動關節(jié)組成的機械臂，結構比較簡單。它主要是由垂直柱子、水平移動關節(jié)和底座構成。這類機械手臂的水平移動關節(jié)裝在垂直柱子上，能自由伸縮，并可沿垂直柱子上下運動;垂直柱子安裝在底座上，并與水平移動關節(jié)一起繞底座轉(zhuǎn)動。圓柱坐標型機械手臂的特點有：占地面積比較小，活動范圍比較大，結構比較緊湊，定位精度比較高等。但是，靈活度比較差是圓柱形機械手臂的主要缺陷。

2）直角坐標型。直角坐標系末端執(zhí)行器的工作位置是由三個相互垂直的并且做直線運動的軸來確定的。這種機構比較簡單，適合自由度要求不多的機械手臂，由于三軸互相垂直，可以當成空間直角坐標系來看，所以這一類的機械臂定位都是很精確的。但是這類機械手占地空間比較大，靈活性不好，如果用在農(nóng)業(yè)上會存在一定局限性。[3]

參考文獻：

[1] 羅昕.機電自動化控制系統(tǒng)的一體化設計[J]. 南方農(nóng)機，2020.

[2] 申永勝.機械原理教程[M]3版.北京：清華大學出版社，2018.

[3] 成理鵬，張繼光，李春雪.一種水果采摘機的結構及功能設計[J].南方農(nóng)機，2018.

作者簡介：夏明（1996.05-），山東交通學院本科學生，指導老師：李光。92391A63-24D9-4CB8-991C-12C615E30BB5