楊 娜，李秀平，黎騎強，李基有，張艷莉

（廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510507）

水果是人們生活中必不可少的食物之一，其中菠蘿是營養(yǎng)豐富的熱帶水果，品質(zhì)優(yōu)異、香氣誘人，具有口感獨特，富含大量人體所需的膳食纖維、有機酸、維生素及多種礦物質(zhì)等優(yōu)點[1]，營養(yǎng)價值較高，味道酸甜可口，深受消費者喜愛，市場需求量日益增大。菠蘿原產(chǎn)在南美洲熱帶高溫地區(qū)，目前約有90 個國家和地區(qū)種植，我國的菠蘿種植面積和產(chǎn)量約占世界總量的7%左右[2-3]，主要種植地區(qū)為廣西、云南、廣東、海南、福建和臺灣等[4]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們多樣化消費需求的日益增加，我國菠蘿消費量快速增長，伴隨北方市場的不斷開拓，菠蘿市場需求更加廣闊，我國的菠蘿種植面積與產(chǎn)量也在逐年增長。

采摘是水果生產(chǎn)鏈條中最耗時、耗力的環(huán)節(jié)之一。菠蘿采摘作業(yè)季節(jié)性強，勞動力密集，耗時費力，并且費用高，一般只有一個半月左右的收獲期，因此保證菠蘿適時采收、降低菠蘿采摘費用是果農(nóng)增收的重要途徑。我國菠蘿植株不僅高度不一，而且密度大，難以用統(tǒng)一的收割方式完成采摘，菠蘿一般生長在丘陵或山地環(huán)境中，地理環(huán)境較為復(fù)雜，并且菠蘿種植面積廣、產(chǎn)量相對較高，普通機械會對菠蘿植株造成損傷，成本高昂，菠蘿運輸車難以進(jìn)入及自由穿梭作業(yè)，容易損傷菠蘿托芽，給菠蘿的采摘收獲帶來難題與考驗，考慮到菠蘿采摘的復(fù)雜性，難以大規(guī)模采用自動化設(shè)備來完成采摘。目前國內(nèi)絕大部分的菠蘿采摘都采用人工方式進(jìn)行，而菠蘿的葉子邊緣有很多鋒利的鋸齒，菠蘿果皮堅硬且?guī)в忻⒋蘙5]，人工采摘有較高的體力和技能要求，不僅成本高昂，而且有可能劃破手指，降低了菠蘿采摘效率[6]。面對日益嚴(yán)重的勞動力緊缺和成本快速上漲問題，從多方面考慮，設(shè)計了一種菠蘿采摘機械手，可以實現(xiàn)菠蘿的高效采摘，既能避免采摘人員手部與菠蘿的長時間接觸，避免手被刺傷，又能提高菠蘿的采摘效率。

1 菠蘿采摘機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計的菠蘿采摘機械手工作時可由工作人員手持[7-8]，按下轉(zhuǎn)動軸電機按鈕，可以使轉(zhuǎn)動軸電機旋轉(zhuǎn)，調(diào)整菠蘿采摘機械手的姿態(tài)；按下推桿控制按鈕，可以驅(qū)動可伸縮推桿動作，從而帶動剪切刀片動作，剪切菠蘿果柄；按下復(fù)位按鈕，剪切刀片復(fù)位；在采摘菠蘿的過程中按下停止按鈕，采摘中止，通過控制器發(fā)送指令驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)完整菠蘿果實的自動化采摘。

菠蘿采摘機械手主要由控制器、剪切刀片、轉(zhuǎn)動銷、連桿、轉(zhuǎn)軸電機、可伸縮推桿、控制按鈕等組成，其大致結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。

圖1 菠蘿采摘機械手結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

為了完成菠蘿的采摘，考慮到菠蘿葉子上有鋒利的銳齒，菠蘿采摘機械手的設(shè)計與人工采摘類似，需要通過菠蘿采摘機械手前端的剪切刀片完成菠蘿的采摘。該菠蘿采摘機械手的剪切原理是通過控制器發(fā)送控制指令驅(qū)動電機動作，從而實現(xiàn)菠蘿果柄的剪斷，工作人員手持菠蘿采摘機械手，調(diào)整其姿態(tài)，轉(zhuǎn)動軸電機可以調(diào)整將剪切刀片移至菠蘿果柄處，可伸縮推桿可以控制連桿實現(xiàn)剪切刀片對菠蘿果柄的剪切[10]。

1.3 主要部件設(shè)計及功能分析

菠蘿采摘機械手的整體方案框圖如圖2 所示。在ARM9 控制器中實現(xiàn)PID 算法，ARM9 控制器通過RS232 串口發(fā)送指令給電機驅(qū)動器來驅(qū)動直流電機，直流電機附帶的旋轉(zhuǎn)編碼器測量電機的轉(zhuǎn)速，并且向ARM9 控制器輸出脈沖，該脈沖作為PID 算法的反饋輸入，ARM9 是電路核心部件，可以驅(qū)動菠蘿采摘機械手的轉(zhuǎn)動軸電機和可伸縮推桿，實現(xiàn)菠蘿采摘機械手電機旋轉(zhuǎn)和可伸縮推桿動作，從而帶動剪切刀片動作。

圖2 菠蘿采摘機械手整體方案框圖

1.3.1 控制器

嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低、成本低，是目前發(fā)展較快的信息類技術(shù)之一[11]，在使用時可以簡化整個電路控制系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。ARM 嵌入式系統(tǒng)可以直接調(diào)節(jié)輸出PWM 波的占空比和頻率，從而控制電機的運轉(zhuǎn)。ARM 嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電路和單片機控制的PWM 波形相比，效率、精度更高，響應(yīng)速度更好，成本更低，功耗較小[12]，ARM 處理器在操作性能方面具有非常大的優(yōu)勢，是高性價比嵌入式處理器的突出代表，具有非常好的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)深入到農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制、電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等各個領(lǐng)域，將來會應(yīng)用更加廣泛。菠蘿采摘機械手的控制器設(shè)計使用了基于ARM9 的核心處理器，ARM9 微處理在高性能和低功耗特性方面性能最佳。

1.3.2 連桿設(shè)計

因連桿所在平面與推桿鉸接處平面間距離較小，近似為平面四桿機構(gòu)，當(dāng)連桿繞轉(zhuǎn)動銷轉(zhuǎn)動一定角度時，連桿會帶動剪切刀片轉(zhuǎn)動，從而完成對菠蘿莖部的剪切。該過程能快捷剪斷菠蘿莖部，又能保證切口平整，這樣可以輕松地將菠蘿采摘下來，從而實現(xiàn)菠蘿的采摘[13]。

1.3.3 剪切刀片設(shè)計

剪切是將菠蘿在果柄處剪斷，是一個非常重要的動作，菠蘿采摘機械手剪切菠蘿果實的果柄，可以將果實與植株分離。菠蘿采摘機械手完成菠蘿果柄的剪斷需要刀片配合，采摘機械手最前端裝有剪切刀片，剪切刀片的運動形式有兩種，一種是刀片既有固定剪，也有活動剪，對菠蘿定位精度要求較高，否則會降低采摘效率；另一種是刀片都為活動剪，采摘菠蘿時比較靈活，由于菠蘿的果柄較短且粗，剪切刀片應(yīng)該選擇合理，如果采用平刃剪切刀片剪切果柄，可能會在剪切過程中出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，這樣就無法剪斷菠蘿果柄[14]，同時降低菠蘿采摘的效率，本設(shè)計采用兩刀片均為活動剪的鋸齒形剪刀片，如圖1 所示。菠蘿采摘機械手中的可伸縮推桿可以控制連桿實現(xiàn)剪切刀片對菠蘿果柄的剪切，采摘機械手可以可靠、穩(wěn)定地完成菠蘿采摘。

1.3.4 工藝流程

菠蘿采摘機械手能夠完成菠蘿的采摘，同時避免了對采摘者的傷害，該菠蘿采摘機械手工作時需要人工手持，減輕了工作人員的工作量，提高了菠蘿采摘的效率，提升了經(jīng)濟(jì)效益。菠蘿采摘機械手的操作工藝流程如圖3所示。

圖3 菠蘿采摘工藝流程圖

菠蘿種植地多為丘陵或者山地，田間的活動空間有限，考慮到菠蘿采摘現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境及對菠蘿的損傷，從目前菠蘿果園采摘機械發(fā)展的總體情況看，本文設(shè)計的菠蘿采摘機械手體型合適，機械結(jié)構(gòu)緊湊，可以靈活地在茂密的菠蘿地里完成采摘，能降低菠蘿果農(nóng)的采摘作業(yè)強度，減少菠蘿的損傷，提高采摘效率。

2 程序設(shè)計

2.1 PID算法設(shè)計

在過程控制中，PID（比例P、積分I 和微分D）控制是一種最常用的經(jīng)典過程控制方法，比較容易實現(xiàn)，適用范圍廣[15]，參數(shù)選定較為簡單，控制參數(shù)相互獨立，可以滿足大多數(shù)過程控制的響應(yīng)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性需求，PID 控制器也被稱為PID 調(diào)節(jié)器，是一種最優(yōu)控制，其參數(shù)整定方式簡便，根據(jù)不同需求，可以靈活改變其結(jié)構(gòu)，比如PI、PD、PID。為了保證菠蘿采摘機械手電機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，把比例、積分、微分三種作用組合起來，形成PID調(diào)節(jié)器，其基本傳遞函數(shù)為：

式（1）中，u（t）為控制器輸出，e（t）為控制器輸入，調(diào)整比例系數(shù)Kp、積分時間常數(shù)Ti、微分時間常數(shù)Td，可以使菠蘿采摘機械手電機控制系統(tǒng)動靜態(tài)穩(wěn)定。

2.2 ARM9程序設(shè)計

本設(shè)計采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PID 調(diào)節(jié)器的閉環(huán)負(fù)反饋進(jìn)行調(diào)速，ARM9 控制器接收直流電機附帶的旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的計數(shù)脈沖信號，作為PID 算法的電機速度檢測值參與計算，當(dāng)速度給定值與檢測值相等時，PWM 的占空比不變，當(dāng)速度給定值與檢測值不相等時，需要進(jìn)行PID 的參數(shù)整定，即整定參數(shù)Kp、Ti、Td，來調(diào)節(jié)PWM 的占空比，實現(xiàn)對電機速度的控制。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

ARM9控制器通過調(diào)節(jié)PWM 的占空比來控制每個電機的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對電路的導(dǎo)通與關(guān)斷；通過ARM9控制器的精準(zhǔn)控制，可以使直流電機穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)動速度滿足運行標(biāo)準(zhǔn)。在實際電機運行過程中，電機的啟動、停止和速度控制都由程序定義，如果要實現(xiàn)電機的速度控制，則需要改變PWM 信號的占空比，借助菠蘿采摘機械手上設(shè)置的按鈕，可以完成對菠蘿的采摘。

3 發(fā)展趨勢

3.1 便攜式菠蘿采摘機械手

菠蘿種植地的活動空間有限，如果設(shè)計的菠蘿采摘機械手質(zhì)量或者體積較大，工作人員在使用過程中會造成不便，嚴(yán)重影響菠蘿采摘的效率，因此菠蘿采摘機械手在設(shè)計時應(yīng)考慮體型大小、機械結(jié)構(gòu)輕便性，本文設(shè)計的菠蘿采摘機械手在滿足要求的前提下外形尺寸盡量小，質(zhì)量盡量輕，使用更方便，可以降低生產(chǎn)成本，減少果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，提升經(jīng)濟(jì)效益。菠蘿采摘機械手小型化有利于在茂密的菠蘿地里靈活作業(yè)，可以進(jìn)行實時調(diào)整與控制[16]，便攜的菠蘿采摘機械手，可以代替原有的人工采摘，又能防止菠蘿葉被損害，能有效提升菠蘿采摘效率、降低采摘成本，增強了該領(lǐng)域的農(nóng)用機械控制技術(shù)研發(fā)實踐力度，具備較高的推廣應(yīng)用價值。

3.2 自動化、智能化菠蘿采摘機械設(shè)備

隨著我國農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程不斷加快，農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)的應(yīng)用和推廣也在不斷地完善，機械化、自動化、智能化水平也得到了進(jìn)一步提高。由于菠蘿成熟后，葉片相互交錯，較難通過人工手段完成菠蘿的采摘，迫切需要借助自動化、智能化控制手段來實現(xiàn)菠蘿的自動化采摘。在實現(xiàn)菠蘿自動化采摘的過程中，可以實時監(jiān)控和準(zhǔn)確統(tǒng)計菠蘿的采摘角度和采摘力矩[17]，自動化、智能化的菠蘿采摘機械設(shè)備可以利用自動控制系統(tǒng)更精確地計算并靈活調(diào)節(jié)機械手的位置，以增加菠蘿采摘的成功率和降低菠蘿果實的損傷程度，盡量避免采摘機械設(shè)備損傷菠蘿表皮，智能化菠蘿采摘機械設(shè)備可以更加準(zhǔn)確地識別菠蘿的外觀狀態(tài)及成熟程度，從而為菠蘿的自動化采摘提供精準(zhǔn)判斷根據(jù)[18]。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對菠蘿的需求日益增加，菠蘿市場有很大的發(fā)展空間[19]，而我國菠蘿收獲大部分是人工采摘，采摘自動化程度較低，采摘作業(yè)復(fù)雜，工作量大，費用高，采摘效率低；由于菠蘿作物的特殊性，菠蘿的葉子邊緣有很多鋒利的鋸齒，果皮帶有芒刺[20]，人工采摘容易給采摘人員帶來傷害?？紤]到菠蘿生長的自然環(huán)境，以及在成熟時的生長狀態(tài)，從人性化和實用化的角度出發(fā)，設(shè)計了一種適宜田間作業(yè)的菠蘿采摘機械手，還可以與休閑農(nóng)業(yè)相結(jié)合，增強采摘人員的體驗感和趣味性，同時安全可靠，避免了人與菠蘿的直接接觸，減少各方面因素對操作人員的傷害，大大降低了采摘人員的工作強度，提高了采摘效率，提升了經(jīng)濟(jì)效益，采摘過程中菠蘿不受損傷，為菠蘿自動化采摘機的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)[21]。