劉鴻宇

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 湖南長(zhǎng)沙 410012）

0 引言

葡萄在國(guó)內(nèi)種植品種約800 種， 種植面積約60 公頃，采摘?jiǎng)趧?dòng)力需求大。我國(guó)人口老齡化和農(nóng)村勞動(dòng)力流失日益嚴(yán)重，迫切需要葡萄采摘自動(dòng)化。 鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)不斷實(shí)施，人們不斷深入探索采摘自動(dòng)化。當(dāng)前學(xué)者對(duì)葡萄采摘自動(dòng)化研究如下， 日本岡山大學(xué)Monta 等[1]針對(duì)棚架種植設(shè)計(jì)了基于激光掃描識(shí)別的5自由度葡萄采摘機(jī)器人；李慧鵬等[2-3]針對(duì)葡萄采摘機(jī)自然環(huán)境下采摘點(diǎn)定位困難問題，對(duì)葡萄、葡萄果梗識(shí)別和采摘點(diǎn)定位問題進(jìn)行了研究；楊皓天等[4]針對(duì)機(jī)械臂藤蔓避障問題， 進(jìn)一步優(yōu)化完善了藤蔓干涉情況的數(shù)據(jù)計(jì)算與分析能力；單海勇等[5-6]以葡萄采摘機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，向讀者展示了各自的葡萄采摘實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)。 當(dāng)前學(xué)者針對(duì)葡萄、葡萄果梗識(shí)別的研究較多、且大多理論已較成熟，但采摘機(jī)構(gòu)的研究多為針對(duì)大型葡萄種植基地的大型采摘機(jī)，針對(duì)中小型葡萄種植戶的小型自動(dòng)化葡萄采摘機(jī)研究較少。針對(duì)以上研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一款適用于中小型葡萄種植戶的基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機(jī)， 實(shí)現(xiàn)了葡萄采摘、封裝和運(yùn)輸一體化操作，提高了采摘效率、降低了勞動(dòng)成本。

1 智能葡萄采摘機(jī)整體設(shè)計(jì)

本文基于現(xiàn)代智能識(shí)別技術(shù)和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作模式，設(shè)計(jì)了一款基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機(jī)（下文簡(jiǎn)稱“智能葡萄采摘機(jī)”）。智能葡萄采摘機(jī)主要包括葡萄的采摘系統(tǒng)、封裝系統(tǒng)、分裝系統(tǒng)、行進(jìn)系統(tǒng)、掉落收集系統(tǒng)和視覺定位系統(tǒng)6 部分。 基于MBD （Model Based Design）技術(shù)，應(yīng)用Solidworks 三維建模軟件設(shè)計(jì)的智能葡萄采摘機(jī)如圖1 所示。

圖1 葡萄采摘機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

該智能葡萄采摘機(jī)工作原理如下：首先，在雙目視覺系統(tǒng)2 確定采摘葡萄位置后， 主控系統(tǒng)控制行進(jìn)系統(tǒng)16、左運(yùn)輸臂4 和右運(yùn)輸臂7 的動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)采摘姿態(tài)調(diào)整；其次，塑料袋供給裝置17 將空塑料袋6 安裝在袋裝裝置5，并沿著左運(yùn)輸臂4 運(yùn)動(dòng)到采摘葡萄下方，同時(shí)展開空塑料袋6 做收集準(zhǔn)備；再次，塑料袋裝滿葡萄后，夾持裝置12 將裝葡萄的塑料袋從袋裝裝置5 轉(zhuǎn)移到右運(yùn)輸臂7，并沿著右運(yùn)輸臂7 運(yùn)動(dòng)到采摘機(jī)的主體倉1內(nèi)，通過主體倉內(nèi)壁上的封口裝置13 利用鋁釘將裝有葡萄的塑料袋封口；最后，收集裝置14 運(yùn)動(dòng)到夾持裝置12正下方，夾持裝置12 張開后裝葡萄的塑料袋掉落到收集裝置14 中， 并將葡萄存放到存放裝置15 實(shí)現(xiàn)葡萄的存放操作。

2 智能葡萄采摘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 采摘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采摘系統(tǒng)包括采摘機(jī)械臂、左運(yùn)輸臂、袋裝裝置和塑料袋供給裝置4 部分。 采摘機(jī)械臂采用帶剪子的6 自由度機(jī)械臂， 末端執(zhí)行器上的剪子用于實(shí)現(xiàn)葡萄與藤蔓的分離。 左運(yùn)輸臂是設(shè)有橡膠軌道的環(huán)狀支撐臂，安裝有2個(gè)袋裝裝置可以沿著橡膠軌道運(yùn)動(dòng)。 左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)可驅(qū)動(dòng)左運(yùn)輸臂實(shí)現(xiàn)傾斜角度調(diào)整。

袋裝裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示， 空塑料袋安裝在袋裝裝置后，左、右固定夾持器閉合實(shí)現(xiàn)塑料袋的固定操作。 伸縮吸盤吸附住靠運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌側(cè)的塑料袋外側(cè)后， 伸縮吸盤與左、右固定夾持器同時(shí)向著運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌中間方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)塑料袋的展開操作。

圖2 袋裝裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

封裝系統(tǒng)包括右運(yùn)輸臂、 夾持裝置和封口裝置3 部分。右運(yùn)輸臂側(cè)面設(shè)有橡膠軌道，臂上安裝有1 個(gè)夾持裝置可沿橡膠軌道運(yùn)動(dòng)。 右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)可驅(qū)動(dòng)右運(yùn)輸臂實(shí)現(xiàn)傾斜角度調(diào)整。

夾持裝置用于實(shí)現(xiàn)葡萄從袋裝裝置到右運(yùn)輸臂的轉(zhuǎn)移，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，是一個(gè)可在X 方向、Z 方向運(yùn)動(dòng)的2 自由度機(jī)械臂。

圖3 夾持裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 分裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分裝系統(tǒng)包括葡萄的收集裝置、存放裝置2 部分，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。 前、后橫向絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)使葡萄接收筐沿X方向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向位置調(diào)節(jié)， 縱向絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)使葡萄接收筐沿Y 方向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)縱向位置調(diào)整。 前/后橫向絲桿、縱向絲桿驅(qū)動(dòng)葡萄接收筐運(yùn)動(dòng)到右運(yùn)輸臂上的夾持裝置下方，夾持機(jī)構(gòu)展開將葡萄放置到葡萄接收筐中；前/后橫向絲桿、 縱向絲桿再驅(qū)動(dòng)葡萄接收筐運(yùn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)葡萄存放格上方，打開底板將葡萄放到存放格實(shí)現(xiàn)分裝操作。

圖4 葡萄分裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 行進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

行進(jìn)系統(tǒng)采用履帶式行進(jìn)機(jī)構(gòu)， 在主動(dòng)軸兩端都設(shè)有結(jié)構(gòu)一樣的行星差速結(jié)構(gòu)。主動(dòng)電機(jī)使主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)左、右主動(dòng)軸圓錐齒作等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)左、右動(dòng)力輸出軸作等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)直線運(yùn)動(dòng)； 差速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使左、 右差速輸出軸作等速反向轉(zhuǎn)動(dòng)， 進(jìn)而使左、右差速行星輪作等速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致左、右動(dòng)力輸出軸出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

3 智能葡萄采摘機(jī)仿真分析

3.1 智能葡萄采摘機(jī)系統(tǒng)仿真

智能葡萄采摘機(jī)系統(tǒng)仿真主要驗(yàn)證采摘機(jī)的葡萄采摘、封裝、運(yùn)輸功能，智能葡萄采摘機(jī)的采摘流程如圖5所示。

圖5 智能葡萄采摘機(jī)的采摘流程圖

對(duì)采摘、封裝和運(yùn)輸一體化采摘過程進(jìn)行仿真。 在一次采摘過程中，極限采摘工況（采摘機(jī)械臂處于最大打開狀態(tài)，完成葡萄采摘、裝袋并運(yùn)至左后方的存放格中）下的目標(biāo)葡萄串的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6 所示。

圖6 目標(biāo)葡萄串的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

3.2 主要零部件分析校核

智能葡萄采摘機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用市面上的成熟產(chǎn)品進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，具備較大的安全設(shè)計(jì)余量，因此不再進(jìn)行力學(xué)分析校核， 主要對(duì)自制零部件葡萄接收筐進(jìn)行校核分析。

葡萄接收筐作為葡萄分裝過程的主要承載部件，按照滿載葡萄狀態(tài)（約1.5kg）開展力學(xué)分析校核，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)葡萄接收筐擋板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 最后對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析校核。 結(jié)果表明：最大應(yīng)力為48.3MPa，遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)材料304 不銹鋼的屈服強(qiáng)度（205MPa）；最大變形僅為0.57mm，滿足剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機(jī)， 詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的基本原理與各個(gè)功能分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)仿真了采摘機(jī)的葡萄采摘、封裝、運(yùn)輸功能， 輸出目標(biāo)葡萄串的運(yùn)動(dòng)軌跡， 并基于ANSYS Workbench 軟件對(duì)主要受力部件開展分析校核，對(duì)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及材料選型進(jìn)行驗(yàn)證分析。該系統(tǒng)可自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)采摘、封裝和運(yùn)輸?shù)囊惑w化操作，具有較強(qiáng)的工程實(shí)施價(jià)值，相對(duì)于傳統(tǒng)人工采摘的方式，能有效提高采摘效率、降低采摘人力成本， 對(duì)提高葡萄采摘自動(dòng)化水平有十分重要的意義，同時(shí)可以為其他類似自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。