李 玲 ，顧曉宇

（齊齊哈爾工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

0 引言

機械臂作為一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常用的機械設(shè)備，具有較高的精確度和靈活度?，F(xiàn)有農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂將底座與爪臂組件設(shè)置為轉(zhuǎn)動關(guān)系，提高爪臂組件轉(zhuǎn)動的靈活性和自由性，同時，還將機械爪與爪臂之間設(shè)置為轉(zhuǎn)動關(guān)系，提高機械臂使用的自由度和靈活度，確保機械臂能夠靈活、自由地轉(zhuǎn)動和操作。在使用現(xiàn)有農(nóng)業(yè)采摘機機械臂時，需要移動爪臂組件，促使機械爪向指定位置進行穩(wěn)定移動，并借助機械手，快速抓取水果、蔬菜等農(nóng)作物，然后借助爪臂組件，將農(nóng)作物轉(zhuǎn)移到其他位置，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作穩(wěn)定、有序進行[1]。操作人員使用該機械臂進行水果、蔬菜等農(nóng)作物的采摘時，發(fā)現(xiàn)機械臂內(nèi)部的機械爪通過縮短兩個板塊之間距離，與農(nóng)作物材料接觸擠壓，完成對農(nóng)作物的抓取工作，但是，這種抓取方式無法實現(xiàn)對不規(guī)則農(nóng)作物的抓取，導(dǎo)致不規(guī)則農(nóng)作物因過于松動而出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，降低機械臂的應(yīng)用效果[2]。

為解決以上問題，本文設(shè)計了一種新型、先進的農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂，該機械臂內(nèi)板塊與農(nóng)作物接觸面之間設(shè)置若干個尖銳凸起，增大機械爪接觸擠壓不規(guī)則農(nóng)作物時的摩擦力，提高抓取農(nóng)作物的穩(wěn)定性與機械臂使用性能和效果[3]。所以，為解決現(xiàn)有農(nóng)業(yè)采摘機機械臂存在的不規(guī)則農(nóng)作物抓取不牢固、不規(guī)則農(nóng)作物易松動脫落等問題，強化對新型農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂的設(shè)計和應(yīng)用顯得尤為重要。

1 機械臂運行原理設(shè)計

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期間應(yīng)用農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂對水果、蔬菜等農(nóng)作物進行抓取移動時，首先，要確保底座處于穩(wěn)定啟動狀態(tài)，然后，借助底座靈活轉(zhuǎn)動和調(diào)節(jié)底座上的爪臂組件，確保機械爪穩(wěn)定地移動到農(nóng)作物所在位置，并利用機械爪成功抓取農(nóng)作物。其次，還要對電動伸縮桿進行正常啟動，不斷靠近和縮短固定在電動伸縮桿上的壓板距離，此時，安裝在壓板上的滑塊會沿著滑槽進行穩(wěn)定滑動，帶動滑塊上的限位板進行滑動，確保機械爪與農(nóng)作物表面相接觸和擠壓，與此同時，農(nóng)作物被擠壓于兩側(cè)加強板之間，從而提高壓板對農(nóng)作物的夾持效果，確保機械爪與農(nóng)作物之間形成較大的接觸面積，保證機械爪抓取農(nóng)作物的穩(wěn)固性，降低農(nóng)作物松動脫落的概率。應(yīng)用農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂，能夠大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率，從而幫助農(nóng)民獲得較高的經(jīng)濟收入，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平[4]。機械臂立體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機械臂立體結(jié)構(gòu)

2 機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進行農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將爪臂組件設(shè)置和連接于底座表面，將機械爪設(shè)置和連接于爪臂，而機械爪的表面設(shè)置和固定相應(yīng)的加固裝置。該加固裝置主要含有兩個安裝板，兩個安裝板分別連接和固定于機械爪的表面兩側(cè)，將兩個安裝板的截面設(shè)計為“L”形。將電動伸縮桿與兩個安裝板表面相連接，將壓板固定和連接于電動伸縮桿，將滑塊連接和固定于壓板的表面，將滑槽安裝和連接于兩個安裝板的表面位置，而滑槽內(nèi)壁安裝和連接滑塊，確?；瑝K沿著滑槽內(nèi)壁進行穩(wěn)定、可靠的連接。該機械臂結(jié)構(gòu)主要包含加固板、加強板、限位板、滑動裝置、穩(wěn)定槽、擋板等組成部分，接下來，對這些結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計。

2.1 加固板設(shè)計

將加固板安裝和固定于壓板表面與電動伸縮桿之間。該加固板所使用的材料為橡膠材料。通過安裝和設(shè)置加固板，可以增加壓板與農(nóng)作物之間的接觸面積和摩擦力，確保兩個壓板能夠穩(wěn)固、可靠地夾持農(nóng)作物，避免出現(xiàn)農(nóng)作物脫落的情況，使得機械臂使用性能得以最大化發(fā)揮[5]。加固裝置立體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 加固裝置立體結(jié)構(gòu)

2.2 加強板設(shè)計

采用傾斜設(shè)置的方式，將加強板安裝和固定于壓板表面兩側(cè)位置。通過設(shè)置加強板，可以確保壓板接觸擠壓農(nóng)作物時形成更多的接觸點，促使壓板表現(xiàn)出較高的夾持強度，使農(nóng)作物轉(zhuǎn)移變得更加穩(wěn)定化、流暢化[6]。

2.3 限位板設(shè)計

將限位板安裝和固定于滑塊的表面，將限位板截面設(shè)計成“U”形，將限位槽安裝和固定于滑槽的兩側(cè)，并將限位板的兩端分別連接和固定于兩側(cè)的限位槽，確保限位板沿著滑槽進行穩(wěn)定滑動。在電動伸縮桿的移動下，通過設(shè)置限位板，可以確保壓板能夠穩(wěn)定、流暢地移動，提高壓板穩(wěn)固性，避免因壓板晃動而導(dǎo)致抓取的農(nóng)作物松動或脫落，確保機械爪表現(xiàn)出穩(wěn)固、良好的抓取效果[7]。

2.4 滑動裝置設(shè)計

滑動裝置內(nèi)含有滑軌，滑動槽主要設(shè)置在滑軌表面，將底座表面與滑動槽進行穩(wěn)定連接，確?；瑒拥牧鲿承?。另外，還要將穩(wěn)定槽設(shè)置在底座的表面兩側(cè)，將穩(wěn)定桿設(shè)置和固定于滑槽內(nèi)壁，確保穩(wěn)定桿沿著穩(wěn)定槽進行穩(wěn)定、流暢的滑動[8]?；瑒友b置設(shè)置需達到的目的如下：應(yīng)用該機械臂抓取移動農(nóng)作物時，正常啟動和使用底座，此時底座沿著滑動槽進行穩(wěn)定、流暢的滑動，當?shù)鬃瑒拥街付ㄎ恢煤蠹纯赏Ｏ?，此時機械臂活動范圍不斷擴大，確保機械臂在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運行，這樣一來，不僅提升了機械臂的使用性能，還提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率[9]。滑動裝置立體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 滑動裝置立體結(jié)構(gòu)

2.5 穩(wěn)定槽設(shè)計

在設(shè)計穩(wěn)定槽時，將其截面設(shè)計為矩形，并結(jié)合穩(wěn)定桿的直徑和長度，對穩(wěn)定槽的尺寸進行科學設(shè)計，使其尺寸完全匹配于穩(wěn)定桿。通過科學設(shè)計穩(wěn)定槽，使其與穩(wěn)定桿的尺寸相適配，確保底座更加穩(wěn)定、可靠地滑動于滑動槽內(nèi)，避免底座出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，提高底座滑動的穩(wěn)定性，促使機械臂使用變得更加自由化、靈活化[10]。

2.6 擋板設(shè)計

將擋板設(shè)置和固定于滑軌的表面兩側(cè)，并結(jié)合滑動槽的大小，科學設(shè)置擋板的尺寸，確保兩者的尺寸相適配。通過科學設(shè)置擋板，可以實現(xiàn)對底座滑動距離的有效控制，確保底座能夠沿著滑動槽進行穩(wěn)定滑動，避免出現(xiàn)底座脫離滑動槽的現(xiàn)象，保證底座滑動的穩(wěn)定性和可靠性。

3 仿真驗證

在進行仿真試驗時，為測試機械臂抓取的精確度和自由度，對水果、蔬菜、花朵等農(nóng)作物進行模擬采摘。以某種果實為測試對象，農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂末端與果實之間接觸位置為距果實底部30 cm 處，利用單目視覺傳感器、三維農(nóng)業(yè)相機，對該機械臂進行運動學仿真分析。當機械臂末端直接接觸到果實時，在外力作用下，該機械臂始終保持平衡狀態(tài)。結(jié)合該機械臂實際作業(yè)情況，當進行物體抓取時，爪臂速度和角加速度始終保持不變。

該機械臂抓取目標物體時，如果定位精確度不高，會導(dǎo)致抓取目標物體失敗。為有效地分析和研究該機械臂對目標物體的定位精度，需將該機械臂與移動平臺放置在距離目標物體3 m 位置處，然后，研究和探討該機械臂與移動平臺所對應(yīng)的抓取誤差，發(fā)現(xiàn)其誤差被控制在0.01 mm 以下，該機械臂運用雙指夾持型設(shè)計模式，可以實現(xiàn)對目標物體的精確采摘。這說明本文所設(shè)計的農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂可以很好地適應(yīng)目標物體位置范圍，具有定位精確度高、抓取自由靈活等特點，能夠滿足農(nóng)業(yè)采摘機對水果、蔬菜等農(nóng)作物的抓取需求。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文針對采摘機運行期間出現(xiàn)果實識別不精確、抓取不牢固等問題，設(shè)計了一種先進、新型的農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂。該機械臂含有加固板、加強板、限位板、滑動裝置、穩(wěn)定槽、擋板等組成部分，可以實現(xiàn)對水果、蔬菜等農(nóng)作物的精確定位和穩(wěn)定抓取。為驗證該機械臂的穩(wěn)定性和可靠性，本文利用單目視覺傳感器、三維農(nóng)業(yè)相機，測試農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂的精確度和自由度。結(jié)果表明：該機械臂可以精確地定位水果、蔬菜等農(nóng)作物，并成功完成抓取動作，符合預(yù)期設(shè)計標準和要求。本文所設(shè)計的農(nóng)業(yè)采摘機多自由度機械臂具有較高的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景，為實現(xiàn)農(nóng)作物的機械化采摘、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率提供了重要的設(shè)備支持。