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1、機械系統(tǒng)設計——葡萄采摘機 一、 立題依據(jù) 1、研究目的及意義 設施農業(yè)已成為農業(yè)增效和農民增收最直接、 最有效的途徑之一， 但溫室內 工作環(huán)境惡劣， 急需開發(fā)相關的機械化作業(yè)裝備。 溫室內的茄果類和瓜果類的年 栽培期可長達 9 個月以上，采摘勞動強度大， 非常有必要開發(fā)該類果蔬的采摘機 器人，特別是其利用率遠遠高于大田或果園的果蔬自動化采摘裝備， 經濟效益顯 著，更有可能率先得到應用。 使用農業(yè)機器人可以提高勞動生產率， 解決勞動力 的不足，可以改善農業(yè)生產環(huán)境， 防止農藥、 化肥等對人體的傷害， 同時提高作 業(yè)質量。 機器人應用于農業(yè)生產中， 特別是設施農業(yè)生產過程， 是農業(yè)生產向自

2、 動化和智能化發(fā)展的標志。 2、葡萄采摘機國內外發(fā)展現(xiàn)狀 最早的機械采摘方法是采用機械振搖式和氣動振搖式， 但果實容易損壞， 效 率不高， 而且容易摘到不成熟的果實。 隨著科學技術的發(fā)展， 農業(yè)機器人在同外 迅速發(fā)展起來。自從20世紀60年代（1968年）美國人Schertz和Brown提出用機 器人采摘果實之后，對采摘機器人的研究受到廣泛重視。 1983 年第一臺采摘機 器人在美國誕生，在以后 20多年的時問里，日本及歐美等國家相繼研究了采摘 蘋果、柑橘、番茄、葡萄和西瓜等的智能機器人。 我國采摘機器人的研究起步雖 然比較晚，但目前也逐步發(fā)展起來 如中國農業(yè)大學的張鐵中等人對草莓收獲機 器

3、人進行了試驗性的研究，東北林業(yè)大學的陸懷民研制了林木球果采摘機器人， 上海交通大學正在進行黃瓜采摘機器人的研究等。 目前，比較典型的有番茄采摘 機器人、草莓采摘機器人、葡萄采摘機器人及林木球果采摘機器人等。 采摘機器人作為農業(yè)機器人的一種類型，目前在日本、美國、荷蘭等國家 已有研制和初步使用，主要用于采摘番茄、黃瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、蘋 果、柑桔、甘藍等蔬菜和水果，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α? 日本岡山大學研制出了一種用于果園棚架栽培模式的葡萄采摘機器人，如 圖 5 所示。葡萄采摘機器人的機械部分是一只具有 5 個自由度的極坐標機械手， 末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運動， 能夠有效地工作。

4、 視覺傳感器一般采用 彩色攝像機，若采用 PSDj 維視覺傳感器效果會更佳，可以檢測成熟果實及其距 離信息的三維信息。由于葡萄采摘季節(jié)很短，單一的采摘功能會使機器人的使用 效率降低，為提高其使用率，可更換不同的末端執(zhí)行器，以完成葡萄枝修剪、 套 袋和藥物噴灑等作業(yè)。 圖5葡萄采摘機器人 研究方案 采摘機器人形式多樣，但主要由機械手、末端執(zhí)行器、視覺系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)與行走系統(tǒng)等部分組成。本文對采摘機械手機構設計與工作性能進行了分析。 1、 視覺傳感器 視覺是人類最重要的感覺之一，人們從外界環(huán)境獲取的信息中，百分之七十 以上是由視覺完成的，因此視覺信息處理是當前信息研究的核

5、心任務之一， 機器 人視覺就是給機器人裝上視覺傳感器， 模擬人的視覺功能，從圖像或圖像序列中 提取信息，對客觀世界進行形態(tài)識別，使機器人完成許多艱巨的任務。 視覺傳感 器主要由彩色攝像機來尋找和識別成熟的葡萄， 利用雙目視覺方法對目標進行定 位。收獲時，由視覺系統(tǒng)計算采摘目標的空間位置， 接著采摘機械手移動到預定 位置，進行采摘。 2、 采摘機械手機構設計 （1）機械臂基本結構 根據(jù)項目方案書，采摘作業(yè)對象為溫室栽培，果實高度基本分布在離地高 度200. 1400mm的位置。機械臂安裝在移動小車上，在小車上的安裝位置離地 高400mm左右。 綜合考慮了機械臂的操作空間、冗余空間、姿

6、態(tài)靈活性等因素，決定采用 5旋轉自由度及一移動自由度的方案，為便于研究和表述，現(xiàn)對機械臂各部分結 構名 稱作統(tǒng)一規(guī)范，依據(jù)人手臂分別命名為腿部，軀干，大臂，小臂，關節(jié)部 分根據(jù)關 節(jié)軸線方向相應命名為移動，腰扭，肩轉，肘轉，腕轉和腕扭，如圖 所示。 （2）、運動控制系統(tǒng) 目前主流的采用PC作為主控器的運動控制方式有以下兩種： 1采用插在 PC上運動控制卡對電機進行控制。2.采用CAN總線的方式來對節(jié)點上的電機 進行控制。前者成本高，控制精度高，實時性能好，多用于高精密的數(shù)控加工系 統(tǒng)，但是可擴展性差，一般購買的運動控制卡都有控制軸數(shù)的限制， 如果控制軸 數(shù)的增加會導致成且成本

7、低，在控制精度、實時性、同步性上也都能夠達到要求。 因此采用方案2對電機進行控制。其硬件組成包括通用PC機或工控機，基于PCI 總線的高性能的 ZLG-PCI5 110 Aceelnet Micro Micro Module CAN 卡、Copley Panel和Copley StepNet伺服驅動器，直流有刷電機安裝了 HEDL 5540型500線 光電編碼器、步進電機則直接用脈沖數(shù)來控制位置，機械臂的整體控制系統(tǒng)結構 圖如圖所示。 祥 PCI$ "CAN~ 接口卡 電機及 編碼器 騾動器 編碼器 丙機及 編碼器 機械臂本體 其它驅動器 與設備… 圖5J機械臂

8、控制系統(tǒng)結柯圖 3、末端執(zhí)行器 葡萄采摘機械手進行采摘作業(yè)時， 末端執(zhí)行器模擬人手采摘動作，抓住果實, 完成果實與花梗分離，需要手腕通過繞j軸旋轉和繞i軸回轉來實現(xiàn)。下圖為葡 萄采摘機械手手腕關節(jié)形式： 1 ?機械手末桿關節(jié)2?末端執(zhí)行器3?采摘冃標 葡萄采摘屬于小漿作業(yè)，采摘過程中避免損傷果實也是設計過程中我們必 須考慮的重要問題。運用 “復合材料”原理，可以采用柔軟的復合材料作為末 端執(zhí)行器的材料，這樣操作起來比較麻煩。為了解決這個問題，可以設計一種裝 置，在收獲時不直接接觸果實本體，執(zhí)行器對果梗進行作業(yè)，摘落的果實在裝在 末端執(zhí)行器端部的小型抽風機的作用下，回收到回收裝置

9、（設想軟質袋子），再由 人工定時更換回收裝置，即可完成采摘。 圖6 收獲末端執(zhí)行器 三、總結 (1) 采摘機械手機構設計是機器人設計的關鍵環(huán)節(jié)，機構設計合理與否是影 響機器人的工作效率和工作性能的重要因素。 (2) 機械手機構的工作性能指標是評價機器人工作性能的主要參數(shù)。分析影 響其性能指標的運動參數(shù)和結構參數(shù)，進行參數(shù)優(yōu)化，是改善機器人工 作性能的有效途徑。 (3) 機械手的性能指標研究是冗余度機械手運動參數(shù)合理選擇的依據(jù)，對機 械手逆運動學研究具有重要意義。 (4) 隨著農業(yè)種植模式的逐步規(guī)范化，果實采摘機器人必將具有廣闊的應用 前景。為提高工作效率和改善機械手性能，結

10、合具體的工作要求和工作 對象特性，采摘機械手機構設計、性能優(yōu)化等方面仍有待于進一步深入 研究。 參考文獻 : 1、胡挺。論文《果蔬采摘機器人機械系統(tǒng)設計與關鍵技術研究》 。 2、梁喜鳳，苗香雯，崔紹榮，王永維， 《果實采摘機械手機構設計與工 作性能分析》，農機化研究所 2004年 3月。 3、劉繼展 李萍萍 李智國《番茄采摘機器人末端執(zhí)行器的硬件設計》 ， 農業(yè)機械學報， 2008年 3月。 4、王麗麗，郭艷玲，王迪，劉幻《果蔬采摘機器人研究綜述》 ，林業(yè)機 械與木工設備第 37卷 第 1期2009年 1月。 5、王麗麗 陳廣勝 趙 輝《基于 TRIZ 理論的藍莓采摘機器人設計》 ，東 北林業(yè)大學學報 2009年 6 月。