全地形雙臂水果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘 要：為有效解決當(dāng)前采摘業(yè)面臨的勞動力短缺、低采摘效率及高雇傭成本等問題，提出了一種全地形雙臂水果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。該機(jī)器人集成了雙臂采摘裝置、果實(shí)識別系統(tǒng)、路徑識別系統(tǒng)等模塊。該機(jī)器人可以精準(zhǔn)識別果蔬位置，合理規(guī)劃采摘路徑，從而提高水果的采摘效率。為檢驗(yàn)機(jī)械臂連接裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足使用要求，對其進(jìn)行有限元分析。計(jì)算結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的連接裝置靜力學(xué)特性穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人可以提高采摘作業(yè)的效率，降低人力成本，對推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平具有重要的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；機(jī)械臂；全地形；路徑識別系統(tǒng)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）14-139-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.14.031

0 引言

傳統(tǒng)的水果采摘主要依賴人工，這一方法在歷史上對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著不可替代的貢獻(xiàn)。然而，隨著時間的推移，這種依賴人力的方式逐漸暴露出其局限性。一方面，這種方式不僅效率低下，而且勞動強(qiáng)度大；另一方面，這種方式對工人的身體健康也有一定影響。此外，由于城市化進(jìn)程的加速和人口老齡化的加劇，農(nóng)業(yè)勞動力短缺已經(jīng)成為一個全球性的問題［1］。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)和科技的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正逐步實(shí)現(xiàn)智能化、機(jī)械化和自動化。研發(fā)可靠的采摘機(jī)器人已成為許多人的共同愿望。王文杰［2］設(shè)計(jì)了一款可以控制底盤移動和升降的雙臂采摘機(jī)器人，利用K-means聚類算法提高了其采摘效率。趙源深［3］利用驅(qū)動控制系統(tǒng)和特征圖像融合技術(shù)對番茄進(jìn)行定位，提高了機(jī)器人的采摘精度和效率。鮑秀蘭等［4］設(shè)計(jì)了一種丘陵地形適用的柑橘采摘機(jī)器人，利用自適應(yīng)調(diào)平、視覺定位和特制執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)了高效采摘。這些采摘機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)取得了良好的效果，并為該領(lǐng)域后續(xù)的研究和發(fā)展提供了重要參考。

為解決采摘業(yè)當(dāng)前的勞動力短缺等問題，筆者擬開發(fā)一款全地形雙臂采摘機(jī)器人。該機(jī)器人結(jié)合履帶式車輪、機(jī)械臂、視覺識別系統(tǒng)、超聲波感應(yīng)系統(tǒng)和力傳感器等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對果實(shí)的精準(zhǔn)采摘。該技術(shù)的應(yīng)用將為高效率、低成本的采摘工作提供有效的解決方案。

1 工作原理及設(shè)計(jì)思路

1.1 工作原理

全地形雙臂水果采摘機(jī)器人由履帶式車體和雙采摘機(jī)械臂構(gòu)成，能夠全天候、全地形、全時段地進(jìn)行采摘工作，極大地提高了采摘效率。首先，機(jī)器人利用履帶式車體上的超聲波傳感器進(jìn)行路徑識別；然后，由果實(shí)識別系統(tǒng)篩選成熟果實(shí)；最后，由雙機(jī)械臂協(xié)同采摘，將成熟果實(shí)放入車體上的收集筐。當(dāng)收集筐的重量達(dá)到預(yù)設(shè)值后，機(jī)器人自動返回初始地點(diǎn)。此外，該機(jī)器人也可以人工操控。

1.2 整體設(shè)計(jì)思路

雙臂采摘機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，允許機(jī)器人的機(jī)械臂、傳感器系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等組件獨(dú)立且可更換。這種設(shè)計(jì)便于維護(hù)和升級，同時允許機(jī)器人根據(jù)作業(yè)需求快速調(diào)整配置。履帶式車輪使采摘機(jī)器人能夠應(yīng)對各種地形條件，包括在陡峭的山坡、泥濘的田地或不平整地面上穩(wěn)定移動。雙臂設(shè)計(jì)和機(jī)械臂的可拆卸性提供了適應(yīng)不同高度和角度采摘的靈活性。機(jī)器人配備超聲波和色標(biāo)傳感器，可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的精確感知。這些傳感器使機(jī)器人能夠識別成熟果實(shí)并規(guī)劃最佳采摘路徑。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人主要由機(jī)械手和移動平臺組成，其模型如圖1所示。機(jī)器人通過移動平臺上的裝置配合，能夠到達(dá)采摘位置。然后機(jī)械手采摘果實(shí)，放入車體內(nèi)，并最終返回初始位置。

2.2 采摘裝置設(shè)計(jì)

該機(jī)械手具有2個活動關(guān)節(jié)，具有很高的靈活性，使其能夠摘取不同位置的果實(shí)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該機(jī)械手前端夾具可替換，以適應(yīng)不同果實(shí)的摘取需求；配合高清攝像頭和力傳感器，可實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的采摘。為了使采摘機(jī)器人適用于不同環(huán)境并擴(kuò)大采摘范圍，機(jī)械手采用球坐標(biāo)式設(shè)計(jì)。機(jī)械手的關(guān)節(jié)數(shù)量可根據(jù)需要調(diào)整，以增加自由度并提高靈活性［5］。

該末端執(zhí)行器由夾具、執(zhí)行器、傳感器和連接裝置等4個部分組成。夾具直接與果實(shí)或植物接觸，并且可以根據(jù)不同的采摘需求選擇使用剪刀、采摘爪等工具；執(zhí)行器采用舵機(jī)驅(qū)動，負(fù)責(zé)驅(qū)動末端執(zhí)行器進(jìn)行上升、下降、旋轉(zhuǎn)等動作。傳感器在末端執(zhí)行器中扮演監(jiān)測角色，特別是力傳感器，與視覺算法結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)對果實(shí)成熟度的精確識別。連接裝置用來確保末端執(zhí)行器能夠與機(jī)器人臂同步運(yùn)動，從而完成復(fù)雜的采摘任務(wù)。

2.3 移動平臺設(shè)計(jì)

該移動平臺主要由履帶車輪和車架組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。履帶車輪由橡膠履帶、三角支架、驅(qū)動輪、支撐輪、漲緊輪、防側(cè)翻裝置和連接盤等組件構(gòu)成，這使得其能夠適應(yīng)各種地形，具有高通過性和穩(wěn)定性，從而大大擴(kuò)展了機(jī)器人的使用范圍［6］。車架配備超聲波傳感器，與履帶車輪協(xié)同工作，確保車體正常移動。車架內(nèi)部裝有2個果實(shí)收集筐，便于存放機(jī)械手采摘的果實(shí)［7］。車架最上方裝有狀態(tài)指示燈：故障時紅燈亮起，并伴有蜂鳴器響應(yīng)；機(jī)器正常運(yùn)行時，綠燈常亮；暫停工作時，黃燈常亮。這種狀態(tài)指示燈使工作人員能更好地觀察機(jī)器狀態(tài)，并及時進(jìn)行維修，有效降低機(jī)器報(bào)廢率。電池存放室位于車架中，為機(jī)械手提供電源，同時方便電池更換。

2.4 果實(shí)識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

色標(biāo)傳感器通過發(fā)射光源照射被測果實(shí)，并接收果實(shí)反射回的光線［8］。由于果實(shí)位于各個方位，為確保光源始終垂直于目標(biāo)物體，且接收器與物體成銳角，該色標(biāo)傳感器配備高清攝像頭外殼，可以進(jìn)行不同方位的旋轉(zhuǎn)，以確保只檢測來自目標(biāo)物體的散射光，避免接收直射反射光。接收器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過信號處理電路進(jìn)行分析。根據(jù)分析后的信號強(qiáng)度，色標(biāo)傳感器識別反射光的顏色特征，然后通過輸出接口發(fā)送控制信號，引導(dǎo)機(jī)械手采摘成熟果實(shí)。

2.5 路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

超聲波感應(yīng)器由發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器產(chǎn)生超聲波信號，接收器接收反射信號。利用這一過程進(jìn)行距離測量、定位和障礙物識別，以實(shí)現(xiàn)車體的自動移動［9］。超聲波感應(yīng)器具有高精度、強(qiáng)抗干擾能力和低成本的特點(diǎn)。該機(jī)器人車體配備了2個超聲波感應(yīng)器，可提高車體前后移動的靈活性。

3 關(guān)鍵零件有限元分析

有限元分析是一種數(shù)值方法，用于簡化復(fù)雜問題，可將問題分解為小的、易于求解的子問題。該采摘機(jī)器人具有高計(jì)算精度和適應(yīng)復(fù)雜形狀的能力。在采摘機(jī)器人中，機(jī)械手與夾具之間的連接裝置發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，利用Solidworks三維軟件對連接裝置進(jìn)行有限元分析，對提高采摘機(jī)器人的耐用性和性能至關(guān)重要［10］。

連接裝置在正常工作時受到夾具和機(jī)械手的影響，其基本屬性如表1所示。

經(jīng)過計(jì)算可以得到連接裝置的應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖4所示。

應(yīng)力云圖顯示連接裝置的最大應(yīng)力位于中心位置，最大應(yīng)力為252 MPa，低于合金鋼的張力強(qiáng)度。位移云圖顯示，連接裝置零件的最大位移出現(xiàn)在連接夾具處，最大位移為0.335 8 mm，且位移變化保持在合理范圍內(nèi)。因此，所設(shè)計(jì)的連接裝置符合正常工作條件下的強(qiáng)度要求和設(shè)計(jì)規(guī)范。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一款全地形雙臂采摘機(jī)器人，旨在提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化與智能化水平。通過整合先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)、精確的自動化控制算法和智能感知決策系統(tǒng)，使得機(jī)器人能在復(fù)雜地形中高效、精確地采摘水果。為檢驗(yàn)機(jī)械手與夾具之間的連接裝置是否滿足強(qiáng)度要求，對其進(jìn)行有限元分析。有限元計(jì)算結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的連接裝置結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，滿足使用要求。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人展現(xiàn)出卓越的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)各類果園的多變地形和環(huán)境；其雙臂協(xié)同工作機(jī)制提升了采摘效率，同時減少了果實(shí)損傷。由此可見，該設(shè)計(jì)對提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化和智能化水平具有重要意義。

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