花卉采摘機械手末端執(zhí)行器及控制方案的設(shè)計

殷紅梅，王 迪，呂 力

（1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.淮安市高級職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 淮安 223005）

0 引言

隨著花卉養(yǎng)殖用途的不斷推廣，人們對于花卉的需求的不斷提高，花卉已經(jīng)成為人們提高生活質(zhì)量，改善生活環(huán)境的一個重要用品。以玫瑰為例，采摘的玫瑰可以用在高級香水、醫(yī)藥、食品、化妝品、香精、香料、及工藝品。由于國內(nèi)很多地區(qū)受氣候條件的限制，環(huán)境的約束以及玫瑰制作流程較為緩慢等問題，滿足不了市場的需求。目前，花卉采摘主要還是采用人工勞作，每到花卉收獲時節(jié)，都有大批農(nóng)業(yè)勞動者加班加點、不分晝夜的搶抓時間，勞動強度大，效率低，且不可避免的存在花卉擠損的問題，成本高。因此，研制一種中小型花卉采摘機便有著迫切的需要。其中末端執(zhí)行器作為終端執(zhí)行部件是采摘機械書的核心構(gòu)件。本文即是涉及專門針對以玫瑰花為主要花卉采摘對象的機械手末端執(zhí)行機構(gòu)，具有良好的研究價值與市場前景。

1 末端執(zhí)行器設(shè)計

本文設(shè)計開發(fā)一種花卉采摘機械手的末端執(zhí)行機構(gòu)，該機構(gòu)以玫瑰花為主要采摘對象，設(shè)計專用花卉抓取、包納、剪切構(gòu)件，采用氣動驅(qū)動控制實現(xiàn)張合。采用萬向節(jié)連接執(zhí)行器與機械手，實現(xiàn)多方向位置變換，采用直流力矩電機實現(xiàn)末端執(zhí)行器的動作驅(qū)動。末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，機械手簡化示意圖見圖2。

圖1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 機械手簡化示意圖

圖3 齒輪齒條嚙合示意圖

該機構(gòu)解決方案是：設(shè)計抓取切割球形薄型槽爪，在氣缸與連接法蘭的連接下通過齒條狀活塞桿與扇形齒輪的嚙合進行張合，詳見圖3，末端執(zhí)行器工作位置垂直向下，閉合時槽爪包納被采摘花卉，其邊緣的圓弧形刀片同時實現(xiàn)花梗切割動作。采用萬向節(jié)實現(xiàn)末端執(zhí)行器與機械臂的連接，在直流力矩電機的驅(qū)動下，末端執(zhí)行器進行轉(zhuǎn)動至機械臂末端花卉存儲槽位置，松開薄型槽爪，花卉落入存儲槽內(nèi)。末端執(zhí)行器返回至垂直向下位置繼續(xù)工作。

在二號關(guān)節(jié)臂上設(shè)計固定逆止閥存儲槽，關(guān)節(jié)臂工作位置向上時，逆止閥處張開狀態(tài)，花卉順利落入存儲槽；關(guān)節(jié)臂工作位置向下時，逆止閥自動關(guān)閉，以免花卉在重力作用下掉落。在二號關(guān)節(jié)臂存儲槽上安裝重量傳感器，實時記錄被采摘花卉重量，以便及時回收花卉，記錄收獲成果。

切割刀片為圓弧形涂層硬質(zhì)合金刀具，通過螺栓機夾在置刀槽中，為可更換刀片。

末端執(zhí)行器與機械臂采用十字型萬向節(jié)進行連接，靈活度好，活動范圍大，可實現(xiàn)末端執(zhí)行器至存儲槽的180°無障礙旋轉(zhuǎn)。末端執(zhí)行器選用直流力矩電機，反應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速波動小，機械特性與調(diào)節(jié)特性線性度好。

2 末端執(zhí)行器控制方案

圖4 末端執(zhí)行器控制方案原理圖

末端執(zhí)行器控制方案原理如圖4 所示。末端執(zhí)行器控制方案如下：①PLC 控制器發(fā)出啟動信號，直流力矩電機接收信號通過機械傳動驅(qū)動末端執(zhí)行器向下進給至花卉位置；②PLC 控制器繼續(xù)發(fā)出信號完成以下動作，開啟氣缸，推動氣缸內(nèi)活塞進行運動，促使球形薄型槽型爪張開，瞬間閉合，利用氣壓瞬間切斷花梗，花卉滯留在槽型爪凹槽內(nèi)；③PLC 控制器發(fā)出信號，末端執(zhí)行器向上旋轉(zhuǎn)至水平位置，再向左（或右）旋轉(zhuǎn)至存儲槽位置；④PLC 控制器發(fā)出信號，氣缸中活塞退回，槽型爪張開，花卉落入存儲槽。末端執(zhí)行器復(fù)位至垂直向下位置，準備下一個循環(huán)動作。由此，末端執(zhí)行器一次完整動作完成。

3 機械手工作過程

機械手整體工作過程如下：首先由手持式遙控設(shè)備發(fā)出啟動指令，啟動信號，驅(qū)動伺服電機，在伺服電機的帶動下，機械臂開始動作至花卉上方，末端執(zhí)行器向下進給至花處，定位完成后，末端執(zhí)行器開始動作，槽型爪張開進行花卉抓取，閉合進行花卉切割。隨后，執(zhí)行器按可旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)270°至存儲槽位置，張開槽型爪，實現(xiàn)花卉轉(zhuǎn)移與存儲。置于存儲槽上的重量傳感器實時記錄花卉重量，并將稱重結(jié)果返回至手持遙控設(shè)備的顯示屏上，以便及時轉(zhuǎn)移清空存儲槽。在這一過程中，機械臂可根據(jù)位置通過手持遙控設(shè)備進行實時調(diào)整。所有動作均由手持遙控設(shè)備控制。機械手伸展示意圖見圖5，機械手花卉收納示意圖如圖6 所示。

圖5 機械手伸展示意圖

圖6 機械手花卉收納示意圖

4 結(jié)束語

該機構(gòu)的有益效果是準確抓取被采摘花卉，有效切割收納，實時獲取采摘重量，省去二次稱重。末端執(zhí)行器效力的機械手可實現(xiàn)200～1400mm 范圍內(nèi)的花卉采摘，提高工作效率，降低勞動強度與花卉折損率。

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