基于慧魚的自動分類收集蘋果采摘機(jī)設(shè)計(jì)及程序控制

劉海峰，鄭 騰，何 冉

（武漢東湖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 湖北 武漢 430000）

蘋果產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)村主要支柱產(chǎn)業(yè)之一，我國蘋果經(jīng)過上世紀(jì)80年代的快速發(fā)展，種植面積大幅度提高，需要大量的勞動力參與采摘過程，而我國逐漸面臨勞動力短缺的問題，這就需要大量機(jī)械來輔助人工或者實(shí)現(xiàn)全自動來采摘蘋果，實(shí)現(xiàn)提高采摘效率，降低采摘成本的目的。

目前我國的水果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強(qiáng)，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動量大，而且容易造成果實(shí)的損傷，如果人手不夠不能及時(shí)采摘還會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的損失。使用采摘機(jī)械不僅提高采摘效率，而且降低了損傷率，節(jié)省了人工成本，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，因此提高采摘作業(yè)機(jī)械化程度有重要的意義。

2 整機(jī)構(gòu)造原理

2.1 機(jī)械臂運(yùn)動裝置

該機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括底部旋轉(zhuǎn)臺、傳動齒輪副、電機(jī)、蝸桿蝸輪+齒輪減速器，攝像頭等，其位于行進(jìn)小車前方，底部旋轉(zhuǎn)臺利用一對傳動齒輪副直接傳動，小齒輪帶動大齒輪來實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手在水平方向上的自由旋轉(zhuǎn)，通過慧魚攝像頭自動識別小球系統(tǒng)可精準(zhǔn)的在水平方向上定位蘋果，利用電機(jī)上方裝配的脈沖計(jì)數(shù)器可達(dá)到精準(zhǔn)限位要求，底部的電機(jī)帶動齒輪形成齒輪絲桿傳動使腰部繞垂直軸心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)到180°，通過固定在腰部上的電機(jī)同樣帶動齒輪絲桿傳動使前端可繞垂直軸心轉(zhuǎn)動，前端可與腰部一起轉(zhuǎn)動。

圖1 底部旋轉(zhuǎn)臺

2.2 末端執(zhí)行器裝置

電機(jī)經(jīng)減速器減速后帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，螺帽在蝸桿上來回移動經(jīng)四連桿機(jī)構(gòu)帶動手爪使手爪能夠反復(fù)張合。電熱絲固定在兩并列氣缸上，可控制電池閥的開關(guān)來控制氣缸通氣的方向電熱絲水平推動高溫熔斷蘋果果蒂，末端執(zhí)行器電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)械爪伸展，蘋果掉進(jìn)管道，經(jīng)管道運(yùn)輸至分選臺。見圖2。

圖2 末端執(zhí)行器

2.3 分選及計(jì)數(shù)裝置

如圖3所示管道出口與斜坡滑道相連接，蘋果經(jīng)斜坡滑入分選平臺，利用蝸桿齒輪傳動，可控制分選臺的來回翻轉(zhuǎn)。通過微動開關(guān)可對分選臺進(jìn)行有效限位，從而讓蘋果能順利滑入收集箱中，通過機(jī)械手末端執(zhí)行器上的光敏傳感器，可有效測出蘋果的大小，從而控制分選臺擺動的方向，當(dāng)觸碰到微動開關(guān)后，分選臺停止擺動，經(jīng)過一定的時(shí)間分選臺復(fù)原。每觸碰一次微動開關(guān)，可進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，分選臺兩側(cè)均有微動開關(guān)，可分別對大小蘋果進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖3 分選計(jì)數(shù)裝置

3 關(guān)鍵部分程序控制

3.1 蘋果分類編程

該作品的末端執(zhí)行器上裝有光敏傳感器，利用大小蘋果的遮光面積不同，其光敏阻值不同而區(qū)分大小蘋果，并相應(yīng)大小的蘋果進(jìn)入相應(yīng)的傳送道，和最后裝箱。末端執(zhí)行器上還有限位開關(guān)，控制抓取力度，防止蘋果的抓壞。如圖4所示為光敏控制的程序框圖。

圖4

3.2 蘋果收集編程

該作品的收集裝置利用計(jì)數(shù)開關(guān)進(jìn)行計(jì)數(shù)，到達(dá)一定的數(shù)目，傳送帶移動，進(jìn)行下一收集箱的蘋果收集，利用光敏傳感器使收集箱到達(dá)指定位置。所有收集箱裝滿，蜂鳴器響起，提醒果農(nóng)卸去蘋果。如圖5所示為收集裝置的程序框圖。

圖5

3.3 自動抓取編程

運(yùn)用攝像機(jī)上的球形識別來尋找蘋果，并識別其空間位置，進(jìn)行嚴(yán)格的精密計(jì)算，配合其機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)運(yùn)動，到達(dá)指定位置進(jìn)行蘋果的抓取。如圖6為攝像頭的部分程序框圖。

圖6

4 結(jié)語

本裝置機(jī)械臂具有高自由度，能多方位的抓取蘋果，末端執(zhí)行器多種傳感器保證蘋果的完好并分類，運(yùn)用傳送帶使之自動裝箱，與其他采摘機(jī)器相比較，在功能上不僅能夠采摘還能自動分類與計(jì)數(shù)收集，相當(dāng)于一個(gè)小型的水果加工廠。與大型的采摘機(jī)器以及大型的水果分類收集機(jī)器相比較，其使用簡單的裝置以及巧妙的方法使其智能化，極大限度的節(jié)約了成本。