智能遠程控制水果采摘機的研制

薛政坤　劉春麗

摘要：該采摘機是在傳統機械臂基礎上，采用了先進的機械機構、傳動方案和控制系統，使得果農在采摘水果過程中更加地智能和便捷。采用SolidWorks軟件設計全部零件，可以實現采摘機的動態仿真。該作品獲得了2017年遼寧省大學生機械創新設計大賽一等獎。

關鍵詞：采摘機；舵機； 控制；機械臂

1 研制背景及意義

隨著世界人口的急劇增加，農業生產所承受的壓力越來越大，對大規模、高效率的生產模式的需求也日益明顯。同時，科技的發展和各種理論、技術的突破，也使得這類生產模式成為可能。農業機器人憑借其無疲勞、高效率的優勢起到相當重要的作用，自動采摘機器人正是在這種背景下誕生的。20世紀末開始，美國、日本、法國、印度等許多國家開始了對自動采摘機器人的研究，并取得了一定成果，但應用情況并不樂觀。本作品運用在智能化的農業生產中，可實現遠程（在家中或者控制室中）控制采摘機，完成整個采摘過程。其可以大幅度地節省人力，減輕勞動強度，提高采摘效率。具有應用前景廣闊、實用性強的優勢，填補國內空白。

2 采摘機的組成及工作原理

2.1 簡介

該采摘機由采摘收集系統和整理系統兩部分組成。采摘收集系統為機械臂采摘結構，通過對舵機的控制，使得圖臂桿六自由度靈活的轉向擺臂，最頂端裝有夾頭（夾頭上安裝有用來剪枝的刀片），與此同時，還安裝有攝像頭用來回傳現場圖像。下半部分則為車體水果收集箱，其頂端采集回來的水果通過管道進入車體，車體與管道的銜接處安裝有紅外傳感器，用來計數采集回來的水果數量并顯示在車體上的顯示屏上。水果進入車體的管道后，會被車體內的整理系統合理地擺放在車體內。 當收集箱集滿或完成采摘任務時，可控制車體的后背蓋全自動打開，此時后背蓋變為架在車體與地面之間的斜坡，使得水果合理的卸出。

2.2 采摘收集系統

采摘收集部分裝有兩個刀片和一個環形漏斗，采摘時通過攝像頭將影像傳輸回來，可以選擇人工控制機械臂或者選擇機械臂自動采摘。采摘時環形網袋會套住果實，將果實的枝干部分靠入爪機構中，爪子的合并使得刀片將枝干剪斷，使果實通過與環形漏斗滑入車體。

2.3 整理系統

整理系統由一個小型舵機和三個步進舵機組成。用支架將三個步進舵機組成XY軸平面坐標系，運用絲桿結構將小舵機與一個運輸小平臺連接，使支架上的小舵機連接的小型運輸平臺可在XY坐標系平面內有序運行。小舵機控制平臺開關，水果能夠正確墜入系統指定位置。

2.4 工作部分

在工作部分中，機械臂的頂端的夾頭上安裝有一套剪枝刀片，用于適當的時候對枝條的裁剪。機械臂的本體擁有五個自由度即可有五個獨立的關節運動，手機端使用藍牙與51單片機端的串口藍牙實現異步通信。機械臂的動作分別采用了無人工干預的全自動分配聯動算法，使控制變得相當簡單。采集回來的水果經過中間的減速緩沖帶進入收集箱，為了確保水果的品質，在車體收集裝置的入口處安裝了一個運送平臺，水果進入平臺后停止運動。此時水果也遮攔住了入口處所放置的紅外傳感器，再經過誤差排除即可完成一次有效計數。

車體內部的整理系統將水果按程序有序整齊地排列在收集箱中，卸水果時，收集箱的后蓋自動打開，車體后蓋形成一定角度的斜坡以便水果自動傾倒到地面。車體內配有LED燈管，在夜晚來臨或者光線不足時可以開啟燈光進行光線補償。

2.5 顯示記錄部分

顯示記錄部分由紅外傳感器和顯示屏組成，它可以實時測出進入箱體內的水果個數，并通過顯示屏顯示出來。

2.6 控制原理

該機器控制系統為：嵌入式Openwrt系統的ARM控制板，手機電腦等終端設備直接連入網即可與此控制板通信。同時夾頭的上方也安放一顆720P的高清攝像頭并且使用常見的USB線與ARM控制板連接，最高可以以30幀的流暢度將采集到的現場的圖像信息通過Openwrt的ARM控制板回傳到控制終端。機械臂的本體擁有五個自由多即可有五個獨立的關節可運動。手機端使用藍牙與51單片機端的串口藍牙實現異步通信。

3 創新點及應用

3.1 創新點

（1）巧妙運用機械臂六自由度結構完成復雜情況的采摘功能，在控制算法上采用獨創的聯動算法，讓操作者輕松上手。

（2）使用基于Linux內核的開源嵌入式Openwrt系統，將該系統與路由器整合并掛載攝像頭完成遠程圖像回傳，并結合手機App實施遠程控制。

（3）利用舵機、電機以及設置運送平臺，采摘回來的水果得以完好的進入收集裝置中。

（4）在車體內裝有整理裝置，可以使采集好的水果在車體內有序地擺放，減少水果互相碰撞造成損傷。

（5）具有記錄功能，能準確地反應出箱體內部水果的個數。

3.2 應用

相比現階段我國國內采摘機器，該采摘機具有多功能化、操作簡便、可靠性高、智能化等優點。對該采摘機的使用者文化程度要求不高，使用方法簡單，維修維護方便，價格合理，便于果農使用，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計，高等教育出版社，2005，12，203212.

[2]江耕華，胡來容，陳啟松.機械傳動設計手冊，煤炭工業出版社.

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[4]周學才，李衛平，李強.開放式機器人通用控制系統[J].機器人，1998（1）.

基金項目：由遼寧科技大學大學生創新創業訓練計劃專項經費資助（項目編號：201810146050）

作者簡介：薛政坤（1997），本科，專業領域為機械電子工程；劉春麗（1972），講師，專業領域機械設計。