果實采摘機器人柔性機械手的設計

田寶連

（江西工業職業技術學院，江西 南昌 330000）

1 柔性機械手整體設計

果實采摘機器人柔性機械手主要包含PLC 自動控制模塊、機械手爪構件、機械手連接件、氣動控制部件、主體機械承載機構、報警模塊等6個部分。其中，PLC 自動控制模塊用于組建整個系統的硬件回路，實現對柔性機械手采摘的循環自動控制；機械手爪是完成果實采摘的主要機構；連接件是手爪與氣動控制部件的連接模塊；主體機械承載機構用于裝載整個機械手、PLC 模塊、電源模塊、報警模塊等部件；報警模塊用于對機械手運行中可能出現的過壓、過載、過流等故障進行報警，且出現報警故障，系統會自動斷電。柔性機械手整體設計框圖，見圖1。

圖1 柔性機械手整體設計框圖Fig.1 The overall design block diagram of flexible manipulator

2 柔性機械手機構設計

2.1 手爪設計

手爪是采摘果實的主要機構，由氣缸組件和手爪組件2個部分構成。其中，氣缸組件是氣路連通和能量傳輸的載體，由于在采摘果實的過程中，機械手需要執行“上升-旋轉定位-抓取果實-下降-旋轉復位-松開果實”系列動作，因此，在氣缸的配置上，包括給手爪“抓取松開”動作提供能量的手指氣缸、給手爪“旋轉定位復位”動作提供氣能的旋轉氣缸、給手爪“上升下降”動作提供能量的旋方型氣缸。手爪組件采用硅膠制作，制作的流程為：采用autoCAD 軟件制作手爪三維模型，應用3D 打印技術制作手爪模具；制作手爪內膽；將內膽放入手爪模具，澆注硅膠，等待手爪固定成型。

2.2 連接件設計

連接件是手爪機構與氣路氣管連接的部件，起固定柔性手爪和保證氣路氣密性的作用。首先，在保證氣路氣密性設計上，通過應用生膠帶固定連接螺栓，在生膠帶的纏繞上務必做到仔細，盡可能多繞幾圈；其次，在柔性手爪固定設計上，在連接件內部頂端設計了3 個氣管氣路與三指手爪連接的通道，并通過螺栓加固連接氣路通道。完成連接件設計后，需要通過反復的采摘試驗測試氣密性和手爪牢固程度，確保手爪在完成果實采摘循環動作中不會出現漏氣、掉落等故障。

2.3 氣動控制設計

氣動控制部分為手爪采摘果實動作提供能量，包含電磁閥、氣動管、磁性開關、緩沖閥、節流閥、消聲器等部件。在結構設計上按照“柔性手爪通過氣管連接氣動電磁閥”“氣動電磁閥連接氣源”的方式構成。此外，在柔性手爪上安裝數個磁性開關傳感器，用來精確檢測手爪采摘果實的狀態。緩沖閥、節流閥可調整氣壓，以確保手爪采摘果實動作的穩定性，消聲器用于降低手爪循環動作時產生的噪音。

圖2 手爪設計圖Fig.2 The design drawing of gripper

圖3 連接件設計圖Fig.3 The design drawing of connector

圖4 氣動控制連接圖Fig.4 The pneumatic control connection diagram

3 機械手采摘自動控制設計

3.1 PLC電氣控制回路

系統以西門子S7-200型PLC為硬件核心設計，還包括外接繼電器、接觸器、開關、報警指示燈、電氣適配件等。此外，為柔性機械手采摘動作控制分配合適的I/O 地址也是設計的核心項目，具體來說，本系統的輸入電氣地址包括：I0.0（系統啟動開關）、I0.1（系統停止開關）、I0.2（手爪上升限位磁性開關傳感器）、I0.3（手爪下降限位磁性開關傳感器）、I0.3（手爪旋轉限位磁性開關傳感器）、I0.4（手爪抓緊限位磁性開關傳感器）、I0.5（連接件傳感器）；本系統的輸出電氣地址包括：Q0.0（手爪上升驅動電磁閥線圈）、Q0.1（手爪下降驅動電磁閥線圈）、Q0.2（手爪旋轉驅動電磁閥線圈）、Q0.6（手爪驅動電磁閥線圈）、Q0.4（報警指示燈驅動線圈）。此外，在具體的PLC電氣控制回路配置上，應在接線中嚴格檢查各傳感器、電磁閥、氣路氣管、輸入輸出控制端子的連接密封情況，確保柔性手爪的循環采摘作業質量。

3.2 循環采摘程序

基于PLC 編譯的果實循環采摘梯形圖程序流程圖，見圖5。整個程序的編譯執行思路為：啟動設備，系統完成復位和自檢，機械手初始位為“下降限位+松開限位+旋轉復位”狀態；機器人柔性機械手運行至果園對應的采摘區域；柔性機械手按照“上升-旋轉到位-采摘抓緊-旋轉復位-下降-松開放果”的循環流程執行采摘作業；采摘過程中若PLC 連接的傳感器檢測到掉果、漏摘、過壓、過載、過流等故障問題，系統指示燈會閃爍，并自動停止采摘作業；若采摘過程中沒有發生故障，柔性機械手會自動循環執行采摘作業，直至技術人員按下停止按鈕，系統才會停止采摘。此外，系統運行過程中若出現停電、故障急停，會導致的機械手未能停在初始位，特編譯了機械手再次通電后的自動和手動復位程序，即：重啟系統后，倘若發現機械手未能停在初始位，技術人員可按下手動復位開關（I0.6）或自動執行SM0.1 初始化程序，使機械手回到初始位置，具體的梯形圖程序見圖6。

圖5 循環采摘程序流程圖Fig.5 The flow chart of circular picking procedure

圖6 機械手復位程序Fig.6 The manipulator reset procedure

4 結語

系統完成設計后，在果園中進行了運行試驗，結果顯示：該款機械手針對農作物果實的采摘成功率為100%，沒有出現掉果、漏摘等問題，穩定性、可靠性和應用性良好，在農作物果實自動采摘生產領域具有一定的推廣價值。