果蔬自動(dòng)化采摘執(zhí)行裝置設(shè)計(jì)與研究

黃鵬程， 林 雪

（金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江省農(nóng)作物收獲裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 金華 321000）

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，成熟作物果實(shí)采摘是極其重要的環(huán)節(jié)，消耗了巨大的人力和時(shí)間成本，1/3 以上的時(shí)間和人力都投入在成熟作物的采摘中[1-2]。與此同時(shí)，我國(guó)勞動(dòng)力緊缺對(duì)各行各業(yè)發(fā)展的限制已顯現(xiàn)，尤其是果蔬采摘等勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，因此在果蔬采摘領(lǐng)域急需各種類型的采摘機(jī)器人[3-5]。同時(shí)，果蔬產(chǎn)業(yè)是典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，收獲環(huán)節(jié)是機(jī)器部件與鮮食器官間存在直接或間接的互作過(guò)程，容易造成果實(shí)損傷，限制了其收獲效率，果蔬收獲是最難實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)的瓶頸環(huán)節(jié)[6]。目前，多數(shù)果蔬的采摘作業(yè)是通過(guò)采摘執(zhí)行裝置對(duì)果蔬的夾持作用實(shí)現(xiàn)摘取，而采摘執(zhí)行裝置是采摘機(jī)器人與作業(yè)對(duì)象直接接觸的關(guān)鍵部件[7]。此外，果蔬生長(zhǎng)環(huán)境的可變性和果蔬本身的柔嫩度使得避免夾持損傷成為采摘抓手研究的主要方向[8-10]。由此可見(jiàn)，果蔬采摘機(jī)器人的采摘執(zhí)行裝置成為采摘機(jī)器人高效無(wú)損采摘相關(guān)研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵，對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

果蔬自動(dòng)化采摘執(zhí)行裝置由驅(qū)動(dòng)模組、固定與切換模組和抓取模組3 部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，驅(qū)動(dòng)模組主要包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)、齒輪電機(jī)、伸縮電機(jī)、推動(dòng)氣缸和頂出氣缸等；連接與切換模組由固定組件、支撐座、連桿組件及鎖緊塊連接配件組成；抓取模塊則主要是指前端的抓取組件及其配套抓取爪，抓取組件則包括電機(jī)座和抓取伸縮電機(jī)。

圖1 水果采摘裝置Fig.1 Fruit picking device

1.2 工作原理

采摘執(zhí)行裝置通過(guò)固定組件固定在機(jī)械臂上，并通過(guò)組件中的齒輪電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)固定組件繞機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)第1 方位的角度調(diào)節(jié)；推動(dòng)氣缸推動(dòng)鎖緊塊向右側(cè)移動(dòng)，直至與支撐座相抵；同時(shí)，頂出氣缸收縮，帶動(dòng)托板向下轉(zhuǎn)動(dòng)并脫離支撐座的左端，將支撐座與連桿組件鎖死。位于裝置一端的旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)連桿組件旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)支撐座以旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸為中心軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)第2 方位的角度調(diào)節(jié)。通過(guò)第1 方位和第2 方位的角度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)采摘執(zhí)行裝置對(duì)待采摘對(duì)象的精準(zhǔn)定位。抓取組件內(nèi)設(shè)置有伸縮電機(jī)，伸縮電機(jī)控制抓取爪的閉合，實(shí)現(xiàn)采摘抓取。

2 固定與切換模組

連接與切換模組的主要部件包括固定組件、連桿組件、切換組件和其他配套的結(jié)構(gòu)部件。其中，固定組件和切換組件分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 固定組件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of fixed components

圖3 切換組件結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of switching components

2.1 固定組件工作原理

齒輪電機(jī)通過(guò)第2 齒輪帶動(dòng)第1 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于上連接板固定在機(jī)械臂上，第1 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶著連接軸和下連接板同步旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)下連接板連同底端連接的固定座的角度控制。

2.2 切換組件工作原理

支撐座的左右側(cè)端內(nèi)均固定有支撐座軸承，分別與轉(zhuǎn)軸和連桿組件形成可轉(zhuǎn)動(dòng)連接。推動(dòng)氣缸推動(dòng)鎖緊塊往右側(cè)移動(dòng)并與支撐座相抵，實(shí)現(xiàn)抓取模組繞著轉(zhuǎn)軸整體旋轉(zhuǎn)和抓取模組自體式旋轉(zhuǎn)兩種模式之間的切換。下一步，頂出氣缸啟動(dòng)收縮，帶動(dòng)其端部連接的導(dǎo)桿往回伸縮，導(dǎo)桿在托板的弧形槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，使托板向下轉(zhuǎn)動(dòng)并脫離支撐座左端；旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步控制連桿組件與支撐座的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；旋轉(zhuǎn)電機(jī)再次啟動(dòng)，向反方向旋轉(zhuǎn)，控制連桿組件帶動(dòng)抓取組件自體式旋轉(zhuǎn)。

3 抓取模組

抓取模組包括抓取爪、電機(jī)座、抓取伸縮電機(jī)和其他配套部件，如圖4 所示。其中，抓取伸縮電機(jī)內(nèi)置在電機(jī)座中，其伸縮端貫穿電機(jī)座。3 根抓取爪間隔120°均布在電機(jī)座上，用于執(zhí)行抓取動(dòng)作；電機(jī)座上靠近抓取爪側(cè)設(shè)有內(nèi)凹槽，內(nèi)凹槽內(nèi)放置有與抓取伸縮電機(jī)伸縮端固定的伸縮塊；抓取爪的一端與電機(jī)座及伸縮塊鉸接，并采用聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，提升抓取便捷度。

圖4 抓取組件結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of picking components

4 驅(qū)動(dòng)模組

驅(qū)動(dòng)模組主要包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)、齒輪電機(jī)、伸縮電機(jī)、推動(dòng)氣缸和頂出氣缸等驅(qū)動(dòng)裝置。其中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)位于整個(gè)裝置的一端，與執(zhí)行裝置中心線上的轉(zhuǎn)軸相連，主要用于帶動(dòng)連桿組件旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行裝置的軸向旋轉(zhuǎn)；齒輪電機(jī)位于裝置的固定組件，通過(guò)第1 齒輪和第2 齒輪的傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行裝置的縱向角度調(diào)節(jié)；推動(dòng)氣缸和頂出氣缸控制鎖緊塊的前后移動(dòng)和導(dǎo)桿的伸縮，并通過(guò)托板與支撐座左側(cè)端的離合，實(shí)現(xiàn)抓取模組兩種不同旋轉(zhuǎn)模式之間的切換；伸縮電機(jī)則位于抓取模組內(nèi)部，通過(guò)控制貫穿電機(jī)座的伸縮端，實(shí)現(xiàn)抓取爪的夾緊和張開(kāi)。

5 試驗(yàn)分析

果蔬自動(dòng)化采摘執(zhí)行裝置作為果蔬自動(dòng)化采摘過(guò)程中的重要機(jī)構(gòu)，直接影響了采摘的效果。在執(zhí)行裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，影響采摘效率的因素主要有抓取模組繞軸旋轉(zhuǎn)和自體式旋轉(zhuǎn)之間的切換效率，以及抓取伸縮電機(jī)驅(qū)動(dòng)抓取爪向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)完成抓取動(dòng)作的抓取效率。其中，切換效率由切換組件中的推動(dòng)氣缸決定，抓取效率由抓取模組中的伸縮電機(jī)決定；而旋轉(zhuǎn)電機(jī)和齒輪電機(jī)共同決定了執(zhí)行裝置在空間內(nèi)移動(dòng)的速度。

根據(jù)執(zhí)行裝置采摘試驗(yàn)，確定果蔬自動(dòng)化采摘執(zhí)行裝置參數(shù)范圍，如表1 所示。

表1 果蔬自動(dòng)化采摘執(zhí)行裝置運(yùn)動(dòng)參數(shù)范圍Tab.1 Range of motion parameters of automatic fruit and vegetable picking actuator

將執(zhí)行裝置安裝在傳統(tǒng)剛性機(jī)械臂上，以柑橘為對(duì)象，進(jìn)行抓取成功率試驗(yàn)。將柑橘放置在A位置，執(zhí)行裝置將其從A位置抓取，并移動(dòng)至B位置，A位置和B位置分別位于機(jī)械臂最大臂展的兩個(gè)相對(duì)位置上。試驗(yàn)分為3 組，每組100 次，第1 組平均移動(dòng)速度0.1 m/s；第2 組平均移動(dòng)速度0.2 m/s；第3 組平均移動(dòng)速度0.3 m/s。試驗(yàn)結(jié)果可知，3 組的平均抓取成功率分別為96%、95%和95%，整體抓取成功率95.33%，可以滿足實(shí)際使用需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究涉及的果蔬自動(dòng)化采摘執(zhí)行裝置可安裝在多關(guān)節(jié)的機(jī)械臂末端，與傳統(tǒng)剛性機(jī)械手配合形成能實(shí)現(xiàn)果蔬采摘的自動(dòng)化裝置。執(zhí)行裝置包含驅(qū)動(dòng)、固定與切換、抓取3 個(gè)功能模組，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，以達(dá)到單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)多種運(yùn)動(dòng)方式的目的，在確保抓持任務(wù)的前提下，降低電耗，提升裝置的續(xù)航能力。