基于ARM9的菠蘿采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊 娜，李秀平，黎騎強(qiáng)，李基有，張艷莉

（廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510507）

水果是人們生活中必不可少的食物之一，其中菠蘿是營(yíng)養(yǎng)豐富的熱帶水果，品質(zhì)優(yōu)異、香氣誘人，具有口感獨(dú)特，富含大量人體所需的膳食纖維、有機(jī)酸、維生素及多種礦物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[1]，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，味道酸甜可口，深受消費(fèi)者喜愛(ài)，市場(chǎng)需求量日益增大。菠蘿原產(chǎn)在南美洲熱帶高溫地區(qū)，目前約有90 個(gè)國(guó)家和地區(qū)種植，我國(guó)的菠蘿種植面積和產(chǎn)量約占世界總量的7%左右[2-3]，主要種植地區(qū)為廣西、云南、廣東、海南、福建和臺(tái)灣等[4]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們多樣化消費(fèi)需求的日益增加，我國(guó)菠蘿消費(fèi)量快速增長(zhǎng)，伴隨北方市場(chǎng)的不斷開(kāi)拓，菠蘿市場(chǎng)需求更加廣闊，我國(guó)的菠蘿種植面積與產(chǎn)量也在逐年增長(zhǎng)。

采摘是水果生產(chǎn)鏈條中最耗時(shí)、耗力的環(huán)節(jié)之一。菠蘿采摘作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)，勞動(dòng)力密集，耗時(shí)費(fèi)力，并且費(fèi)用高，一般只有一個(gè)半月左右的收獲期，因此保證菠蘿適時(shí)采收、降低菠蘿采摘費(fèi)用是果農(nóng)增收的重要途徑。我國(guó)菠蘿植株不僅高度不一，而且密度大，難以用統(tǒng)一的收割方式完成采摘，菠蘿一般生長(zhǎng)在丘陵或山地環(huán)境中，地理環(huán)境較為復(fù)雜，并且菠蘿種植面積廣、產(chǎn)量相對(duì)較高，普通機(jī)械會(huì)對(duì)菠蘿植株造成損傷，成本高昂，菠蘿運(yùn)輸車(chē)難以進(jìn)入及自由穿梭作業(yè)，容易損傷菠蘿托芽，給菠蘿的采摘收獲帶來(lái)難題與考驗(yàn)，考慮到菠蘿采摘的復(fù)雜性，難以大規(guī)模采用自動(dòng)化設(shè)備來(lái)完成采摘。目前國(guó)內(nèi)絕大部分的菠蘿采摘都采用人工方式進(jìn)行，而菠蘿的葉子邊緣有很多鋒利的鋸齒，菠蘿果皮堅(jiān)硬且?guī)в忻⒋蘙5]，人工采摘有較高的體力和技能要求，不僅成本高昂，而且有可能劃破手指，降低了菠蘿采摘效率[6]。面對(duì)日益嚴(yán)重的勞動(dòng)力緊缺和成本快速上漲問(wèn)題，從多方面考慮，設(shè)計(jì)了一種菠蘿采摘機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)菠蘿的高效采摘，既能避免采摘人員手部與菠蘿的長(zhǎng)時(shí)間接觸，避免手被刺傷，又能提高菠蘿的采摘效率。

1 菠蘿采摘機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的菠蘿采摘機(jī)械手工作時(shí)可由工作人員手持[7-8]，按下轉(zhuǎn)動(dòng)軸電機(jī)按鈕，可以使轉(zhuǎn)動(dòng)軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)，調(diào)整菠蘿采摘機(jī)械手的姿態(tài)；按下推桿控制按鈕，可以驅(qū)動(dòng)可伸縮推桿動(dòng)作，從而帶動(dòng)剪切刀片動(dòng)作，剪切菠蘿果柄；按下復(fù)位按鈕，剪切刀片復(fù)位；在采摘菠蘿的過(guò)程中按下停止按鈕，采摘中止，通過(guò)控制器發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)完整菠蘿果實(shí)的自動(dòng)化采摘。

菠蘿采摘機(jī)械手主要由控制器、剪切刀片、轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)、連桿、轉(zhuǎn)軸電機(jī)、可伸縮推桿、控制按鈕等組成，其大致結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。

圖1 菠蘿采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

為了完成菠蘿的采摘，考慮到菠蘿葉子上有鋒利的銳齒，菠蘿采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與人工采摘類(lèi)似，需要通過(guò)菠蘿采摘機(jī)械手前端的剪切刀片完成菠蘿的采摘。該菠蘿采摘機(jī)械手的剪切原理是通過(guò)控制器發(fā)送控制指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)菠蘿果柄的剪斷，工作人員手持菠蘿采摘機(jī)械手，調(diào)整其姿態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸電機(jī)可以調(diào)整將剪切刀片移至菠蘿果柄處，可伸縮推桿可以控制連桿實(shí)現(xiàn)剪切刀片對(duì)菠蘿果柄的剪切[10]。

1.3 主要部件設(shè)計(jì)及功能分析

菠蘿采摘機(jī)械手的整體方案框圖如圖2 所示。在ARM9 控制器中實(shí)現(xiàn)PID 算法，ARM9 控制器通過(guò)RS232 串口發(fā)送指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，直流電機(jī)附帶的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且向ARM9 控制器輸出脈沖，該脈沖作為PID 算法的反饋輸入，ARM9 是電路核心部件，可以驅(qū)動(dòng)菠蘿采摘機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)軸電機(jī)和可伸縮推桿，實(shí)現(xiàn)菠蘿采摘機(jī)械手電機(jī)旋轉(zhuǎn)和可伸縮推桿動(dòng)作，從而帶動(dòng)剪切刀片動(dòng)作。

圖2 菠蘿采摘機(jī)械手整體方案框圖

1.3.1 控制器

嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低、成本低，是目前發(fā)展較快的信息類(lèi)技術(shù)之一[11]，在使用時(shí)可以簡(jiǎn)化整個(gè)電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。ARM 嵌入式系統(tǒng)可以直接調(diào)節(jié)輸出PWM 波的占空比和頻率，從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。ARM 嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電路和單片機(jī)控制的PWM 波形相比，效率、精度更高，響應(yīng)速度更好，成本更低，功耗較小[12]，ARM 處理器在操作性能方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)，是高性價(jià)比嵌入式處理器的突出代表，具有非常好的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)深入到農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制、電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等各個(gè)領(lǐng)域，將來(lái)會(huì)應(yīng)用更加廣泛。菠蘿采摘機(jī)械手的控制器設(shè)計(jì)使用了基于ARM9 的核心處理器，ARM9 微處理在高性能和低功耗特性方面性能最佳。

1.3.2 連桿設(shè)計(jì)

因連桿所在平面與推桿鉸接處平面間距離較小，近似為平面四桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)連桿繞轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，連桿會(huì)帶動(dòng)剪切刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成對(duì)菠蘿莖部的剪切。該過(guò)程能快捷剪斷菠蘿莖部，又能保證切口平整，這樣可以輕松地將菠蘿采摘下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)菠蘿的采摘[13]。

1.3.3 剪切刀片設(shè)計(jì)

剪切是將菠蘿在果柄處剪斷，是一個(gè)非常重要的動(dòng)作，菠蘿采摘機(jī)械手剪切菠蘿果實(shí)的果柄，可以將果實(shí)與植株分離。菠蘿采摘機(jī)械手完成菠蘿果柄的剪斷需要刀片配合，采摘機(jī)械手最前端裝有剪切刀片，剪切刀片的運(yùn)動(dòng)形式有兩種，一種是刀片既有固定剪，也有活動(dòng)剪，對(duì)菠蘿定位精度要求較高，否則會(huì)降低采摘效率；另一種是刀片都為活動(dòng)剪，采摘菠蘿時(shí)比較靈活，由于菠蘿的果柄較短且粗，剪切刀片應(yīng)該選擇合理，如果采用平刃剪切刀片剪切果柄，可能會(huì)在剪切過(guò)程中出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，這樣就無(wú)法剪斷菠蘿果柄[14]，同時(shí)降低菠蘿采摘的效率，本設(shè)計(jì)采用兩刀片均為活動(dòng)剪的鋸齒形剪刀片，如圖1 所示。菠蘿采摘機(jī)械手中的可伸縮推桿可以控制連桿實(shí)現(xiàn)剪切刀片對(duì)菠蘿果柄的剪切，采摘機(jī)械手可以可靠、穩(wěn)定地完成菠蘿采摘。

1.3.4 工藝流程

菠蘿采摘機(jī)械手能夠完成菠蘿的采摘，同時(shí)避免了對(duì)采摘者的傷害，該菠蘿采摘機(jī)械手工作時(shí)需要人工手持，減輕了工作人員的工作量，提高了菠蘿采摘的效率，提升了經(jīng)濟(jì)效益。菠蘿采摘機(jī)械手的操作工藝流程如圖3所示。

圖3 菠蘿采摘工藝流程圖

菠蘿種植地多為丘陵或者山地，田間的活動(dòng)空間有限，考慮到菠蘿采摘現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境及對(duì)菠蘿的損傷，從目前菠蘿果園采摘機(jī)械發(fā)展的總體情況看，本文設(shè)計(jì)的菠蘿采摘機(jī)械手體型合適，機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，可以靈活地在茂密的菠蘿地里完成采摘，能降低菠蘿果農(nóng)的采摘作業(yè)強(qiáng)度，減少菠蘿的損傷，提高采摘效率。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 PID算法設(shè)計(jì)

在過(guò)程控制中，PID（比例P、積分I 和微分D）控制是一種最常用的經(jīng)典過(guò)程控制方法，比較容易實(shí)現(xiàn)，適用范圍廣[15]，參數(shù)選定較為簡(jiǎn)單，控制參數(shù)相互獨(dú)立，可以滿足大多數(shù)過(guò)程控制的響應(yīng)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性需求，PID 控制器也被稱為PID 調(diào)節(jié)器，是一種最優(yōu)控制，其參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，根據(jù)不同需求，可以靈活改變其結(jié)構(gòu)，比如PI、PD、PID。為了保證菠蘿采摘機(jī)械手電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，把比例、積分、微分三種作用組合起來(lái)，形成PID調(diào)節(jié)器，其基本傳遞函數(shù)為：

式（1）中，u（t）為控制器輸出，e（t）為控制器輸入，調(diào)整比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間常數(shù)Ti、微分時(shí)間常數(shù)Td，可以使菠蘿采摘機(jī)械手電機(jī)控制系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定。

2.2 ARM9程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PID 調(diào)節(jié)器的閉環(huán)負(fù)反饋進(jìn)行調(diào)速，ARM9 控制器接收直流電機(jī)附帶的旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，作為PID 算法的電機(jī)速度檢測(cè)值參與計(jì)算，當(dāng)速度給定值與檢測(cè)值相等時(shí)，PWM 的占空比不變，當(dāng)速度給定值與檢測(cè)值不相等時(shí)，需要進(jìn)行PID 的參數(shù)整定，即整定參數(shù)Kp、Ti、Td，來(lái)調(diào)節(jié)PWM 的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

ARM9控制器通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 的占空比來(lái)控制每個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的導(dǎo)通與關(guān)斷；通過(guò)ARM9控制器的精準(zhǔn)控制，可以使直流電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)動(dòng)速度滿足運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的啟動(dòng)、停止和速度控制都由程序定義，如果要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制，則需要改變PWM 信號(hào)的占空比，借助菠蘿采摘機(jī)械手上設(shè)置的按鈕，可以完成對(duì)菠蘿的采摘。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 便攜式菠蘿采摘機(jī)械手

菠蘿種植地的活動(dòng)空間有限，如果設(shè)計(jì)的菠蘿采摘機(jī)械手質(zhì)量或者體積較大，工作人員在使用過(guò)程中會(huì)造成不便，嚴(yán)重影響菠蘿采摘的效率，因此菠蘿采摘機(jī)械手在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮體型大小、機(jī)械結(jié)構(gòu)輕便性，本文設(shè)計(jì)的菠蘿采摘機(jī)械手在滿足要求的前提下外形尺寸盡量小，質(zhì)量盡量輕，使用更方便，可以降低生產(chǎn)成本，減少果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，提升經(jīng)濟(jì)效益。菠蘿采摘機(jī)械手小型化有利于在茂密的菠蘿地里靈活作業(yè)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與控制[16]，便攜的菠蘿采摘機(jī)械手，可以代替原有的人工采摘，又能防止菠蘿葉被損害，能有效提升菠蘿采摘效率、降低采摘成本，增強(qiáng)了該領(lǐng)域的農(nóng)用機(jī)械控制技術(shù)研發(fā)實(shí)踐力度，具備較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

3.2 自動(dòng)化、智能化菠蘿采摘機(jī)械設(shè)備

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程不斷加快，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用和推廣也在不斷地完善，機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化水平也得到了進(jìn)一步提高。由于菠蘿成熟后，葉片相互交錯(cuò)，較難通過(guò)人工手段完成菠蘿的采摘，迫切需要借助自動(dòng)化、智能化控制手段來(lái)實(shí)現(xiàn)菠蘿的自動(dòng)化采摘。在實(shí)現(xiàn)菠蘿自動(dòng)化采摘的過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)菠蘿的采摘角度和采摘力矩[17]，自動(dòng)化、智能化的菠蘿采摘機(jī)械設(shè)備可以利用自動(dòng)控制系統(tǒng)更精確地計(jì)算并靈活調(diào)節(jié)機(jī)械手的位置，以增加菠蘿采摘的成功率和降低菠蘿果實(shí)的損傷程度，盡量避免采摘機(jī)械設(shè)備損傷菠蘿表皮，智能化菠蘿采摘機(jī)械設(shè)備可以更加準(zhǔn)確地識(shí)別菠蘿的外觀狀態(tài)及成熟程度，從而為菠蘿的自動(dòng)化采摘提供精準(zhǔn)判斷根據(jù)[18]。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)菠蘿的需求日益增加，菠蘿市場(chǎng)有很大的發(fā)展空間[19]，而我國(guó)菠蘿收獲大部分是人工采摘，采摘自動(dòng)化程度較低，采摘作業(yè)復(fù)雜，工作量大，費(fèi)用高，采摘效率低；由于菠蘿作物的特殊性，菠蘿的葉子邊緣有很多鋒利的鋸齒，果皮帶有芒刺[20]，人工采摘容易給采摘人員帶來(lái)傷害。考慮到菠蘿生長(zhǎng)的自然環(huán)境，以及在成熟時(shí)的生長(zhǎng)狀態(tài)，從人性化和實(shí)用化的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種適宜田間作業(yè)的菠蘿采摘機(jī)械手，還可以與休閑農(nóng)業(yè)相結(jié)合，增強(qiáng)采摘人員的體驗(yàn)感和趣味性，同時(shí)安全可靠，避免了人與菠蘿的直接接觸，減少各方面因素對(duì)操作人員的傷害，大大降低了采摘人員的工作強(qiáng)度，提高了采摘效率，提升了經(jīng)濟(jì)效益，采摘過(guò)程中菠蘿不受損傷，為菠蘿自動(dòng)化采摘機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)[21]。