農業采摘機多自由度機械臂設計研究*

李 玲 ，顧曉宇

（齊齊哈爾工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

0 引言

機械臂作為一種農業生產常用的機械設備，具有較高的精確度和靈活度。現有農業采摘機多自由度機械臂將底座與爪臂組件設置為轉動關系，提高爪臂組件轉動的靈活性和自由性，同時，還將機械爪與爪臂之間設置為轉動關系，提高機械臂使用的自由度和靈活度，確保機械臂能夠靈活、自由地轉動和操作。在使用現有農業采摘機機械臂時，需要移動爪臂組件，促使機械爪向指定位置進行穩定移動，并借助機械手，快速抓取水果、蔬菜等農作物，然后借助爪臂組件，將農作物轉移到其他位置，確保農業生產工作穩定、有序進行[1]。操作人員使用該機械臂進行水果、蔬菜等農作物的采摘時，發現機械臂內部的機械爪通過縮短兩個板塊之間距離，與農作物材料接觸擠壓，完成對農作物的抓取工作，但是，這種抓取方式無法實現對不規則農作物的抓取，導致不規則農作物因過于松動而出現脫落現象，降低機械臂的應用效果[2]。

為解決以上問題，本文設計了一種新型、先進的農業采摘機多自由度機械臂，該機械臂內板塊與農作物接觸面之間設置若干個尖銳凸起，增大機械爪接觸擠壓不規則農作物時的摩擦力，提高抓取農作物的穩定性與機械臂使用性能和效果[3]。所以，為解決現有農業采摘機機械臂存在的不規則農作物抓取不牢固、不規則農作物易松動脫落等問題，強化對新型農業采摘機多自由度機械臂的設計和應用顯得尤為重要。

1 機械臂運行原理設計

在農業生產期間應用農業采摘機多自由度機械臂對水果、蔬菜等農作物進行抓取移動時，首先，要確保底座處于穩定啟動狀態，然后，借助底座靈活轉動和調節底座上的爪臂組件，確保機械爪穩定地移動到農作物所在位置，并利用機械爪成功抓取農作物。其次，還要對電動伸縮桿進行正常啟動，不斷靠近和縮短固定在電動伸縮桿上的壓板距離，此時，安裝在壓板上的滑塊會沿著滑槽進行穩定滑動，帶動滑塊上的限位板進行滑動，確保機械爪與農作物表面相接觸和擠壓，與此同時，農作物被擠壓于兩側加強板之間，從而提高壓板對農作物的夾持效果，確保機械爪與農作物之間形成較大的接觸面積，保證機械爪抓取農作物的穩固性，降低農作物松動脫落的概率。應用農業采摘機多自由度機械臂，能夠大幅度提高農業生產質量和效率，從而幫助農民獲得較高的經濟收入，提高農業經濟發展水平[4]。機械臂立體結構如圖1所示。

圖1 機械臂立體結構

2 機械臂結構設計

在進行農業采摘機多自由度機械臂結構設計時，將爪臂組件設置和連接于底座表面，將機械爪設置和連接于爪臂，而機械爪的表面設置和固定相應的加固裝置。該加固裝置主要含有兩個安裝板，兩個安裝板分別連接和固定于機械爪的表面兩側，將兩個安裝板的截面設計為“L”形。將電動伸縮桿與兩個安裝板表面相連接，將壓板固定和連接于電動伸縮桿，將滑塊連接和固定于壓板的表面，將滑槽安裝和連接于兩個安裝板的表面位置，而滑槽內壁安裝和連接滑塊，確保滑塊沿著滑槽內壁進行穩定、可靠的連接。該機械臂結構主要包含加固板、加強板、限位板、滑動裝置、穩定槽、擋板等組成部分，接下來，對這些結構進行詳細設計。

2.1 加固板設計

將加固板安裝和固定于壓板表面與電動伸縮桿之間。該加固板所使用的材料為橡膠材料。通過安裝和設置加固板，可以增加壓板與農作物之間的接觸面積和摩擦力，確保兩個壓板能夠穩固、可靠地夾持農作物，避免出現農作物脫落的情況，使得機械臂使用性能得以最大化發揮[5]。加固裝置立體結構如圖2所示。

圖2 加固裝置立體結構

2.2 加強板設計

采用傾斜設置的方式，將加強板安裝和固定于壓板表面兩側位置。通過設置加強板，可以確保壓板接觸擠壓農作物時形成更多的接觸點，促使壓板表現出較高的夾持強度，使農作物轉移變得更加穩定化、流暢化[6]。

2.3 限位板設計

將限位板安裝和固定于滑塊的表面，將限位板截面設計成“U”形，將限位槽安裝和固定于滑槽的兩側，并將限位板的兩端分別連接和固定于兩側的限位槽，確保限位板沿著滑槽進行穩定滑動。在電動伸縮桿的移動下，通過設置限位板，可以確保壓板能夠穩定、流暢地移動，提高壓板穩固性，避免因壓板晃動而導致抓取的農作物松動或脫落，確保機械爪表現出穩固、良好的抓取效果[7]。

2.4 滑動裝置設計

滑動裝置內含有滑軌，滑動槽主要設置在滑軌表面，將底座表面與滑動槽進行穩定連接，確保滑動的流暢性。另外，還要將穩定槽設置在底座的表面兩側，將穩定桿設置和固定于滑槽內壁，確保穩定桿沿著穩定槽進行穩定、流暢的滑動[8]。滑動裝置設置需達到的目的如下：應用該機械臂抓取移動農作物時，正常啟動和使用底座，此時底座沿著滑動槽進行穩定、流暢的滑動，當底座滑動到指定位置后即可停下，此時機械臂活動范圍不斷擴大，確保機械臂在復雜環境中穩定運行，這樣一來，不僅提升了機械臂的使用性能，還提高了農業生產質量和效率[9]。滑動裝置立體結構如圖3所示。

圖3 滑動裝置立體結構

2.5 穩定槽設計

在設計穩定槽時，將其截面設計為矩形，并結合穩定桿的直徑和長度，對穩定槽的尺寸進行科學設計，使其尺寸完全匹配于穩定桿。通過科學設計穩定槽，使其與穩定桿的尺寸相適配，確保底座更加穩定、可靠地滑動于滑動槽內，避免底座出現偏移現象，提高底座滑動的穩定性，促使機械臂使用變得更加自由化、靈活化[10]。

2.6 擋板設計

將擋板設置和固定于滑軌的表面兩側，并結合滑動槽的大小，科學設置擋板的尺寸，確保兩者的尺寸相適配。通過科學設置擋板，可以實現對底座滑動距離的有效控制，確保底座能夠沿著滑動槽進行穩定滑動，避免出現底座脫離滑動槽的現象，保證底座滑動的穩定性和可靠性。

3 仿真驗證

在進行仿真試驗時，為測試機械臂抓取的精確度和自由度，對水果、蔬菜、花朵等農作物進行模擬采摘。以某種果實為測試對象，農業采摘機多自由度機械臂末端與果實之間接觸位置為距果實底部30 cm 處，利用單目視覺傳感器、三維農業相機，對該機械臂進行運動學仿真分析。當機械臂末端直接接觸到果實時，在外力作用下，該機械臂始終保持平衡狀態。結合該機械臂實際作業情況，當進行物體抓取時，爪臂速度和角加速度始終保持不變。

該機械臂抓取目標物體時，如果定位精確度不高，會導致抓取目標物體失敗。為有效地分析和研究該機械臂對目標物體的定位精度，需將該機械臂與移動平臺放置在距離目標物體3 m 位置處，然后，研究和探討該機械臂與移動平臺所對應的抓取誤差，發現其誤差被控制在0.01 mm 以下，該機械臂運用雙指夾持型設計模式，可以實現對目標物體的精確采摘。這說明本文所設計的農業采摘機多自由度機械臂可以很好地適應目標物體位置范圍，具有定位精確度高、抓取自由靈活等特點，能夠滿足農業采摘機對水果、蔬菜等農作物的抓取需求。

4 結束語

綜上所述，本文針對采摘機運行期間出現果實識別不精確、抓取不牢固等問題，設計了一種先進、新型的農業采摘機多自由度機械臂。該機械臂含有加固板、加強板、限位板、滑動裝置、穩定槽、擋板等組成部分，可以實現對水果、蔬菜等農作物的精確定位和穩定抓取。為驗證該機械臂的穩定性和可靠性，本文利用單目視覺傳感器、三維農業相機，測試農業采摘機多自由度機械臂的精確度和自由度。結果表明：該機械臂可以精確地定位水果、蔬菜等農作物，并成功完成抓取動作，符合預期設計標準和要求。本文所設計的農業采摘機多自由度機械臂具有較高的應用價值和廣闊的應用前景，為實現農作物的機械化采摘、提高農業生產質量和效率提供了重要的設備支持。