水果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)

水果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)摘要：機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子輕工和原子能等部門。由于機(jī)械臂在各行各業(yè)中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用，機(jī)械臂控制的多樣化、復(fù)雜化的需要也隨之日趨增多。作為當(dāng)今科技領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，提高機(jī)械臂的控制精度、穩(wěn)定性、操作靈活性對于提高其應(yīng)用水平有著十分重要的意義。在原有機(jī)械手上進(jìn)行PLC等設(shè)計(jì)可使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定位控制丶自動(dòng)化工作等。通過重新編程序可使其變成多功能機(jī)器。

關(guān)鍵詞：采摘；機(jī)械手；水果

1、機(jī)械手的發(fā)展趨勢

機(jī)械手是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科交叉綜合，它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。因此，機(jī)械手的主要發(fā)展方向如下：

機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化：由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。

機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于pc機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)：大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。

機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)械手還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)械手則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用從仿真、預(yù)演向用于過程控制發(fā)展，如使遙控機(jī)械手操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)械手

2、設(shè)計(jì)水果采摘機(jī)械手的作用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全國水果總產(chǎn)量（不含瓜果類，下同）達(dá)到1.82億噸，比1978年增長26.7倍，年均增速8.9%。自1994年以來，我國水果總產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一。但目前存在果園人力不足、采摘效率低、有時(shí)因?yàn)椴烧患皶r(shí)水果壞掉、果子結(jié)在高處人工面臨著高空采摘的危險(xiǎn)等問題，而一切采摘過程目前都由人工采摘，在我國機(jī)械化的采摘目前處于空白期，即使有機(jī)械化機(jī)器的投入和使用也是個(gè)別體，且機(jī)器的投入成本往往很大，果農(nóng)無法承擔(dān)此高昂的成本使用該器械。

果實(shí)的采摘是一個(gè)季節(jié)性較強(qiáng)和勞動(dòng)密集型的工作，采摘作業(yè)所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過程所用勞動(dòng)力的33%～50%，采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強(qiáng)，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動(dòng)量大，而且容易造成果實(shí)的損傷。使用采摘機(jī)械不僅提高采摘效率，而且降低了損傷率，節(jié)省了人工成本，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。

目前而言我國是世界水果生產(chǎn)大國，但在果園管理程度不高（尤其是機(jī)械化采摘果品）由于人口老齡化和農(nóng)村勞動(dòng)力越來越少，在單調(diào)、繁重、危險(xiǎn)的果實(shí)采摘作業(yè)上急需高效、通用、低成本的采摘技術(shù)，而智能化技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用讓人們的生活變得更加方便快捷，與傳統(tǒng)機(jī)械臂相比，擁有智能化，仿生化等技術(shù)的機(jī)械臂操作起來更加簡單方便快捷，運(yùn)用起來也更加靈活多變，智能制造技術(shù)是未來先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)必勝法則。

3、水果采摘機(jī)械手的整體方案設(shè)計(jì)

為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部。考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取物件位置的不確定性，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度。

由于系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用機(jī)械傳動(dòng)方式?？紤]到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。

4、水果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)內(nèi)容

語音驅(qū)動(dòng)技術(shù)：利用語音識(shí)別系統(tǒng)，聲電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，電路系統(tǒng)等，對采集的目標(biāo)語音進(jìn)行處理，將發(fā)出的聲音指令進(jìn)行信息化處理，最后由指令聲響效果激發(fā)拾音器進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換來控制用電器的開關(guān)，并經(jīng)過延時(shí)后能自動(dòng)斷開電源，從而達(dá)到聲控制動(dòng)的效果。

傳感技術(shù)：在機(jī)器上安裝相應(yīng)的傳感器，使其達(dá)到預(yù)想的結(jié)果。紅外傳感：檢測物體信息執(zhí)行動(dòng)作；聲音傳感：檢測聲音執(zhí)行動(dòng)作；傾角傳感器：用傾斜角度的大小來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器的旋轉(zhuǎn)。

開發(fā)無人操控，將機(jī)器開發(fā)為可人為控制和自行運(yùn)行模式，運(yùn)用單片機(jī)編程技術(shù)，和紅外傳感技術(shù)，對機(jī)器進(jìn)行軟件編程，在無人操作下，開啟自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對果物的自行摘取。

體感技術(shù)：運(yùn)用體感技術(shù)，以達(dá)到人機(jī)合一的效果。

機(jī)器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：由于工作環(huán)境不用，對機(jī)器行駛要求不同，而在果園大都為凹凸不平的土質(zhì)地面，所以在驅(qū)動(dòng)方面采用履帶式設(shè)計(jì)，其好處在于其可以減少路況對機(jī)器行駛的限制，可以在惡劣路況下完成工作。

電源設(shè)備的改進(jìn)及應(yīng)用：由于產(chǎn)品最終投入果園進(jìn)行長運(yùn)作，而又要確保對環(huán)境的保護(hù)，在確保不影響環(huán)境的情況下動(dòng)力的選用尤為重要，供電設(shè)備的選用也將是研究的重之重。

設(shè)備的安全性：通過對設(shè)備機(jī)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確保其在運(yùn)行過程中能夠安全穩(wěn)定的工作，并要對線路的安排布置也要做出相應(yīng)的措施。并要對設(shè)備加裝一些應(yīng)急錯(cuò)失和短路保護(hù)裝置。

5、結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手，相對于專用機(jī)械手，通用機(jī)械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。機(jī)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無論是進(jìn)行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定PLC程序來實(shí)現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。

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