劉海峰，鄭 騰，何 冉

（武漢東湖學(xué)院 機電工程學(xué)院 湖北 武漢 430000）

蘋果產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)村主要支柱產(chǎn)業(yè)之一，我國蘋果經(jīng)過上世紀(jì)80年代的快速發(fā)展，種植面積大幅度提高，需要大量的勞動力參與采摘過程，而我國逐漸面臨勞動力短缺的問題，這就需要大量機械來輔助人工或者實現(xiàn)全自動來采摘蘋果，實現(xiàn)提高采摘效率，降低采摘成本的目的。

目前我國的水果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動量大，而且容易造成果實的損傷，如果人手不夠不能及時采摘還會導(dǎo)致經(jīng)濟上的損失。使用采摘機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)濟效益，因此提高采摘作業(yè)機械化程度有重要的意義。

2 整機構(gòu)造原理

2.1 機械臂運動裝置

該機械臂的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括底部旋轉(zhuǎn)臺、傳動齒輪副、電機、蝸桿蝸輪+齒輪減速器，攝像頭等，其位于行進小車前方，底部旋轉(zhuǎn)臺利用一對傳動齒輪副直接傳動，小齒輪帶動大齒輪來實現(xiàn)整個機械手在水平方向上的自由旋轉(zhuǎn)，通過慧魚攝像頭自動識別小球系統(tǒng)可精準(zhǔn)的在水平方向上定位蘋果，利用電機上方裝配的脈沖計數(shù)器可達到精準(zhǔn)限位要求，底部的電機帶動齒輪形成齒輪絲桿傳動使腰部繞垂直軸心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度可達到180°，通過固定在腰部上的電機同樣帶動齒輪絲桿傳動使前端可繞垂直軸心轉(zhuǎn)動，前端可與腰部一起轉(zhuǎn)動。

圖1 底部旋轉(zhuǎn)臺

2.2 末端執(zhí)行器裝置

電機經(jīng)減速器減速后帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，螺帽在蝸桿上來回移動經(jīng)四連桿機構(gòu)帶動手爪使手爪能夠反復(fù)張合。電熱絲固定在兩并列氣缸上，可控制電池閥的開關(guān)來控制氣缸通氣的方向電熱絲水平推動高溫熔斷蘋果果蒂，末端執(zhí)行器電機反轉(zhuǎn)，機械爪伸展，蘋果掉進管道，經(jīng)管道運輸至分選臺。見圖2。

圖2 末端執(zhí)行器

2.3 分選及計數(shù)裝置

如圖3所示管道出口與斜坡滑道相連接，蘋果經(jīng)斜坡滑入分選平臺，利用蝸桿齒輪傳動，可控制分選臺的來回翻轉(zhuǎn)。通過微動開關(guān)可對分選臺進行有效限位，從而讓蘋果能順利滑入收集箱中，通過機械手末端執(zhí)行器上的光敏傳感器，可有效測出蘋果的大小，從而控制分選臺擺動的方向，當(dāng)觸碰到微動開關(guān)后，分選臺停止擺動，經(jīng)過一定的時間分選臺復(fù)原。每觸碰一次微動開關(guān)，可進行一次計數(shù)，分選臺兩側(cè)均有微動開關(guān)，可分別對大小蘋果進行計數(shù)。

圖3 分選計數(shù)裝置

3 關(guān)鍵部分程序控制

3.1 蘋果分類編程

該作品的末端執(zhí)行器上裝有光敏傳感器，利用大小蘋果的遮光面積不同，其光敏阻值不同而區(qū)分大小蘋果，并相應(yīng)大小的蘋果進入相應(yīng)的傳送道，和最后裝箱。末端執(zhí)行器上還有限位開關(guān)，控制抓取力度，防止蘋果的抓壞。如圖4所示為光敏控制的程序框圖。

圖4

3.2 蘋果收集編程

該作品的收集裝置利用計數(shù)開關(guān)進行計數(shù)，到達一定的數(shù)目，傳送帶移動，進行下一收集箱的蘋果收集，利用光敏傳感器使收集箱到達指定位置。所有收集箱裝滿，蜂鳴器響起，提醒果農(nóng)卸去蘋果。如圖5所示為收集裝置的程序框圖。

圖5

3.3 自動抓取編程

運用攝像機上的球形識別來尋找蘋果，并識別其空間位置，進行嚴格的精密計算，配合其機械臂的各關(guān)節(jié)運動，到達指定位置進行蘋果的抓取。如圖6為攝像頭的部分程序框圖。

圖6

4 結(jié)語

本裝置機械臂具有高自由度，能多方位的抓取蘋果，末端執(zhí)行器多種傳感器保證蘋果的完好并分類，運用傳送帶使之自動裝箱，與其他采摘機器相比較，在功能上不僅能夠采摘還能自動分類與計數(shù)收集，相當(dāng)于一個小型的水果加工廠。與大型的采摘機器以及大型的水果分類收集機器相比較，其使用簡單的裝置以及巧妙的方法使其智能化，極大限度的節(jié)約了成本。