数控技术在采摘机器人作业中的应用

数控技术在采摘机器人作业中的应用

邬晨昊1靳璞磊1钱荣盛1方平进1徐舒2王

（1.常州固高智能装备技术研究院有限公司江苏常州213100）

（2.常州纺织服装职业技术学院江苏常州213100）；（3.常州光电技术研究所江苏常州213100）

摘要：我国是农业大国，国家高度重视农业现代化的发展，并提出了乡村振兴战略。就果蔬等农作物的种植来说，把数控技术应用到果蔬农业的采摘工作中，对减轻农民作业负担、提高果蔬采摘效率以及推进实行果蔬行业的农业现代化意义重大。本文将围绕数控技术在果蔬采摘中的应用这一主题，详细分析了采摘机器人的结构特征及其工作原理，希望能对果蔬采摘机器人的设计与改进带来借鉴意义。

关键词：数控技术；采摘机器人；应用

我国大力发展农业现代化，提出要实现农业机械设备的智能化、无人化、高效化。以数控技术为理论基础设计改造出来的果蔬采摘机器人能够有效地增强农作物的采摘效率，减少农民的采摘工作量，应用前景十分广泛。

一、采摘机器人在采摘作业中的应用意义

在乡村振兴战略的积极引导之下，我国农业取得了长足有效的发展。很多农产品远销海外，极大地增加了农民的收入，提高了农民的生活水平。随着越来越多的农业产品对外出口量持续增长，农业果蔬产品的种植规模也越来越大。但是由于果蔬产品的果实保鲜期一般较短，如果在果实成熟后不能够及时地采摘出售，就会导致果蔬产品的大量腐烂。然而，如果仅仅依靠人工采摘，几乎不可能在短期内完成数量如此巨大的采摘工作量。由此可见，开发出具有自主采摘能力的采摘机器人对于缓解果蔬采摘压力意义深远。

二、采摘机器人的主体结构设计

1、果蔬采摘机器人结构设计

考虑到农业生产中果蔬采摘的现实可行性及其现实所需，并在综合考虑了采摘机器人的采摘功能及设计建造成本的因素下，设计了结构较为简单的后轮驱动式果蔬采摘机器人。如下图所示：

2.果蔬采摘机器人构造部件说明

在该果蔬采摘机器人的驱动结构中，采用的是后轮驱动的驱动方式，这种驱动方式动力强，适合果蔬种植园内的泥土道路，不至于因为种植园内道路不够光滑平坦、泥淖多、障碍物多而阻碍机器人的正常运行。机器人的后轮的驱动通过动力来源于与之相互串联的电机设备。这种动力设计最大限度地降低了采摘机器人的运行能耗，从而使采摘机器人的运行周期更长、运行成本更低。机器人的前轮是转向轮，用于控制机器人行进过程中的前进方向，以确保采摘机器人能够到达果蔬种植园的任何一处采摘区域。在执行部分，主要由机械手臂、末端机械手两部分组成，执行部分的功能就是把成熟的果蔬摘下来并放入机身的果蔬贮存箱体内保存。执行部分包括2个关节，每个关节都是谐波传动方式，并通过伺服电机的行星减速机来保证执行部分力矩传输的效率最大化。为了满足360度多角度采摘，在机器人的末端执行手部位还安装了旋转器，并以齿轮传动方式完成机械传动，其传动效率在95%以上。就本设计的执行部分而言，具有结构简易、功能齐备、占有空间小、操作灵活、设计成本低等优点。机器人的存储部分是一个存储箱，主要是用收集存放机械手臂采摘的果蔬产品。存储箱的容量大小是采摘机器人单次运行载荷能力的直接反应参数。

3．采摘机器人工作流程

在采摘机器人的执行部分安装有机器视觉技术组件，借助机器视觉技术帮助采摘机器人对成熟的目标采摘物做出准确的判断。当视觉技术把果蔬的外观参数分析完成以后，就会向中央数控系统传递采摘信号。在中央数控系统的调配之下，控制采摘机器人的行动路线与行驶速度。当采摘机器人行驶到目标采摘区的时候，在中央数控系统的控制下执行部分开始作业，由机械手臂完成果蔬采摘、果蔬采摘下来后，数控系统向存储箱体传达开启箱门信号，机械手臂将采摘的产品放入箱体中，箱体关上箱门，这是一个完整的采摘周期。

三、采摘机器人的数控系统设计

1、采摘机器人的数控系统概述

基于中央数控系统具有较高的运算处理能力，在采摘机器人的设计中应用数控系统可以有效地压缩采摘时间，从而使果蔬采摘效率得以提升。数控系统本身比较综合复杂，科技含量高，具有一定的研发难度，但其处理能力强，因此在国内的许多系统控制工程中，数字控制系统还是不二之选。本设计中数字控制系统对采摘机器人的控制主要有两部分分：上位机软件控制部分和下位机软件控制部分。中央数字系统的上位机软件数字系统控制部分主要的功能是接受数字指令并执行，用于控制采摘机器人的行驶、采摘等活动；中央数字系统的下位机软件数字系统控制部分主要的功能是搜集、获取、合成、解析果蔬产品外观性能参数，以此来判断果蔬是否成熟、是否可以采摘。

2、采摘机器人软件设施

PID算法控制程序：包括比例调节、积分调节、微分调节3个部分。其中，比例调节主要用于控制机器人驱动部分和执行部分的传输速度，从而进一步调节采摘机器人的行驶速度和采摘速度，比例调节时效性和准确性都很高。积分控制调节主要是为了消除中央数字系统控制过程中产生的余差，从而保证控制系统稳定输出。微分系统主要用来调节中央控制系统带来的偏差，当控制偏差较大时，可以借助于微分调节有效消除。

四、结语

人工采摘果蔬不仅无法在短时期内完成如此大规模的果蔬采摘量，还会消耗大量的人力成本。开发研制采摘机器人有利于解决上述存在的问题，帮助农民减轻生产负担，更好地促进农业现代化发展。

参考文献：

[1]基于云计算技术的苹果采摘机器人系统[J].石建华.农机化研究.2017(07)