全地形双臂水果采摘机器人设计

摘 要：为有效解决当前采摘业面临的劳动力短缺、低采摘效率及高雇佣成本等问题，提出了一种全地形双臂水果采摘机器人的设计方案。该机器人集成了双臂采摘装置、果实识别系统、路径识别系统等模块。该机器人可以精准识别果蔬位置，合理规划采摘路径，从而提高水果的采摘效率。为检验机械臂连接装置的结构强度是否满足使用要求，对其进行有限元分析。计算结果显示，所设计的连接装置静力学特性稳定，符合设计标准。所设计的采摘机器人可以提高采摘作业的效率，降低人力成本，对推进农业现代化水平具有重要的促进作用。

关键词：采摘机器人；机械臂；全地形；路径识别系统

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）14-139-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.14.031

0 引言

传统的水果采摘主要依赖人工，这一方法在历史上对农业生产有着不可替代的贡献。然而，随着时间的推移，这种依赖人力的方式逐渐暴露出其局限性。一方面，这种方式不仅效率低下，而且劳动强度大；另一方面，这种方式对工人的身体健康也有一定影响。此外，由于城市化进程的加速和人口老龄化的加剧，农业劳动力短缺已经成为一个全球性的问题［1］。

随着农业现代化的推进和科技的快速发展，农业生产正逐步实现智能化、机械化和自动化。研发可靠的采摘机器人已成为许多人的共同愿望。王文杰［2］设计了一款可以控制底盘移动和升降的双臂采摘机器人，利用K-means聚类算法提高了其采摘效率。赵源深［3］利用驱动控制系统和特征图像融合技术对番茄进行定位，提高了机器人的采摘精度和效率。鲍秀兰等［4］设计了一种丘陵地形适用的柑橘采摘机器人，利用自适应调平、视觉定位和特制执行器实现了高效采摘。这些采摘机器人的研究设计取得了良好的效果，并为该领域后续的研究和发展提供了重要参考。

为解决采摘业当前的劳动力短缺等问题，笔者拟开发一款全地形双臂采摘机器人。该机器人结合履带式车轮、机械臂、视觉识别系统、超声波感应系统和力传感器等技术，可以实现机械臂对果实的精准采摘。该技术的应用将为高效率、低成本的采摘工作提供有效的解决方案。

1 工作原理及设计思路

1.1 工作原理

全地形双臂水果采摘机器人由履带式车体和双采摘机械臂构成，能够全天候、全地形、全时段地进行采摘工作，极大地提高了采摘效率。首先，机器人利用履带式车体上的超声波传感器进行路径识别；然后，由果实识别系统筛选成熟果实；最后，由双机械臂协同采摘，将成熟果实放入车体上的收集筐。当收集筐的重量达到预设值后，机器人自动返回初始地点。此外，该机器人也可以人工操控。

1.2 整体设计思路

双臂采摘机器人采用模块化设计，允许机器人的机械臂、传感器系统、动力系统等组件独立且可更换。这种设计便于维护和升级，同时允许机器人根据作业需求快速调整配置。履带式车轮使采摘机器人能够应对各种地形条件，包括在陡峭的山坡、泥泞的田地或不平整地面上稳定移动。双臂设计和机械臂的可拆卸性提供了适应不同高度和角度采摘的灵活性。机器人配备超声波和色标传感器，可实现对环境的精确感知。这些传感器使机器人能够识别成熟果实并规划最佳采摘路径。

2 主要结构设计

2.1 整体结构设计

采摘机器人主要由机械手和移动平台组成，其模型如图1所示。机器人通过移动平台上的装置配合，能够到达采摘位置。然后机械手采摘果实，放入车体内，并最终返回初始位置。

2.2 采摘装置设计

该机械手具有2个活动关节，具有很高的灵活性，使其能够摘取不同位置的果实，其结构如图2所示。该机械手前端夹具可替换，以适应不同果实的摘取需求；配合高清摄像头和力传感器，可实现高效精准的采摘。为了使采摘机器人适用于不同环境并扩大采摘范围，机械手采用球坐标式设计。机械手的关节数量可根据需要调整，以增加自由度并提高灵活性［5］。

该末端执行器由夹具、执行器、传感器和连接装置等4个部分组成。夹具直接与果实或植物接触，并且可以根据不同的采摘需求选择使用剪刀、采摘爪等工具；执行器采用舵机驱动，负责驱动末端执行器进行上升、下降、旋转等动作。传感器在末端执行器中扮演监测角色，特别是力传感器，与视觉算法结合使用，以实现对果实成熟度的精确识别。连接装置用来确保末端执行器能够与机器人臂同步运动，从而完成复杂的采摘任务。

2.3 移动平台设计

该移动平台主要由履带车轮和车架组成，具体结构如图3所示。履带车轮由橡胶履带、三角支架、驱动轮、支撑轮、涨紧轮、防侧翻装置和连接盘等组件构成，这使得其能够适应各种地形，具有高通过性和稳定性，从而大大扩展了机器人的使用范围［6］。车架配备超声波传感器，与履带车轮协同工作，确保车体正常移动。车架内部装有2个果实收集筐，便于存放机械手采摘的果实［7］。车架最上方装有状态指示灯：故障时红灯亮起，并伴有蜂鸣器响应；机器正常运行时，绿灯常亮；暂停工作时，黄灯常亮。这种状态指示灯使工作人员能更好地观察机器状态，并及时进行维修，有效降低机器报废率。电池存放室位于车架中，为机械手提供电源，同时方便电池更换。

2.4 果实识别系统设计

色标传感器通过发射光源照射被测果实，并接收果实反射回的光线［8］。由于果实位于各个方位，为确保光源始终垂直于目标物体，且接收器与物体成锐角，该色标传感器配备高清摄像头外壳，可以进行不同方位的旋转，以确保只检测来自目标物体的散射光，避免接收直射反射光。接收器将接收到的光信号转换为电信号，并通过信号处理电路进行分析。根据分析后的信号强度，色标传感器识别反射光的颜色特征，然后通过输出接口发送控制信号，引导机械手采摘成熟果实。

2.5 路径规划设计

超声波感应器由发射器和接收器组成，发射器产生超声波信号，接收器接收反射信号。利用这一过程进行距离测量、定位和障碍物识别，以实现车体的自动移动［9］。超声波感应器具有高精度、强抗干扰能力和低成本的特点。该机器人车体配备了2个超声波感应器，可提高车体前后移动的灵活性。

3 关键零件有限元分析

有限元分析是一种数值方法，用于简化复杂问题，可将问题分解为小的、易于求解的子问题。该采摘机器人具有高计算精度和适应复杂形状的能力。在采摘机器人中，机械手与夹具之间的连接装置发挥着至关重要的作用。因此，利用Solidworks三维软件对连接装置进行有限元分析，对提高采摘机器人的耐用性和性能至关重要［10］。

连接装置在正常工作时受到夹具和机械手的影响，其基本属性如表1所示。

经过计算可以得到连接装置的应力云图和位移云图，如图4所示。

应力云图显示连接装置的最大应力位于中心位置，最大应力为252 MPa，低于合金钢的张力强度。位移云图显示，连接装置零件的最大位移出现在连接夹具处，最大位移为0.335 8 mm，且位移变化保持在合理范围内。因此，所设计的连接装置符合正常工作条件下的强度要求和设计规范。

4 结束语

笔者设计了一款全地形双臂采摘机器人，旨在提升农业生产的自动化与智能化水平。通过整合先进的机械设计、精确的自动化控制算法和智能感知决策系统，使得机器人能在复杂地形中高效、精确地采摘水果。为检验机械手与夹具之间的连接装置是否满足强度要求，对其进行有限元分析。有限元计算结果表明，所设计的连接装置结构性能稳定，满足使用要求。所设计的机器人展现出卓越的适应性和稳定性，能够适应各类果园的多变地形和环境；其双臂协同工作机制提升了采摘效率，同时减少了果实损伤。由此可见，该设计对提升农业生产的自动化和智能化水平具有重要意义。

参考文献：

［1］赵春江，范贝贝，李瑾，等.农业机器人技术进展、挑战与趋势［J］.智慧农业（中英文），2023，5（4）：1-15.

［2］王文杰.基于自然场景语义理解的蔬果采收机器人灵巧摘取方法［D］.上海：上海交通大学，2022.

［3］赵源深.西红柿采摘机器人目标识别、定位与控制技术研究［D］.上海：上海交通大学，2018.

［4］鲍秀兰，马志涛，马萧杰，等.丘陵果园自然环境下柑橘采摘机器人设计与试验［J］.农业机械学报，2024，55（4）：124-135.

［5］李玲，顾晓宇.农业采摘机多自由度机械臂设计研究［J］.南方农机，2024，55（7）：50-52.

［6］仇毅，柳雨京，张劼.一种履带式农用机器人底盘车的设计与试验［J］.江苏农机化，2024（3）：14-17.

［7］潘运丹，林艺鑫.多传感器信息融合的教学移动机器人设计［J］.物联网技术，2024，14（7）：99-103，106.

［8］黄晨.探讨智能型色标传感器的原理与应用［J］.时代农机，2016，43（11）：61，63.

［9］杨亭，周健，陈文辉，等.基于超声波传感器的双足步行机器人避障系统设计［J］.现代制造技术与装备，2024，60（1）：45-47.

［10］郭自良，殷程凯，吴玄博，等.水果采摘机械手关键技术研究现状与展望［J］.江苏农业学报，2024，40（6）：1142-1152.