枸杞采摘机械手设计
摘要：枸杞是茄科小灌木枸杞的成熟果实。枸杞子药食同源，是驰名中外的名贵中药材，有延缓衰老的功效。枸杞子中含有多种氨基酸，花青素等营养成分，使其具有保健功效，受到消费者的追捧。但由于其果实小，水分大，易破损的特点，选择以人工采摘为主。本设计针对其特点，使用模仿人工采摘的方式，使用双机械臂配合采摘，以实现机械手采摘枸杞的功能。在不损伤枸杞的情况下，最大程度的解放劳动力，降低农民的劳动强度，降低采摘成本。
关键词：枸杞，机械臂，采摘
1 选题背景及其意义
枸杞是茄科小灌木枸杞的成熟果实。枸杞子药食同源，是驰名中外的名贵中药材，有延缓衰老的功效。枸杞子中含有多种氨基酸，花青素等营养成分，使其具有保健功效，受到消费者的追捧。枸杞是茄科枸杞属的多分枝灌木植物，常用的有中华枸杞（Lycium- chinenseMill.）和宁夏枸杞（Lycium barbarum L.）两个物种。枸杞属植物通常为有棘刺或无棘刺的灌木。枸杞在我国宁夏、青海、新疆、内蒙古等地均有大面积种植。随着枸杞市场价值的提升，大型枸杞生产基在普遍分布西北地区。
据中药材天地网数据总结，2018年宁夏地区枸杞产量在6万吨以上，青海地区总产量在8万吨以上，甘肃地区总产量5万吨以上，新疆地区1.5万吨以上，内蒙古地区4000吨以上，河北地区350-400 吨。保守估计全国产量在22万吨以上。
图1 枸杞
目前我国枸杞种植面积在100万亩以上。虽然宁夏、内蒙古、青海等主产区种植面积没有明显的变化，全国枸杞的产量却一年比一年增多。随着劳动力的减少，人工采摘的传统方法局限性显现，采摘高峰期人工供不足等问题日渐严重。
枸杞果实分布在枸杞树枝下方，在人工采摘时，工人会将枝条拉起，采摘枝条下面的枸杞。机器采摘模仿人采摘的过程。由于特殊的工作模式，工作过程和运动规划过程相比现有的蔬果采摘机器人更复杂。现有的蔬果采摘机器人进行蔬果采摘时采用直接采摘模式，采摘果实就直接识别抓取果实，但枸杞采摘机器人采摘的是枸杞，先识别抓取的却是枸杞枝条，难度更大。在采枸杞果实时，机械手需要一定的工作空间，枸杞果实生长枸杞树枝下面，或者在两个枝条之间，机械臂在运动中要尽量避开。要使采摘能顺利进行，必须先使机器人准确的识别枸杞果实和枸杞枝条，得到要抓取枸杞枝条的空间位置，然后通过空间坐标位置和机械手实现枸杞采摘。
2 采摘机械手的研究现状
目前，己经研发出来的采摘机械手被分为两大类，第一类是自主行走式机器人，这类机械装置的主要特点是可以自助行走，行走的过程中可以进行相应的工作[1]。第一类机器人以自助行走系统为基础上进而研制成功的，其主要用在自动插秧、自动播种、自动施肥等农业生产方面；第二类为非自主行走式机器人，主要以水果、苗木等分布比较分散、质量比较轻的个体为操作目标，这些机器人主要有挤奶机器人、禾苗嫁接机器人、果蔬采摘机器人等。上述这些机器人还会受到季节性自然气候条件而导致使用效率较低，从而使农业生产成本间接地增加了。因此目前急需一种灵活耐用效率高效农业采摘机器人。
国外研究现状
美国学者Schertz和Brown[2]是首次把机械手应用于果蔬采摘。
当今，日本人口老龄化的问题日益严峻，导致日本农业劳动力也严重不足，而松下
则研发了番茄采摘机器人，且预计在2019年中旬开始试销刚[3]。该采摘机器人采用高清晰度摄像机采集果实图像并对果实位置进行精确定位，采摘时这种机器人只会拉拽番茄果梗部分而不伤害娇嫩的果实。
西班牙某研究所根据人机相瓦协作的思想研发了一款柑橘采摘设备[4]。它的组成部分包括计算机及其周边设备、一个机械手、光学视觉系统等部分，它的功能是把是否成熟，可不可以采摘通过柑橘的颜色、形状和大小判断出它的工作效率特別高，平均内分钟可以摘50个，而人工每分钟只能摘10个。其次，通过装有光学视觉系统的机械手的柑橘采摘设备，并对采摘下来的柑橘根据其大小进行相应的分类。
美国佛罗里达大学进行了橙子采摘机械手的研究[5]。该采摘设备是采用两个相对独立，有不同功能同时又能相互配合无间的机械手，第一个机械手负责寻找和发现各个甜橙的位置，并计算最有效率的采摘路径，将信息和数据传至第二个机械手，第二个机械手负责在不损坏甜橙树的情况下得到果实。
英国奥克杜公司研制了柔软手臂机械手[6]，这种机械手由一种新型柔性可折叠材料组成。它的工作原理是通过调节材料内部的气压变化来抓经过视觉系统识别的东西。该工具能够有效的替代大量的人工劳动，节约人力资源和降低农产用工成本。空气的压力作为该“柔软”机械手手臂的唯一控制组件，可以通过内部气压的变化调节机机械手的大拇指及其它指关节、掌心和各段手臂来不断适应目标物体的形状，从而实现抓取目标物体又不对其造成损伤。不过目前其各项工作仅在实验条件下能够完成。
此外，山本一郎等日本木国立农业研究屮心的技术人研制火采摘机器人[7]。该机器人由履带式行走装置、极坐标机械手、指状末端执行器和机器视觉传达系统组成。动力部分采用液压驱动，采摘装置下方配有果实收集装置，缩短采摘作业时间，提高了收获速度。成功率为43％，采摘速度为55s/个。该机械手的缺点是无法绕过枝叶树干等遮挡苹果的障碍物摘取苹果。
国外研究现状
果蔬采摘机械手在国内的研究进展和国外还有不小差距。
江苏大学赵德安团队研制的苹果采摘相关设备，主要由移动车辆载体和五自山度的机械手这两部分组成[8]。机械手通过每个关节的驱动装置来驱动。此开链连杆式关节型机械手，机械手固定在履带式行走机构上，其机械臂为的结构为PRRRP结构，采摘苹果的机械臂上安装有末端操作器。因为该机械手被用于未知、不确定以及非结构性的环境中，机械手的采摘对象也是随机分布的，因此安装了很多形式的传感器用来适应比较复杂的环境。采摘机械手使用多种传感器。其中，视觉传感器主要是为了实现末端操作器与采摘对象之间的相对距离，采摘对象是否可摘、形状以及尺寸等相关的任务；位置传感器主要包括装在大臂、小臂旋转关节处、腰部等部位的８个霍尔传感器，这样才能实现对旋转关节的旋转的紧缺角度和直动关节的精确的直行距离；而避障类型的传感器主要由安装在小臂上、左、右３个不同方向的５个开关和机械手臂的后端的力敏电阻，这样可以实现其在工作过程中能更好的躲避障碍物。
华南农业大学的学者研制的荔枝采摘的机械手[9]，其优点是可应用立体的视觉对需要采摘的苹果进行定位，获取机械臂的视野范围内的水果作为目标，然后通过数学规划为基础，采摘路径可以实现自主规划，移动其末端的夹指进行对苹果的采摘。机械臂摘果时非常有条理。首先，使用夹指把果枝进行固定，再对果枝进行切割。因为机械手臂通用性较强，所以可对不同的水果进行采摘，包括红枣、苹果、橘等。根据研究者统计，机械手每小时采摘的荔枝的重量比人工采摘的两倍都多。如果作业地点离开：并通过力的传感器控制机械手的抓持力，最后通过激光束摘取番茄。上海一所大学研制的高地隙的跨垄作业４自由度的采摘机械手，通过使用两个CCD照相机获取草莓的外观轮廓，分析出草莓的重心位置，使用两个手指相互配合来抓取草莓的果柄，使果实的损伤得到避免。
郑甲红等人设计出一种采摘核桃机械手，其的组成部分主要包括液压控制系统、液压泵、摇振装置、电机和小推车等，采摘装置都安装在手推车上，有利于设备的移动[10]。该设备的采摘效率特别高，每个果实的采摘时间大约为一分钟，缺点是不能对振动机构的振幅和频率进行调节。
梁栋等学者设计了一款液压式椰果采摘机，动力来自于拖拉机，拖拉机再带动液压泵进行采摘工作[12]。
张燕等人研究了一款芒果的采摘机械手，其通过液压传动系统来传递运动进而实现相应的采摘工作。其工作的时候，底部的支腿先将采摘设备支，然后伸缩缸进行相应的伸缩，进而将执行机构移动到对应的位置，最后一部是推动液压剪，把芒果的枝条剪短，从而完成采摘的工作[13]。
上面的研究成果突破了一般采摘机械手在结构方面的技术屏障，也是对普通的机械手运行方式的挑战，为机械手从设计到进入农田进行使用提供了非常强的理论与技术方面的支撑。我们国家在苹果采摘机械手方面的研究还比较少，且对于苹果采摘机械手的测试设备也不全，但是，苹果的市场需求量在不断增加。国外虽然研制出了采摘机械，但是也没有解决真正的实际问题，也不与我国实际采摘环境相符合，并且．从国外购买的采摘机械设备特别昂贵，这样会使得苹果的成本增加。所以购买外国的采摘机械手并不能在国内实现推广，只有研制出效率比较高、成本较低以及采摘设备可以适应我国苹果的采摘才至关重要。
3 研究内容
根据任务书，本课题设计一种枸杞采摘机械手，该机械手的主要功能为根据机器视觉获取的位置数据对机械手的末端执行件进行位置定位，机械手将枸杞枝条抓住，机械手各关节配合完成枸杞的采摘，将采摘下来的枸杞进行收集等，以解决枸杞的采摘问题。因此对枸杞采摘机械手的研究内容分为以下几个内容。
（1）对枸杞在树上的分布特点与规律进行分析，确定了树上枸杞的分布区域：确定了采摘对象的物理性能参数；为采摘机械手总体方案的设计提供基础数据与依据。
（2）根据枸杞在树上分布特点，结合机械手采摘枸杞的实际工作要求，合理选择了采摘机械手的驱动方式，确定采摘机械手的自由度、末端执行机构的形式和采摘机械臂的结构方式，完成枸杞采摘机械手的总体设计方案，为采摘机械手的结构设计奠定了基础。
（3）依据枸杞采摘机械手的总体设计方案，结合枸杞的物理特性对采摘机械手末端执行机构进行具体的结构设计；根据采摘机械手末端执行机构的结构和剪切动作要求，对采摘机械手机械臂进行结构设计；最后，根据机械臂的结构，对机械臂动力部分进行设计，最终完成了采摘机械手的全部结构设计。
（4）利用运动仿真分析对采摘机械手机械臂尺寸的正确性进行检验。
4 研究方案
4.1整体方案
4.1.1采摘机械手的工作环境分析及工作方式的确定
枸杞具有果实小，皮薄的特性，直径只有1cm,长度为0.8~2cm,果实属于属于浆果含水量大，皮薄容易破损，而且果实在枝条上连续生长，在抓取上难以实现，且存在效率低的问题。枸杞树属于灌木植物，高度为 0.5 ～ 1 m。其等效作业空间为1.5 m × 1 m × 0.75 m 的长方体[14]。由于枸杞的特点本设计将采用模仿人工采摘方式，采用双机械臂配合采摘，两机械臂分别采用不同的末端执行机构，实现左机械臂将枝条固定并拉动到适合采摘的空间，右机械臂使果实与果梗分离。工作过程中依靠视觉系统，双机械臂以人类双手协同作业的方式将一定范围内的枸杞采摘完后。
图2 简化枸杞树采摘环境
图3 等效采摘空间区域
4.1.2采摘机械手的驱动方式的选择
驱动方式直接影响着采摘机械手的工作效率。目前，采摘作业中常用的驱动方式有三种，分别为电机驱动、液压驱动和气压驱动。下而对二种驱动方式的优缺点作进一步分析：
（１）气压驱动
气压驱动输出功率较高、结构紧凑、标准化程度高，设备成本低、维修方便．但是气压驱动存在较大的噪声污染。由子柱塞两侧的气腔存在压力差，目前的技术条件下很难控制气缸柱塞在任意位置停止，且气压驱动只能给近距离的机械手提供能量。
（２）液压驱动
液压驱动结构紧凑、反应灵敏，可以无极调速，控制的精度较高，但是工作时动作较慢，不适合快速移动。液压驱动与气压驱动相比，结构大、对密封性要求较高，容易发生液压油泄漏，原件制造成本较高。
（３）电机驱动
电机驱动功率较大、灵敏度高、控制精度高，可实现连续控制，并且噪声较小、对环境无污染。如果使用伺服电机容易实现标准化，发生爆炸和火灾的几率特別小，控制元较多。
由上述分析可知，三种驱动方式特点，但是枸杞采摘机械手需要考虑到机械手采摘枸杞的实际需求和作业环境的实际情况。由于油压驱动速度较慢，气压驱动只能给近距离的机械手提高能量，因此，气压驱动和液压驱动不适合作为枸杞采摘机械手的驱动方式。电机驱动机动灵活、反应迅速，很符合枸杞采摘的工况，而且可以在载具上配备蓄电池，便于为电机提供能量。所以，本文选用电机驱动作为枸杞采摘机械手的驱动方式。
4.1.3采摘机械手末端执行机构方案确定
（1）抓取装置
枸杞树枝叶繁茂，工人在采摘时通过手指插入的方式准确找到枝条，由于枸杞的特殊性，对于抓取装置有以下要求：
1） 体积小。抓取装置要应尽可能可能小巧，保证能灵活的靠近枸杞枝条。因为枝条末端近似为圆柱体，夹持不需要考虑夹持姿态。
2） 稳固夹持。夹持器工作性能要求在夹持时能牢固的夹持住枸杞枝条。枝条末端近似为圆柱体，夹持方位没有特殊要求。
3） 柔性材料。抓取和拉起枸杞时不能损伤枸杞枝条，在接触面需要使用柔性材料保护枸杞枝条的健康。滑块式夹持机构类似于人的两个手指，体积好能勾稳固夹持枸杞枝条，能完成智能枸杞采摘机器人对抓取装置的要求。下图为一种滑块夹持机构。
图4 抓取装置
（2）采摘装置
国内外农机学者早已针对小浆果机械化收获开展研究并有所突破，关于其采摘方式主要有：局部振动式，整体振动式，梳刷式，剪切式，气吸式等。目前，国内学者对这几种采摘方式在枸杞采摘上进行试验，试验结论:①损伤优劣评价:剪切>高频振采>正压紊流>负压斜推>辊刷>击振;②采净率优劣评价:剪切>负压>高频振采>辊刷>正压>击振;③整体高频振动采收易误采,其他方法相仿;④适宜粗放型采收的采收方法效率普遍高于精细型,缘于其操作便捷;根据操作条件限制,综合优劣评价结果:粗放型:高频;振采>正压>击振;精细型:剪切>负压>辊刷。由于采用机械手所以选择剪切式，能保证精细的同时，不损伤枸杞[15]。
4.1.4采摘机械手机械臂结构方案确定
1）自由度的确定
由于要模仿人的采摘方式，所以要成人体手臂分析，人的手臂结构主要包括肩关节、上臂、肘关节、前臂以及腕关节，其中上臂与前臂的受力较大。本设计的拟人机械臂主要由肩关节、肘关节、腕关节组成。其中肩关节的自由度为3个，肘关节的自由度为1个，腕关节的自由度为3个。本设计的机械臂整体结构如下：
1-肩关节 2-肘关节 3-腕关节
图5 机械臂的整体结构
2）肩关节的机构选型
球面三自由度并联机构是一种有着重要应用的少自由度并联机构，可实现3自由度转动，国内外众多学者对此已经做了大量的研究，并取得了相应的成果。
采用上述球面三自由度并联机构作为肩关节的机构原型，其运动特点虽然可以满足人体肩关节运动的要求，但其存在工艺性差、制作成本高等不足。文中通过改变传统 3-RRR 球面机构的拓扑结构得到新型正交球面三自由度3-RRR并联机构，采用该并联机构为原型设计的三自由度肩关节机构简图和机构三维图如下，该肩关节机构具有结构简单、工艺性好且易于制作的优点[16]。
1 动平台 2 连杆 3 连架杆 4 机架
图6 三自由度肩关节机构简图
1 基座连接件 2 机架 3 驱动器 4 驱动杆 5驱动连杆 6 连架杆 7 连杆 8 动平台
图7 三自由度肩关节三维图
3）肘关节的机构选型
肘关节要完成1个自由度的功能，所以采用四杆机构原理。
1 机架 2 动平台 3 长连杆 4连杆
图8 腕关节
4）腕关节的机构选型
由于要完成3自由度的功能，本设计采用浙江工业大学徐梦茹提出的3-UPS/S
并联机构腕关节[17]。其机构简图与三维图如下
图9 腕关节机构简图
1 动平台 2 分支球铰链 3 电推杆 4静平台 5 中间球铰链 6 中间支架 7虎克铰链
图10 腕关节三维图
5）整体结构
设计出的枸杞采摘机械手可以安装在已有的智能车上。
1 视觉平台 2 机架 3 机械臂 4 存储盒 5 采摘装置 6 市面已有智能小车 7 抓取装置
图11 整体结构
5 进度计划
2018.12.01-2018.12.31了解枸杞采摘实施原理，搜集资料，研读资料
2019.01.01-2019.01.31 做方案经济性、可行性分析与比较，拟订总体方案
2019.02.01-2019.03.10 确定细节设计方案，进行三维建模、机构动作动画仿真和干涉检查，对关键部件做有限元分析，完成机械结构、机构初步设计
2019.03.11-2019.04.30进行机械结构详细设计，绘制总装图，绘制主要零部件零件图
2019.05.01-2019.05.25设计计算说明书撰写、修改及答辩准备
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