第 1 0 期 總 第 3 8 2 期 2 0 2 1 年 1 0 月 N o 1 0 O C T 文 章 編 號 1 6 7 3 8 8 7 X 2 0 2 1 1 0 0 0 3 5 0 2 果 實(shí) 采 摘 機(jī) 器 人 柔 性 機(jī) 械 手 的 設(shè) 計(jì) 田 寶 連 江 西 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 江 西 南 昌 3 3 0 0 0 0 摘 要 為 解 決 果 實(shí) 自 動 采 摘 的 精 準(zhǔn) 控 制 問 題 設(shè) 計(jì) 了 一 款 機(jī) 器 人 柔 性 采 摘 機(jī) 械 手 詳 細(xì) 介 紹 了 機(jī) 械 手 爪 連 接 件 氣 動 控 制 等 機(jī) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) 原 理 并 基 于 西 門 子 S 7 2 0 0 型 P L C 設(shè) 計(jì) 了 機(jī) 械 手 的 電 氣 控 制 回 路 和 循 環(huán) 采 摘 程 序 通 過 在 果 園 現(xiàn) 場 采 摘 試 驗(yàn) 發(fā) 現(xiàn) 該 款 機(jī) 械 手 運(yùn) 行 的 柔 性 效 果 良 好 采 摘 成 功 率 為 1 0 0 沒 有 出 現(xiàn) 掉 果 漏 摘 等 問 題 關(guān) 鍵 詞 農(nóng) 作 物 果 實(shí) 采 摘 機(jī) 器 人 柔 性 機(jī) 械 手 P L C 中 圖 分 類 號 S 2 2 5 9 3 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 A d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 8 8 7 X 2 0 2 1 1 0 0 1 4 DesignofFlexibleManipulatorofCropFruitPickingRobot TianBaolian JiangxiVocationalandTechnicalCollegeofIndustry Nanchang330000 Jiangxi China Abstract Abstract The design principles of manipulator claws connecting parts pneumatic control and other mechanisms are introduced in detail and the electrical control circuit and cyclic picking program of the manipulator are designed based on Siemens S7 200 PLC The picking testin the orchard shows thatthe manipulator is running The flexible effectis good the success rate of harvesting crops is100 andtherearenoproblemssuchasfruitdroppingormissingpicking andithasagoodapplicationprospectinthefieldofag riculturalpickingautomation Keywords cropfruits pickingrobot flexiblemanipulator PLC 1 柔 性 機(jī) 械 手 整 體 設(shè) 計(jì) 果 實(shí) 采 摘 機(jī) 器 人 柔 性 機(jī) 械 手 主 要 包 含 P L C 自 動 控 制 模 塊 機(jī) 械 手 爪 構(gòu) 件 機(jī) 械 手 連 接 件 氣 動 控 制 部 件 主 體 機(jī) 械 承 載 機(jī) 構(gòu) 報(bào) 警 模 塊 等 6 個(gè) 部 分 其 中 P L C 自 動 控 制 模 塊 用 于 組 建 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 硬 件 回 路 實(shí) 現(xiàn) 對 柔 性 機(jī) 械 手 采 摘 的 循 環(huán) 自 動 控 制 機(jī) 械 手 爪 是 完 成 果 實(shí) 采 摘 的 主 要 機(jī) 構(gòu) 連 接 件 是 手 爪 與 氣 動 控 制 部 件 的 連 接 模 塊 主 體 機(jī) 械 承 載 機(jī) 構(gòu) 用 于 裝 載 整 個(gè) 機(jī) 械 手 P L C 模 塊 電 源 模 塊 報(bào) 警 模 塊 等 部 件 報(bào) 警 模 塊 用 于 對 機(jī) 械 手 運(yùn) 行 中 可 能 出 現(xiàn) 的 過 壓 過 載 過 流 等 故 障 進(jìn) 行 報(bào) 警 且 出 現(xiàn) 報(bào) 警 故 障 系 統(tǒng) 會 自 動 斷 電 柔 性 機(jī) 械 手 整 體 設(shè) 計(jì) 框 圖 見 圖 1 報(bào) 警 模 塊 電 源 西 門 子 S 7 2 0 0 C P 2 2 6 型 P L C 電 磁 閥 連 接 件 手 爪 氣 路 圖1 柔 性 機(jī) 械 手 整 體 設(shè) 計(jì) 框 圖 Fig 1Theoveralldesignblockdiagramofflexiblemanipulator 2 柔 性 機(jī) 械 手 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 2 1 手 爪 設(shè) 計(jì) 手 爪 是 采 摘 果 實(shí) 的 主 要 機(jī) 構(gòu) 由 氣 缸 組 件 和 手 爪 組 件 2 個(gè) 部 分 構(gòu) 成 其 中 氣 缸 組 件 是 氣 路 連 通 和 能 量 傳 輸 的 載 體 由 于 在 采 摘 果 實(shí) 的 過 程 中 機(jī) 械 手 需 要 執(zhí) 行 上 升 旋 轉(zhuǎn) 定 位 抓 取 果 實(shí) 下 降 旋 轉(zhuǎn) 復(fù) 位 松 開 果 實(shí) 系 列 動 作 因 此 在 氣 缸 的 配 置 上 包 括 給 手 爪 抓 取 松 開 動 作 提 供 能 量 的 手 指 氣 缸 給 手 爪 旋 轉(zhuǎn) 定 位 復(fù) 位 動 作 提 供 氣 能 的 旋 轉(zhuǎn) 氣 缸 給 手 爪 上 升 下 降 動 作 提 供 能 量 的 旋 方 型 氣 缸 手 爪 組 件 采 用 硅 膠 制 作 制 作 的 流 程 為 采 用 a u t o C A D 軟 件 制 作 手 爪 三 維 模 型 應(yīng) 用 3 D 打 印 技 術(shù) 制 作 手 爪 模 具 制 作 手 爪 內(nèi) 膽 將 內(nèi) 膽 放 入 手 爪 模 具 澆 注 硅 膠 等 待 手 爪 固 定 成 型 2 2 連 接 件 設(shè) 計(jì) 連 接 件 是 手 爪 機(jī) 構(gòu) 與 氣 路 氣 管 連 接 的 部 件 起 固 定 柔 性 手 爪 和 保 證 氣 路 氣 密 性 的 作 用 首 先 在 保 證 氣 路 氣 密 性 設(shè) 計(jì) 上 通 過 應(yīng) 用 生 膠 帶 固 定 連 接 螺 栓 在 生 膠 帶 的 纏 繞 上 務(wù) 必 做 到 仔 細(xì) 盡 可 能 多 繞 幾 圈 其 次 在 柔 性 手 爪 固 定 設(shè) 計(jì) 上 在 連 接 件 內(nèi) 部 頂 端 設(shè) 計(jì) 了 3 個(gè) 氣 管 氣 路 與 三 指 手 爪 連 接 的 通 道 并 通 過 螺 栓 加 固 連 接 氣 路 通 道 完 成 連 接 件 設(shè) 計(jì) 后 需 要 通 過 反 復(fù) 的 采 摘 試 驗(yàn) 測 試 氣 密 性 和 手 爪 牢 固 程 度 確 保 手 爪 在 完 成 果 實(shí) 采 摘 循 環(huán) 動 作 中 不 會 出 現(xiàn) 漏 氣 掉 落 等 故 障 2 3 氣 動 控 制 設(shè) 計(jì) 氣 動 控 制 部 分 為 手 爪 采 摘 果 實(shí) 動 作 提 供 能 量 包 含 電 磁 閥 氣 動 管 磁 性 開 關(guān) 緩 沖 閥 節(jié) 流 閥 消 聲 器 等 部 件 在 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 上 按 照 柔 性 手 爪 通 過 氣 管 連 接 氣 動 電 磁 閥 氣 動 電 收 稿 日 期 2 0 2 1 0 9 2 4 作 者 簡 介 田 寶 連 1 9 9 0 女 江 西 人 碩 士 研 究 生 助 教 研 究 方 向 智 能 控 制 3 5 磁 閥 連 接 氣 源 的 方 式 構(gòu) 成 此 外 在 柔 性 手 爪 上 安 裝 數(shù) 個(gè) 磁 性 開 關(guān) 傳 感 器 用 來 精 確 檢 測 手 爪 采 摘 果 實(shí) 的 狀 態(tài) 緩 沖 閥 節(jié) 流 閥 可 調(diào) 整 氣 壓 以 確 保 手 爪 采 摘 果 實(shí) 動 作 的 穩(wěn) 定 性 消 聲 器 用 于 降 低 手 爪 循 環(huán) 動 作 時(shí) 產(chǎn) 生 的 噪 音 圖2 手 爪 設(shè) 計(jì) 圖 圖3 連 接 件 設(shè) 計(jì) 圖 Fig 2Thedesign Fig 3Thedesign drawingofgripper drawingofconnector 電 磁 閥 驅(qū) 動 線 圈 消 聲 器 氣 源 氣 動 電 磁 閥 氣 動 管 氣 動 手 爪 手 爪 夾 緊 信 號 電 磁 開 關(guān) 2 4 V 圖4 氣 動 控 制 連 接 圖 Fig 4Thepneumaticcontrolconnectiondiagram 3 機(jī) 械 手 采 摘 自 動 控 制 設(shè) 計(jì) 3 1 PLC 電 氣 控 制 回 路 系 統(tǒng) 以 西 門 子 S 7 2 0 0 型 P L C 為 硬 件 核 心 設(shè) 計(jì) 還 包 括 外 接 繼 電 器 接 觸 器 開 關(guān) 報(bào) 警 指 示 燈 電 氣 適 配 件 等 此 外 為 柔 性 機(jī) 械 手 采 摘 動 作 控 制 分 配 合 適 的 I O 地 址 也 是 設(shè) 計(jì) 的 核 心 項(xiàng) 目 具 體 來 說 本 系 統(tǒng) 的 輸 入 電 氣 地 址 包 括 I 0 0 系 統(tǒng) 啟 動 開 關(guān) I 0 1 系 統(tǒng) 停 止 開 關(guān) I 0 2 手 爪 上 升 限 位 磁 性 開 關(guān) 傳 感 器 I 0 3 手 爪 下 降 限 位 磁 性 開 關(guān) 傳 感 器 I 0 3 手 爪 旋 轉(zhuǎn) 限 位 磁 性 開 關(guān) 傳 感 器 I 0 4 手 爪 抓 緊 限 位 磁 性 開 關(guān) 傳 感 器 I 0 5 連 接 件 傳 感 器 本 系 統(tǒng) 的 輸 出 電 氣 地 址 包 括 Q 0 0 手 爪 上 升 驅(qū) 動 電 磁 閥 線 圈 Q 0 1 手 爪 下 降 驅(qū) 動 電 磁 閥 線 圈 Q 0 2 手 爪 旋 轉(zhuǎn) 驅(qū) 動 電 磁 閥 線 圈 Q 0 6 手 爪 驅(qū) 動 電 磁 閥 線 圈 Q 0 4 報(bào) 警 指 示 燈 驅(qū) 動 線 圈 此 外 在 具 體 的 P L C 電 氣 控 制 回 路 配 置 上 應(yīng) 在 接 線 中 嚴(yán) 格 檢 查 各 傳 感 器 電 磁 閥 氣 路 氣 管 輸 入 輸 出 控 制 端 子 的 連 接 密 封 情 況 確 保 柔 性 手 爪 的 循 環(huán) 采 摘 作 業(yè) 質(zhì) 量 3 2 循 環(huán) 采 摘 程 序 基 于 P L C 編 譯 的 果 實(shí) 循 環(huán) 采 摘 梯 形 圖 程 序 流 程 圖 見 圖 5 整 個(gè) 程 序 的 編 譯 執(zhí) 行 思 路 為 啟 動 設(shè) 備 系 統(tǒng) 完 成 復(fù) 位 和 自 檢 機(jī) 械 手 初 始 位 為 下 降 限 位 松 開 限 位 旋 轉(zhuǎn) 復(fù) 位 狀 態(tài) 機(jī) 器 人 柔 性 機(jī) 械 手 運(yùn) 行 至 果 園 對 應(yīng) 的 采 摘 區(qū) 域 柔 性 機(jī) 械 手 按 照 上 升 旋 轉(zhuǎn) 到 位 采 摘 抓 緊 旋 轉(zhuǎn) 復(fù) 位 下 降 松 開 放 果 的 循 環(huán) 流 程 執(zhí) 行 采 摘 作 業(yè) 采 摘 過 程 中 若 P L C 連 接 的 傳 感 器 檢 測 到 掉 果 漏 摘 過 壓 過 載 過 流 等 故 障 問 題 系 統(tǒng) 指 示 燈 會 閃 爍 并 自 動 停 止 采 摘 作 業(yè) 若 采 摘 過 程 中 沒 有 發(fā) 生 故 障 柔 性 機(jī) 械 手 會 自 動 循 環(huán) 執(zhí) 行 采 摘 作 業(yè) 直 至 技 術(shù) 人 員 按 下 停 止 按 鈕 系 統(tǒng) 才 會 停 止 采 摘 此 外 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 過 程 中 若 出 現(xiàn) 停 電 故 障 急 停 會 導(dǎo) 致 的 機(jī) 械 手 未 能 停 在 初 始 位 特 編 譯 了 機(jī) 械 手 再 次 通 電 后 的 自 動 和 手 動 復(fù) 位 程 序 即 重 啟 系 統(tǒng) 后 倘 若 發(fā) 現(xiàn) 機(jī) 械 手 未 能 停 在 初 始 位 技 術(shù) 人 員 可 按 下 手 動 復(fù) 位 開 關(guān) I 0 6 或 自 動 執(zhí) 行 S M 0 1 初 始 化 程 序 使 機(jī) 械 手 回 到 初 始 位 置 具 體 的 梯 形 圖 程 序 見 圖 6 啟 動 系 統(tǒng) 識 別 果 實(shí) 并 采 摘 否 否 是 是 是 否 完 成 采 摘 是 否 出 現(xiàn) 故 障 返 回 發(fā) 出 報(bào) 警 并 停 止 圖5 循 環(huán) 采 摘 程 序 流 程 圖 Fig 5Theflowchartofcircularpickingprocedure 圖6 機(jī) 械 手 復(fù) 位 程 序 Fig 6Themanipulatorresetprocedure 4 結(jié) 語 系 統(tǒng) 完 成 設(shè) 計(jì) 后 在 果 園 中 進(jìn) 行 了 運(yùn) 行 試 驗(yàn) 結(jié) 果 顯 示 該 款 機(jī) 械 手 針 對 農(nóng) 作 物 果 實(shí) 的 采 摘 成 功 率 為 1 0 0 沒 有 出 現(xiàn) 掉 果 漏 摘 等 問 題 穩(wěn) 定 性 可 靠 性 和 應(yīng) 用 性 良 好 在 農(nóng) 作 物 果 實(shí) 自 動 采 摘 生 產(chǎn) 領(lǐng) 域 具 有 一 定 的 推 廣 價(jià) 值 參 考 文 獻(xiàn) 1 劉 凡 楊 光 友 楊 康 農(nóng) 業(yè) 采 摘 機(jī) 器 人 柔 性 機(jī) 械 手 研 究 J 中 國 農(nóng) 機(jī) 化 學(xué) 報(bào) 2 0 1 9 4 0 3 1 7 3 1 7 8 2 王 永 剛 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 器 人 在 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 上 的 應(yīng) 用 J 鄉(xiāng) 村 科 技 2 0 1 9 3 3 1 1 7 1 1 8 3 劉 成 良 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 器 人 與 智 能 裝 備 J 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 2 0 2 0 2 4 7 農(nóng) 業(yè) 裝 備 田 寶 連 果 實(shí) 采 摘 機(jī) 器 人 柔 性 機(jī) 械 手 的 設(shè) 計(jì) 3 6