李珑
(陕西工业职业技术学院，陕西咸阳712000)
摘要：通过利用仿人多指采摘机械手，可以实现番茄采摘过程的自动化，这就极大地提升了采摘工作的效率。对基于 单片机的仿人多指番茄采摘机械手的设计问题进行一些有意义的探讨，希望对相关工作有所借鉴。 关键词：单片机；番茄采摘；仿人多指机械手
dci：10. 3969/j.issn.1006 -8554.2018.01.033
1果实采摘中应用机器人技术的意义
现代化社会的一个典型特点就是各种科学技术高度发达，而且在社会生产和生活中得到广泛的应用。以可编程机器人 技术为例，它的出现和不断完善使得人类的很多传统生产模式 被改变，可编程机器人已经可以代替很多传统必须依靠人类劳 作的生产工作岗位，这一方面降低了劳动强度，使人可以从生 产岗位上被解放出来，转而去从事一些生产协调和指挥的工 作；另一方面也极大地提升了生产效率，而且因为排除了人为 不稳定因素干扰的缘故，使得生产质量得到大幅度提升。
近年来，随着计算机编程和自动化控制技术的进一步提 升，可编程机器人的动作灵活性和自动化控制水平也在不断提 高，而这促使机器人的用途也更加广泛。比如在果实采摘领 域，只要所设计的多指采摘机械手（如图1所示）具备足够的灵 活性和柔性，能够保障果实的采摘破损率在可接受的范围内，那么应用机器人来代替人类进行果实采摘就不失为一个好途 径。笔者正是基于这一考虑，对基于单片机的仿人多指番茄采 摘机械手的设计进行一些有意义的探讨，希望为实现果实采摘 自动化提供参考和借鉴。
图1仿人多指机械手
2总体设计
鉴于番茄采摘工作对手指动作的灵活性有着较高的要求，所以对仿人多指机械手的动作控制就提出了更高的要求。为了实现动作的灵活性，需要对采摘中涉及到的运动方式进行精 确地分析，并构建相应的数学模型。在此基础上，可以通过运 用不同的驱动方式来精确实现采摘。至于对采摘动作尤其是手指运动的控制，可以使用P ID闭环反馈控制系统来实现。具 体而言，需要对采摘机械手的手指运行进行精确协调，而协调 功能则可以通过布设在运动执行末端的传感器反馈信号来进 行。运动末端的传感器将采集到的信息通过X D转换后输送 给单片机，而单片机则通过对信号的分析处理来生成控制指 令，进而实现对夹紧力的调整。当多指机械手灵活地夹紧番茄 时，需要对果实进行切断，然后再移动
至果箱。整个移动过程 可以通过限位开关进行启停，一旦仿人机械手移动到预设位置 后，系统就会控制手指松开，这样果实就自然落到了果箱当中，进而完成采摘流程。
通过以上对仿人机械手的总体分析可知，其整个采摘动作 都需要依靠单片机来进行控制，单片机不仅需要接受末端传感 器发来的外部数据并加以处理，还需要生成相应的控制指令，并同时完成对机械手运动的协调。除此之外，整个采摘机械手 系统还需要设置相应的人机交互界面来对系统的运行状态和 控制模式进行显示，以方便操作人员通过自主设定来调整控制 过程。
3结构和控制系统设计
对于番茄等果实采摘作业来说，机械手的结构设计要点是 必须要能实现果实抓持，所以应将多指设计成为弧形面。同时，为了确保番茄可以被抓实而不脱落，应该施加一定的载荷 力F。F的取值必须科学合理，太小则无法实现抓持；太大又容 易夹碎番茄。F值应根据弧形面材料与番茄外表间的最大静 摩擦力来进行确定。具体而言，可以提取番茄的平均重力，然 后使因添加F而产生的静摩擦力与番茄自重达到平衡。通过 以上分析不难看出，F载荷的取值与两个因素有关。一个是番 茄果实的平均质量（自重）；另一个就是接触弧形面与果实间的 摩擦因数，具体关系则可以通过运用牛顿经典力学的相关原理 进行求解。
机械手及其多指的结构尺寸与番茄的尺寸有关。现实中，考虑到番茄果实的大小会存在一定的波动，
丝网除沫器安装所以需要应用统计 计算法来综合确定果实质量与其大小尺寸间的相关性。此外，为了实现对果实的抓持、松开以及果柄切断等功能，可以采用 电机驱动丝杠旋转的方式来控制多指的开闭，然后再利于内置 的电热丝来进行果柄的热切断。
(下转第95页）
输A 电流电压3.2 高压变频器的优点
第一，较好地完成皮带机的软启动。皮带机要想慢慢启 动，就需要电机缓慢启动，对于皮带内部贮存的能力，皮带可以 有效释放，很好减轻输送机启动和停止产生的冲击力，以防胶 带受损。第二，可以降低皮带强度。变频器启动时间能够在
1 9之内调整，而皮带运输机启动时间可在3 m in 内调节。所 以，能够对延长启动时间、降低皮带强度起到正面作用，减少设 备组件损坏，延长其寿命，起到降低成本的作用。第三，采用主 -从或其他控制方式都可以完成多电机驱动转矩平衡。第四， 验带功能。空载时，变频系统通过交流传动系统完成变速，在 额定带速内把带速调低，体现其验带功能，方便检修。第五，重 载启动稳定。第六，自动调速功能。变频器可以根据负载情况 完成自动调节带速，减轻对皮带的磨损。第七，节能降耗。皮 带运输机运煤多少由开采量决定，液力耦合器软启动时，不容 易调节带速，即使是负载或者是空载，带速仍高，这会消耗很多 电能，鉴于生产要求，皮带运输机需要不停运转。而变频器驱 动电机可解决上述问题，能够根据需要自动调节带速，达到节 能作用。
3.3 变频调速方案确定
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多台电机驱动皮带运输机时要确保电机间协调控制，考虑 到滑差，变频器输出频率就会偏差，造成输出转矩不平衡，所以 采取以下方案来平衡转矩。
第一-，一*拖多并联运彳了方案。其使用范围是电机输出低于 3台、电机功率小以及成本要求低的变频调速系统。第二，主 -从控制方案。其使用电机数量低于3台、电机之间间距小、 电机转矩均衡输出的变频调速系统。第三，统一协调控制方 案。其使用电机数超过3台，同时电机间距大的变频调速系 统。至于采用哪种方案，应该具体情况具体分析。而某矿采取 的是第二种方案，其中1台变频器作为主控来确定输出转矩， 另外1台被主控变频器控制，和主控变频器一起运行。这里需 要指出的是，变频调速系统只对电机转矩进行控制，而不控制 从控电机的转速。具体见图3。
通过图3看出，主控高压变频器控制电机转速，并输出2台电机的输出转矩。为确保电机转速精度，一般将其控制在 0. 5%内，变频器使用无速度传感器矢量控制技术，如果精度要 求更高，则控制0. 1%内，应使用速度传感器。
图3
主-从控制结构
4
效果
在该矿井下使用主-从高压变频调速系统，可以做到依据 实际情况有效调节皮带运输机，降低能耗和
成本，实现自动化 运行。同时，降低维修量，提高经济效益。5
山药种植开沟机结语
某矿根据实际情况选择主-从高压变频调速系统在井下 皮带运输机中应用，很好地解决了多电机转矩不平衡问题，而 且能够做到带速根据负载情况而变化，在延长皮带使用寿命的 同时，也实现了节能降耗，令煤企经济效益提高。参考文献：
[1]韩伟.对煤矿运输机中的变频调速技术具体应用分析
[J ].机械管理开发，2016,31(8):84 -85.[2 ]
刘慧敏.基于变频技术的煤矿皮带运输机调速系统的应 用研究[J ].机械管理开发，2017,32(6):102 -103.作者简介：
刘国强（1980 -)，男，河南平顶山人，本科，毕业于河南理 工大学，助理工程师。
输出
电压
至1#
电机
主控变频器
(上接第93页）4
性能测试
以上对仿人多指番茄采摘机械手的总体、局部结构以及控 制系统的设计问题进行了探讨，但最终设计成果是否满足实际 使用要求还需要进行测试。因为番茄采摘不当就极易导致破 损，所以测试的重点应放在采摘定位的准确度和果实在采摘中 的破损率上。以果实破损率的测试为例，可以将根据上文方法 计算得到的载荷力F 施加到采摘机械手上，然后对采摘过程中 的果实破损率进行统计。5 结语
本文设计了一种利用单片机来控制的仿人多指采摘机械 手，并利用P ID 反馈调节技术实现了对采摘过程的自动化控 制，对仿人多指采摘机械手的工作性能测试方法进行了探讨。 通过利用仿人多指采摘机械手，可以实现采摘过程的自动化， 这就极大地提升了采摘工作的效率。诚然，笔者所述设计方案
在实践应用中可能还存在不足，但笔者坚信，只要我们根据实 际应用反馈不断进行设计调整和优化，那么必然会达到满意的 采摘作业效率和精度要求。参考文献：
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[1 ] 何龙，陈晓龙.双闭环控制采摘机器人机械手设计一基于
PLC 和 CAN 总线[J ].农机化研究，2016(12):242 - 246.带隙基准
[2] 梁丽红，王双喜，董子鹏.番茄采摘机械手的运动学分析
[J ].农业与技术，2014(3):65.[3]
董其维.采摘机器人机械手夹紧装置优化设计一基于
P ro /E 和ADAM S 联合仿真[J ].农机化研究，2017(5):
226 -230.[4]
周舟，王俊.番茄采摘机器人机械臂结构设计与参数优化 [J ].安徽农业科学，2012，40 (22): 11520 - 11522.陕西工业职业技术学院院内项目ZK 17 -11番茄采摘机 器人机械手的系统设计与研究。电热暖水袋
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