茄子養(yǎng)護(hù)采收機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計.pdf

2025 年 13 期 摘 要 為實現(xiàn)茄子的自動養(yǎng)護(hù) 采摘和收集 實 現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化和智能化 本研究設(shè)計了一款茄子養(yǎng)護(hù) 采收機(jī)器人的控制系統(tǒng) 由 TXT 控制板 中控繼電模 塊和遠(yuǎn)程遙控模塊組成 制定了整機(jī)工作流程 采摘工 作流程和全自動藥物噴灑工作流程 詳細(xì)設(shè)計了 TXT 控制系統(tǒng)的茄子識別 藥物噴灑和自動循跡程序 最后 經(jīng)過實際測試 機(jī)器人能完成全自動循跡噴灑藥物 實 時反饋生長狀況和自動采摘收集三大功能 關(guān)鍵詞 茄子養(yǎng)護(hù) 采摘 機(jī)器人 控制系統(tǒng) 1 設(shè)計背景 自 1983 年第一臺西紅柿采摘機(jī)器人在美國誕生 以來 日本和歐美等國家相繼立項研究采摘蘋果 西紅 柿 獼猴桃和葡萄等智能采摘機(jī)器人 我國的上海交通 大學(xué) 浙江大學(xué) 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等也在針對采摘機(jī)械手 的視覺識別系統(tǒng)和采摘機(jī)手臂進(jìn)行深入研究 目前 比 較典型的采摘機(jī)器人有人機(jī)協(xié)作型柑橘采摘機(jī)器人 西紅柿 黃瓜 草莓和多功能葡萄采摘機(jī)器人等 1 2 我國茄子種植面積非常廣闊 噴藥養(yǎng)護(hù)和采摘收 集等工作仍然主要依賴人工完成 不僅勞動力成本高 而且在長時間重復(fù)的采摘工作中 容易造成工人的疲 勞和疏忽 導(dǎo)致采摘質(zhì)量下降 此外 人工噴藥養(yǎng)護(hù) 采 摘也無法滿足大規(guī)模 高效益的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求 3 4 為提 高茄子養(yǎng)護(hù) 采摘和收集效率 降低勞動成本 本研究 利用慧魚創(chuàng)意組合模型設(shè)計了一款茄子養(yǎng)護(hù)采收機(jī)器 人的控制系統(tǒng) 由 TXT控制板 中控繼電模塊和遠(yuǎn)程遙 控模塊組成 TXT控制器作為核心控制部分實現(xiàn)電機(jī) 的正反轉(zhuǎn) 各傳動部分的動力源為電機(jī) 通過外嚙合的 直齒輪 錐齒輪 蝸輪蝸桿 鏈傳動 絲杠螺母等傳動 來實現(xiàn) 2 整機(jī)結(jié)構(gòu)和控制工作原理 如圖 1 所示 利用慧魚創(chuàng)意組合模型設(shè)計的茄子 養(yǎng)護(hù)采收機(jī)器人包括差速行駛機(jī)構(gòu) 重力感應(yīng)機(jī)構(gòu) 升 降機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 直行機(jī)構(gòu) 俯仰機(jī)構(gòu) 摘取機(jī)構(gòu) 噴 淋機(jī)構(gòu)和收集機(jī)構(gòu) 差速行駛機(jī)構(gòu)是通過底部的 4 個 馬達(dá)分別驅(qū)動 4 個輪子的齒輪嚙合 升降機(jī)構(gòu)是由一 個電機(jī)驅(qū)動鏈輪 鏈條帶動 4 個絲杠螺母機(jī)構(gòu)實現(xiàn)平 臺的上升和下降 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是電機(jī)驅(qū)動蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu) 實現(xiàn)平臺的整周旋轉(zhuǎn) 直行機(jī)構(gòu)是通過電機(jī)帶動減速 器 減速器與齒條嚙合 實現(xiàn)平臺的前進(jìn) 后退 機(jī)械臂 的俯仰動作是由電機(jī)驅(qū)動蝸輪蝸桿以及齒輪機(jī)構(gòu)的傳 動實現(xiàn) 5 1 差速行駛機(jī)構(gòu) 2 重力感應(yīng)機(jī)構(gòu) 3 升降機(jī)構(gòu) 4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 5 直行機(jī)構(gòu) 6 俯仰機(jī)構(gòu) 7 摘取機(jī)構(gòu) 8 噴淋機(jī)構(gòu) 9 收集機(jī)構(gòu) 圖 1 茄子養(yǎng)護(hù)采收機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 如圖 2 所示 摘取機(jī)構(gòu)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是動刀片 動刀 片固定在絲杠螺母上 絲杠由電機(jī)和齒輪減速機(jī)構(gòu)驅(qū) 動 刀座上安裝有靜刀片 采摘時 茄子的果梗被鎖定 在刀座的 U型槽里 電機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)使動刀片前進(jìn) 與靜刀片共同作用 將果梗剪斷 茄 子養(yǎng)護(hù)采收機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計 路 娟 1 蘇燕 1 全懷超 2 1 泰山科技學(xué)院智能工程學(xué)院 2 國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 作者簡介 路娟 女 1988 年出生 山東平邑人 碩士研 究生 高級工程師 副教授 研究方向 機(jī)械工程 基金項目 泰山科技學(xué)院 2023 年度一流課程 機(jī)械設(shè) 計 建設(shè)項目 泰山科技學(xué)院 2024 年度一流課程 機(jī)械 原理 建設(shè)項目 機(jī)電 推廣 HEBEINONGJI 河北 農(nóng) 機(jī) 機(jī)電 推廣 河北 農(nóng) 機(jī) 1 DOI 10 15989 ki hbnjzzs 2025 13 008 2025 年 13 期 1 動刀片 2 絲杠螺母 3 刀座 4 靜刀片 圖 2 摘取機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖 摘取機(jī)構(gòu)的側(cè)方是噴淋機(jī)構(gòu)的噴頭 正下方是收 集機(jī)構(gòu)的漏斗和彈性軟管 軟管的另一端接到車底部 的收集筐內(nèi) 下置的重力感應(yīng)機(jī)構(gòu)監(jiān)測到筐重達(dá)到設(shè) 定值時 控制系統(tǒng)燈亮并發(fā)出語音提示 3 采摘工作流程設(shè)計 采摘工作流程為 上電初始化 藍(lán)牙遙控手柄通 電 打開啟動開關(guān) 指示燈正常狀態(tài)常亮綠燈 按下藍(lán) 牙遙控手柄 11 按鍵編碼電機(jī) 1 工作 絲桿上升機(jī)構(gòu)上 升到位 按下藍(lán)牙遙控手柄 5 按鍵編碼電機(jī) 2 工作 蝸 輪帶動旋轉(zhuǎn)齒輪旋轉(zhuǎn) 180 到位按下藍(lán)牙遙控手柄 9 按鍵編碼電機(jī) 3 4 工作 通過二級減速機(jī)傳遞給驅(qū)動 車輪 四輪同步前進(jìn)到位 通過 1 2 遙控手柄按鍵可以 改變位四輪差動進(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎 掉頭等工作 按下藍(lán)牙 遙控手柄 7 按鍵蝸輪蝸桿通過三級減速使電機(jī) 5 低速 高功率傳遞動力工作 通過齒輪齒條前進(jìn)到位 按下藍(lán) 牙遙控手柄 14 按鍵編碼電機(jī) 6 工作 通過蝸輪蝸桿機(jī) 構(gòu)手臂擺動 15 后到位 操作人員觀察茄子位置準(zhǔn)確 判斷后準(zhǔn)備采摘茄子就緒 按下藍(lán)牙遙控手柄 15 按鍵 蝸輪蝸桿電機(jī) 7 8 反向工作 通過齒輪絲杠機(jī)構(gòu)前進(jìn) 剪切茄子 茄子通過運(yùn)輸管道運(yùn)輸?shù)酱鎯ο鋫}內(nèi)過程報 警 當(dāng)茄子采摘機(jī)發(fā)生碰撞手動報警觸發(fā) 正常綠色指 示燈熄滅 報警指示燈紅燈常亮 蜂鳴器報警 手動復(fù) 位 茄子重量檢測報警 當(dāng)茄子采摘機(jī) 采摘達(dá)到收集 數(shù)量 達(dá)到裝箱重量報警指示燈紅燈點亮蜂鳴器報警 6 4 全自動藥物噴灑工作流程設(shè)計 全自動噴藥工作流程為 上電初始化 打開啟動開 關(guān) 綠色指示燈正常點亮狀態(tài) 開關(guān)切換到自動 將采 摘機(jī)放到循跡軌道上自動編碼電機(jī) 1 工作 絲桿上升 機(jī)構(gòu)上升到位 自動編碼電機(jī) 2 工作 蝸輪帶動旋轉(zhuǎn)齒 輪旋轉(zhuǎn) 180 到位 編碼電機(jī) 2 左右往復(fù)旋轉(zhuǎn) 30 編 碼電機(jī) 3 4 自動工作 通過二級減速機(jī)傳遞給驅(qū)動車 輪 四輪同步循跡前進(jìn)噴灑藥物 循跡路線截止 采摘 機(jī)器編碼電機(jī) 3 4 自動停止循跡前進(jìn) 自動編碼電機(jī) 2 工作 蝸輪帶動旋轉(zhuǎn)齒輪旋轉(zhuǎn) 180 復(fù)位到位 自動編 碼電機(jī) 1 工作 絲桿上升機(jī)構(gòu)下降復(fù)位到位 過程報 警 當(dāng)循跡過程出現(xiàn)因光線問題的停止循跡前進(jìn)時 正 常指示燈熄滅 報警指示燈紅燈常亮 蜂鳴器報警 手 動復(fù)位 茄子重量檢測報警 當(dāng)采摘達(dá)到收集數(shù)量 達(dá) 到裝箱重量報警 指示燈紅燈點亮 蜂鳴器報警 7 5 控制部分設(shè)計 該控制系統(tǒng)傳感器配備了視覺攝像控制模塊 中 控繼電模塊 循跡傳感器 重力傳感器 由傳感器采集 數(shù)據(jù)反饋給 TXT控制器 經(jīng)過控制器邏輯判斷后 輸出 信號控制編碼電機(jī) 并接受編碼器傳導(dǎo)來的計數(shù)信號 接入 TXT高速計數(shù)輸入口 為了應(yīng)對更加復(fù)雜的地形 環(huán)境以及復(fù)雜突發(fā)情況 環(huán)境信息采集等情況在 PC 端 設(shè)立控制面板 8 在硬件的支撐下 從實際的角度考慮 茄子采摘的養(yǎng)護(hù)細(xì)節(jié) 需要實現(xiàn)的功能 信息處理及顯 示部分 以及 TXT 控制器的編程環(huán)境 程序 BUG 等情 況下 盡可能的還原真實人工藥物噴灑的行為動作 設(shè) 計了全自動藥物噴灑系統(tǒng) 5 1 主程序 將整個控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)的遙控部分 顯示部分 控制 面板部分 作為主程序的基礎(chǔ)功能 并設(shè)計子程序進(jìn)入 點及退出點 如圖 3 所示 圖 3 主程序 5 2 子程序 子程序是一個較大程序中的某部分代碼 它負(fù)責(zé) 完成某項特定任務(wù) 而且相較于其他代碼 具備相對的 獨立性 9 1 茄子識別采摘 子程序如圖 4 所示 圖 4 茄子識別采摘子程序 HEBEINONGJI 河北 農(nóng) 機(jī) 機(jī)電 推廣 2 2025 年 13 期 2 藥物噴灑 子程序如圖 5 所示 圖 5 藥物噴灑子程序 6 調(diào)試使用 如圖 6 7 所示 將零部件加工之后進(jìn)行組裝和調(diào) 試 經(jīng)測試機(jī)器人能完成以下功能 在茄子生長期時可 以完成全自動循跡噴灑藥物操作 同時可以隨時通過 圖像處理模塊遠(yuǎn)程觀察病蟲害和茄子生長狀況 在茄 子成熟期 該機(jī)器人能通過顏色傳感器自主識別成熟 的茄子 借助距離傳感器和圖像處理模塊進(jìn)行精準(zhǔn)采 摘 并具備自動收集功能 10 圖 6 電腦端操作 圖 7 手機(jī) App 操作 7 結(jié)語 本研究設(shè)計的茄子養(yǎng)護(hù)采收機(jī)器人能夠自主識別 成熟的茄子并進(jìn)行采摘 無須人工干預(yù) 從而極大地減 輕了農(nóng)民的勞動強(qiáng)度 同時 機(jī)器人還可以根據(jù)預(yù)設(shè)的 路線進(jìn)行自主導(dǎo)航和移動 實現(xiàn)自動化作業(yè) 進(jìn)一步提 高生產(chǎn)效率 隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人力成本的 持續(xù)上升 自動化采摘設(shè)備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用已成 為一種必然趨勢 茄子養(yǎng)護(hù)采收機(jī)器人作為這一趨勢 下的創(chuàng)新產(chǎn)品 其推廣優(yōu)勢和前景十分廣闊 參考文獻(xiàn) 1 孫成宇 閆建偉 張富貴 等 蔬菜采摘機(jī)器人及其 關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展 J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 2023 44 11 63 72 2 胡友呈 自然環(huán)境下柑橘采摘機(jī)器人的目標(biāo)識 別與定位方法研究 D 重慶理工大學(xué) 2018 3 楊平 淺談茄子種植技術(shù)及病蟲害防治 J 種業(yè) 導(dǎo)刊 2022 06 43 46 4 顏清松 茄子高產(chǎn)栽培技術(shù)要點 J 江西農(nóng)業(yè) 2020 02 6 7 5 葉銀海 采運(yùn)一體的葡萄自動采收系統(tǒng) D 浙江 農(nóng)林大學(xué) 2024 6 霍偉豪 自動蘋果采摘系統(tǒng)效率提升技術(shù)研究 D 燕山大學(xué) 2024 7 蒲維杰 基于 PLC 的果蔬采摘機(jī)械手系統(tǒng)控制 設(shè)計 J 南方農(nóng)機(jī) 2024 55 07 66 69 8 Gjorgji V Saso K Inverse Kinematics Solution of a Robot Arm based on Adaptive Neuro Fuzzy Interface System J International Journal of Computer Applications 2019 178 39 10 14 9 張丹儀 橘子自動采摘機(jī)視覺識別技術(shù)研究 D 浙江科技學(xué)院 2023 10 Du X Meng Z Ma Z et al Comprehensive visual information acquisition for tomato picking robot based on multitask convolutional neural network J BiosystemsEngineering 2024 23851 61 機(jī)電 推廣 HEBEINONGJI 河北 農(nóng) 機(jī) 機(jī)電 推廣 河北 農(nóng) 機(jī) 3