基于PLC控制系统的果蔬采摘机械手设计研究

　　摘要:随着人们对果蔬需求不断提升，果蔬种植面积不断提升，果蔬成熟后需及时采摘，否则不仅导致果蔬成熟过度，还会因为气候原因造成损失。传统采摘以人力为主，不仅采摘成本高，一些较难采摘的果蔬若通过人力采摘可能会出现危险。随着科学技术的不断进步，果蔬采摘机械手取代人工劳作已经成为必然。为此，对果蔬采摘机械手进行了设计，以PLC控制器作为控制中心，对果蔬采摘器工作提供程序命令，控制其末端执行器、果蔬收集装置及移动装置等实现果蔬采摘全自动化，旨在降低果蔬采摘人力成本及采摘中存在的风险，为果蔬种植带来最大的经济效益。

　　关键词:果蔬采摘机械手;末端执行器;PLC

　　0引言

　　现代果蔬种植已经由传统的单一小面积模式转变为集中广域模式，不仅对种植技术提出更高要求，对其采摘效率及采摘成功率也有一定要求。为提高果蔬采摘机械化程度和自动化程度，需在果蔬采摘时引进自动化程度较高的采摘机械手。本文研究的果蔬采摘机械手不只针对某一种果蔬，因此必须具有一定的通用性，可针对多种果蔬进行采摘，这就要求其智能化程度更高，且成本在果蔬种植可接受范围内，且采摘机械手需具有升降、翻转、拉拔及定位等多项功能。为保证采摘机械手准确完成采摘动作，通过PLC控制器对其进行控制，提高其操作准确性及定位精度，为采摘机械手自动化工作奠定基础。其次，结合果蔬结构特点及其硬度物理指标进行设计，以提高采摘成功率。

　　1果蔬采摘机械手总体设计

　　由于果蔬种类较多，因此设计果蔬采摘机械手必须具备一定通用性，以提升采摘成功率和采摘效率。本文设计的果蔬采摘机械手主要由控制系统、驱动系统及执行系统几个部分组成，其总体设计简图如图1所示。蔬采摘机械手总体设计图如图2所示。其下移动部分为履带装置，不仅可在种植果树的山坡地带行走，还可在种植蔬菜的土壤较软地带行走。本文重点研究其采摘机械手部分。

　　2机械手关键部位设计及动力学模型

　　果蔬采摘机械手在工作中应具备上下自由移动、左右自由移动、机械手夹紧和放松等性能，因此机械手最佳设计自由度为3个。果蔬采摘机械手关键部位设计包括:

　　1)手爪。果蔬采摘机械手爪是机械手核心部位，主要工作是对果蔬进行抓取。其前步工作是对果蔬位置进行识别，确定位置后便可到达指定位置，抓取果蔬并由其背部刀具或通过扭力将果蔬摘下。基于果蔬采摘机械手爪的通用性，其必须具备可抓取一切形状果蔬的能力，因此在抓取中应将果蔬完全包围，使果蔬进入后不会掉落。

　　2)手腕。手腕部位连接采摘部位与手臂的中转部位，主要作用是手臂将手爪送至果蔬附近部位时进行调整，使手爪可准确抓取果蔬。

　　3)手臂。手臂主要作用是支承及传送。采摘果蔬过程中，其主要作用就是对手爪及手腕进行支撑，次要作用是实现升降。经过以上几个关键部位分析，设计果蔬采摘机械手简图如图3所示。

　　3PLC型号选取及I/O地址

　　分析果蔬采摘机械手需求得出其共需8个输入端子和7个输出端子，因此选择型号为PLCCPU224控制器作为果蔬采摘机械手控制装置。建立PLC控制元件与编程元件I/O分配如下:I0．0:调整机械手爪到指定位置，手爪准备抓取果蔬;I0．1:限位行程开关1，机械手爪已张开且具有一定抓取角度;I0．3:限位行程开关2，爪内刀具控制控制开关，控制刀具伸出长度;I0．4:限位行程开关3，爪内刀具控制控制开关，控制刀具切割;

　　4结论

　　基于PLC控制系统的果蔬采摘机械手具有一定通用性，可针对当前常见果蔬进行采摘，采摘效率高，对果蔬质量影响较小，可在未来有效推广。本文设计的果蔬采摘机械手在PLC控制系统控制下，结合轨迹运行规划程序可精准到达果蔬所在位置进行采摘，成功率高，且果蔬采摘机械手成本低廉，果蔬种植人员易于接受，具有一定应用前景。

　　参考文献:

　　［1］杨冬进．基于单片机控制的自动苹果采摘机设计［J］．农机化研究，2015，37(2):27－31．

　　［2］陈晓林．基于PLC三轴伺服控制系统的果蔬采摘机械手设计［J］．农机化研究，2016，38(7):182－186．

　　［3］汤亮．萝卜采收机械手的设计［J］．湖北农业科学，2015(5):34－38．

　　［4］刘小勇．番茄收获机械手机构分析及双目定位系统的研究［J］．农业工程，2013(5):67－69

《基于PLC控制系统的果蔬采摘机械手设计研究》

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