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

2025 年 13 期 摘 要 為實(shí)現(xiàn)茄子的自動(dòng)養(yǎng)護(hù) 采摘和收集 實(shí) 現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和智能化 本研究設(shè)計(jì)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(dòng)藥物噴灑工作流程 詳細(xì)設(shè)計(jì)了 TXT 控制系統(tǒng)的茄子識(shí)別 藥物噴灑和自動(dòng)循跡程序 最后 經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試 機(jī)器人能完成全自動(dòng)循跡噴灑藥物 實(shí) 時(shí)反饋生長(zhǎng)狀況和自動(dòng)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(jì)背景 自 1983 年第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生 以來(lái) 日本和歐美等國(guó)家相繼立項(xiàng)研究采摘蘋(píng)果 西紅 柿 獼猴桃和葡萄等智能采摘機(jī)器人 我國(guó)的上海交通 大學(xué) 浙江大學(xué) 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等也在針對(duì)采摘機(jī)械手 的視覺(jué)識(shí)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(guó)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(lài)人工完成 不僅勞動(dòng)力成本高 而且在長(zhǎng)時(shí)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(wú)法滿(mǎn)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(dòng)成本 本研究 利用慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電機(jī) 的正反轉(zhuǎn) 各傳動(dòng)部分的動(dòng)力源為電機(jī) 通過(guò)外嚙合的 直齒輪 錐齒輪 蝸輪蝸桿 鏈傳動(dòng) 絲杠螺母等傳動(dòng) 來(lái)實(shí)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(yú)創(chuàng)意組合模型設(shè)計(jì)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(guò)底部的 4 個(gè) 馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)輪子的齒輪嚙合 升降機(jī)構(gòu)是由一 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪 鏈條帶動(dòng) 4 個(gè)絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平 臺(tái)的上升和下降 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的整周旋轉(zhuǎn) 直行機(jī)構(gòu)是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)減速 器 減速器與齒條嚙合 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的前進(jìn) 后退 機(jī)械臂 的俯仰動(dòng)作是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿以及齒輪機(jī)構(gòu)的傳 動(dòng)實(shí)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(dòng)刀片 動(dòng)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(dòng) 刀座上安裝有靜刀片 采摘時(shí) 茄子的果梗被鎖定 在刀座的 U型槽里 電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使動(dòng)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(jì) 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(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 作者簡(jiǎn)介 路娟 女 1988 年出生 山東平邑人 碩士研 究生 高級(jí)工程師 副教授 研究方向 機(jī)械工程 基金項(xiàng)目 泰山科技學(xué)院 2023 年度一流課程 機(jī)械設(shè) 計(jì) 建設(shè)項(xiàng)目 泰山科技學(xué)院 2024 年度一流課程 機(jī)械 原理 建設(shè)項(xiàng)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(dòng)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(chē)底部 的收集筐內(nèi) 下置的重力感應(yīng)機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)到筐重達(dá)到設(shè) 定值時(shí) 控制系統(tǒng)燈亮并發(fā)出語(yǔ)音提示 3 采摘工作流程設(shè)計(jì) 采摘工作流程為 上電初始化 藍(lán)牙遙控手柄通 電 打開(kāi)啟動(dòng)開(kāi)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(dòng)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(guò)二級(jí)減速機(jī)傳遞給驅(qū)動(dòng) 車(chē)輪 四輪同步前進(jìn)到位 通過(guò) 1 2 遙控手柄按鍵可以 改變位四輪差動(dòng)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(guò)三級(jí)減速使電機(jī) 5 低速 高功率傳遞動(dòng)力工作 通過(guò)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(guò)蝸輪蝸桿機(jī) 構(gòu)手臂擺動(dòng) 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(guò)齒輪絲杠機(jī)構(gòu)前進(jìn) 剪切茄子 茄子通過(guò)運(yùn)輸管道運(yùn)輸?shù)酱鎯?chǔ)箱倉(cāng)內(nèi)過(guò)程報(bào) 警 當(dāng)茄子采摘機(jī)發(fā)生碰撞手動(dòng)報(bào)警觸發(fā) 正常綠色指 示燈熄滅 報(bào)警指示燈紅燈常亮 蜂鳴器報(bào)警 手動(dòng)復(fù) 位 茄子重量檢測(cè)報(bào)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(bào)警指示燈紅燈點(diǎn)亮蜂鳴器報(bào)警 6 4 全自動(dòng)藥物噴灑工作流程設(shè)計(jì) 全自動(dòng)噴藥工作流程為 上電初始化 打開(kāi)啟動(dòng)開(kāi) 關(guān) 綠色指示燈正常點(diǎn)亮狀態(tài) 開(kāi)關(guān)切換到自動(dòng) 將采 摘機(jī)放到循跡軌道上自動(dòng)編碼電機(jī) 1 工作 絲桿上升 機(jī)構(gòu)上升到位 自動(dòng)編碼電機(jī) 2 工作 蝸輪帶動(dòng)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(dòng)工作 通過(guò)二級(jí)減速機(jī)傳遞給驅(qū)動(dòng)車(chē) 輪 四輪同步循跡前進(jìn)噴灑藥物 循跡路線(xiàn)截止 采摘 機(jī)器編碼電機(jī) 3 4 自動(dòng)停止循跡前進(jìn) 自動(dòng)編碼電機(jī) 2 工作 蝸輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)齒輪旋轉(zhuǎn) 180 復(fù)位到位 自動(dòng)編 碼電機(jī) 1 工作 絲桿上升機(jī)構(gòu)下降復(fù)位到位 過(guò)程報(bào) 警 當(dāng)循跡過(guò)程出現(xiàn)因光線(xiàn)問(wèn)題的停止循跡前進(jìn)時(shí) 正 常指示燈熄滅 報(bào)警指示燈紅燈常亮 蜂鳴器報(bào)警 手 動(dòng)復(fù)位 茄子重量檢測(cè)報(bào)警 當(dāng)采摘達(dá)到收集數(shù)量 達(dá) 到裝箱重量報(bào)警 指示燈紅燈點(diǎn)亮 蜂鳴器報(bào)警 7 5 控制部分設(shè)計(jì) 該控制系統(tǒng)傳感器配備了視覺(jué)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(guò)控制器邏輯判斷后 輸出 信號(hào)控制編碼電機(jī) 并接受編碼器傳導(dǎo)來(lái)的計(jì)數(shù)信號(hào) 接入 TXT高速計(jì)數(shù)輸入口 為了應(yīng)對(duì)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(shí)際的角度考慮 茄子采摘的養(yǎng)護(hù)細(xì)節(jié) 需要實(shí)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(shí)人工藥物噴灑的行為動(dòng)作 設(shè) 計(jì)了全自動(dòng)藥物噴灑系統(tǒng) 5 1 主程序 將整個(gè)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(jì)子程序進(jìn)入 點(diǎn)及退出點(diǎn) 如圖 3 所示 圖 3 主程序 5 2 子程序 子程序是一個(gè)較大程序中的某部分代碼 它負(fù)責(zé) 完成某項(xiàng)特定任務(wù) 而且相較于其他代碼 具備相對(duì)的 獨(dú)立性 9 1 茄子識(shí)別采摘 子程序如圖 4 所示 圖 4 茄子識(shí)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(cè)試機(jī)器人能完成以下功能 在茄子生長(zhǎng)期時(shí)可 以完成全自動(dòng)循跡噴灑藥物操作 同時(shí)可以隨時(shí)通過(guò) 圖像處理模塊遠(yuǎn)程觀察病蟲(chóng)害和茄子生長(zhǎng)狀況 在茄 子成熟期 該機(jī)器人能通過(guò)顏色傳感器自主識(shí)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(dòng)收集功能 10 圖 6 電腦端操作 圖 7 手機(jī) App 操作 7 結(jié)語(yǔ) 本研究設(shè)計(jì)的茄子養(yǎng)護(hù)采收機(jī)器人能夠自主識(shí)別 成熟的茄子并進(jìn)行采摘 無(wú)須人工干預(yù) 從而極大地減 輕了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度 同時(shí) 機(jī)器人還可以根據(jù)預(yù)設(shè)的 路線(xiàn)進(jìn)行自主導(dǎo)航和移動(dòng) 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)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(shì) 茄子養(yǎng)護(hù)采收機(jī)器人作為這一趨勢(shì) 下的創(chuàng)新產(chǎn)品 其推廣優(yōu)勢(shì)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(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 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(shí) 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(chóng)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(diǎn) 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(dòng)采收系統(tǒng) D 浙江 農(nóng)林大學(xué) 2024 6 霍偉豪 自動(dòng)蘋(píng)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(jì) 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(dòng)采摘機(jī)視覺(jué)識(shí)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