浅谈数控技术在采摘机器人作业中的应用

李晓静

摘 要：在农业生产的过程中，采摘是十分重要的环节。采摘往往会消耗大量的时间和人力成本，但受到果蔬季节性的影响，采摘工作又具有很大的时间限制。针对这种情况，我国加强了技术研究，将自动化、智能化等技术应用在采摘作业中，采摘机器人应运而生。本文主要就数控技术在采摘机器人作业中的应用进行了相关的阐述和分析。

关键词：数控技术;采摘机器人;作业

近年来，我国果园和菜园的面积在不断加大，但采摘方式仍旧沿用传统的人工采摘模式，不仅耗时耗力，且成本较高。统计显示，人工采摘消耗的成本占果蔬种植总成本的50%-70%。为了进一步发展我国农业种植业，不仅要提升中职技术，还要优化采摘方式，从人工采摘逐步转变为机械采摘。目前，我国已经有部分地区开始使用采摘机器人进行采摘，其不仅具有较高的采摘效率，且应用成本较低，可以减少人工成本的投入。采摘机器人主要以数控技术为基础进行路线规划、障碍躲避等，所以要提升采摘机器人的作业效率，就要加强对数控技术的研究。

一、采摘机器人的特点和发展现状

（一）特点

采摘机器人的作业环境经常会受到天气、季节变化的影响，所以其需要具备高智能化水平的控制系统。采摘机器人主要用于蔬菜和水果的采摘，大部分果实的表皮组织的比较柔软，容易被外力损坏，所以采摘机器人需要安装一个柔软性较好的末端执行器，以此确保采摘果实的完整性。不同的果实会生长在不同的位置，如一些果实生长在树上，一些果实生长在藤蔓上。且果实的大小、成熟期也存在差异，所以机器人的视觉定位难度较大。在设计采摘机械手时，应该对果蔬的栽培方式进行考虑，确保机械手可以满足采摘要求，并且不会损坏植物的茎秆、叶片等部位，能够根据设定好的路线准确无误的抓取果实[1]。因此，机械手需要具备躲避障碍的能力，可以采用冗余度机械手，这种机械手段的优点比较明显，但由于自由度较高，所以控制难度较大。采摘机器人主要由农民操作，所以机器人的操作难度不能太高，要确保农民可以快速学习和掌握。此外，还要控制机器人的生产成本，确保农民能够负担机器人的采购费用。

（二）发展现状

早在1983年美国就已经诞生了西红柿采摘机器人，其后随着技术的成熟，日本和一些欧美国家也逐渐研发出了用于采摘不同果实的机器人。我国对采摘机器人的研究较晚，主要借鉴西方发到国家的先进技术和经验。目前，我国已经研究出了人机协作型柑橘采摘机器人、多功能葡萄采摘机器人等。

二、采摘机器人的主体结构设计

（一）整体结构

根据农业采摘的实际需求，在设计采摘机器人时，应该从经济性、实用性等多个方面考虑。可以采用欠驱动方式，设计结构可以分为后驱动方位移动轮式平台和末端执行作业机械手臂两个部分。该机器人的系统结构为自由式，有后置驱动轮式凭条进行控制，具有很强的障碍躲避性能，能够在各类地形、地质条件下应用，自用性、运动性能较高[2]。此外，机械手臂可以采摘不同角度和方位的果实，具有很强的兼容性，可以采摘的果蔬种类较多。从设计成本的角度来看，该机器人满足了经济性的要求，整体投入较低，但应用效果较强，且不需要较高的维护成本，可以广泛应用于各类农业生产活动之中。

（二）部件设计

部件采用驱动设计结构，由后轮驱动机器人，前轮用于旋转运动。后轮驱动可以增加机器人的动力，即使遇到泥洼等复杂地形也可以顺利的通过。后轮串联在主体电机上，以此降低机器人作业时的能耗，可以提升能源的利用效率，进而满足节约成本得要求。前轮也与主体电机串联，可以控制机器人的转向，在作业的过程中可以确保机器人运作的稳定性。末端执行装置是采摘机器人的核心，该装置采用“谐波传统”的传动流程，依附于行星减速机，能够提升矩传输效率，使其达到最优。末端执行装置的体积并不大，具有灵活性高的特点，且应用成本较低，可以用于多种果蔬采摘作业中。该装置通过特殊齿轮来旋转运动，根据不同的环境，齿轮会作出不同的调整，确保机器人作业的精确性，从而满足采摘要求。

三、采摘机器人数控系统设计

（一）数控系统的设计应用

目前来看，我国大部分采摘机器人的核心应用技术都为数控技术，通过设计数控系统来实现机器人的控制和运作。数控系统即利用数控程序控制机器人，使机器人根据规划方案执行操作。数控系统具有复杂性、综合性的特点，对技术的要求较高。在采摘机器人中，数控系统主要控制上位机软件和下位机软件。前者会根据操作指令执行操作，主要负责机器人的运动、旋转、采摘等动作。后者用于数据采集和分析，其与网络中断相连，具有较强的辅助作用。

（二）数控硬件和软件系统

在数控系统中，硬件控制系统是最基础、最核心的组成部分，其包括驱动器、单片机、步进电机等多个组成元件。在整个控制流程之中，单片机发挥了极大的作用，根据我国果蔬种植特点和发展现状，我国果蔬采摘机器人数控系统中的单片机可以选用AVR ATmega16单片机，其具有价格低廉、经济适用的特点。该单片机兼容性较高，集成性较强的高品质产品，可以极大的提升果蔬采摘的效率和质量。进步电机可以选用直线步进电机，该电机稳定性较强，可以持久作业[3]。数控软件是采摘机器人的核心，主要用于机器人的控制和动作设计等多个方面，需要做好参数调整，并根据需求进行程序设置，确保采摘作业可以顺利完成。可以采用PID算法程序设计软件，该模式采用微分设计和积分设计两种设计调整环节，经过该算法程序的设计，数控软件的控制方式能够得到极大的优化，对系统运行也有较大的集约式主导作用，能够降低系统生产、采摘运作中可能出现的误差，从而提升采摘的效率和质量。

四、结语

综上所述，为了提升果蔬采摘的效率和质量，可以使用采摘机器人进行机械采摘，从而节省人力成本。数控技术是采摘机器人的核心技术，该技术的好坏对采摘机器人的作业质量有直接关系。所以，要构建合理的数控结构并做好数控系统设计，确保数控技术能够充分发挥作用。

参考文献：

[1]韓志国，吕富华.浅谈智能机器人数控技术在机械制造中的应用[J].数字通信世界，2019，172（04）：190.

[2]李桐顺.数控技术在机械制造中的应用和发展[J].科学与财富，2017（8）：76.

[3]张海英.机器人与加工中心集成技术应用[J].中国科技成果，2017（4）：62-63.