茄子养护采收机器人的控制系统设计.pdf

2025 年 13 期 摘 要 为实现茄子的自动养护 采摘和收集 实 现农业自动化和智能化 本研究设计了一款茄子养护 采收机器人的控制系统 由 TXT 控制板 中控继电模 块和远程遥控模块组成 制定了整机工作流程 采摘工 作流程和全自动药物喷洒工作流程 详细设计了 TXT 控制系统的茄子识别 药物喷洒和自动循迹程序 最后 经过实际测试 机器人能完成全自动循迹喷洒药物 实 时反馈生长状况和自动采摘收集三大功能 关键词 茄子养护 采摘 机器人 控制系统 1 设计背景 自 1983 年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生 以来 日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果 西红 柿 猕猴桃和葡萄等智能采摘机器人 我国的上海交通 大学 浙江大学 中国农业大学等也在针对采摘机械手 的视觉识别系统和采摘机手臂进行深入研究 目前 比 较典型的采摘机器人有人机协作型柑橘采摘机器人 西红柿 黄瓜 草莓和多功能葡萄采摘机器人等 1 2 我国茄子种植面积非常广阔 喷药养护和采摘收 集等工作仍然主要依赖人工完成 不仅劳动力成本高 而且在长时间重复的采摘工作中 容易造成工人的疲 劳和疏忽 导致采摘质量下降 此外 人工喷药养护 采 摘也无法满足大规模 高效益的农业生产需求 3 4 为提 高茄子养护 采摘和收集效率 降低劳动成本 本研究 利用慧鱼创意组合模型设计了一款茄子养护采收机器 人的控制系统 由 TXT控制板 中控继电模块和远程遥 控模块组成 TXT控制器作为核心控制部分实现电机 的正反转 各传动部分的动力源为电机 通过外啮合的 直齿轮 锥齿轮 蜗轮蜗杆 链传动 丝杠螺母等传动 来实现 2 整机结构和控制工作原理 如图 1 所示 利用慧鱼创意组合模型设计的茄子 养护采收机器人包括差速行驶机构 重力感应机构 升 降机构 旋转机构 直行机构 俯仰机构 摘取机构 喷 淋机构和收集机构 差速行驶机构是通过底部的 4 个 马达分别驱动 4 个轮子的齿轮啮合 升降机构是由一 个电机驱动链轮 链条带动 4 个丝杠螺母机构实现平 台的上升和下降 旋转机构是电机驱动蜗轮蜗杆机构 实现平台的整周旋转 直行机构是通过电机带动减速 器 减速器与齿条啮合 实现平台的前进 后退 机械臂 的俯仰动作是由电机驱动蜗轮蜗杆以及齿轮机构的传 动实现 5 1 差速行驶机构 2 重力感应机构 3 升降机构 4 旋转机构 5 直行机构 6 俯仰机构 7 摘取机构 8 喷淋机构 9 收集机构 图 1 茄子养护采收机器人结构图 如图 2 所示 摘取机构的执行结构是动刀片 动刀 片固定在丝杠螺母上 丝杠由电机和齿轮减速机构驱 动 刀座上安装有静刀片 采摘时 茄子的果梗被锁定 在刀座的 U型槽里 电机通过传动机构使动刀片前进 与静刀片共同作用 将果梗剪断 茄 子养护采收机器人的控制系统设计 路 娟 1 苏燕 1 全怀超 2 1 泰山科技学院智能工程学院 2 国能神东煤炭集团有限责任公司 作者简介 路娟 女 1988 年出生 山东平邑人 硕士研 究生 高级工程师 副教授 研究方向 机械工程 基金项目 泰山科技学院 2023 年度一流课程 机械设 计 建设项目 泰山科技学院 2024 年度一流课程 机械 原理 建设项目 机电 推广 HEBEINONGJI 河北 农 机 机电 推广 河北 农 机 1 DOI 10 15989 ki hbnjzzs 2025 13 008 2025 年 13 期 1 动刀片 2 丝杠螺母 3 刀座 4 静刀片 图 2 摘取机构的结构图 摘取机构的侧方是喷淋机构的喷头 正下方是收 集机构的漏斗和弹性软管 软管的另一端接到车底部 的收集筐内 下置的重力感应机构监测到筐重达到设 定值时 控制系统灯亮并发出语音提示 3 采摘工作流程设计 采摘工作流程为 上电初始化 蓝牙遥控手柄通 电 打开启动开关 指示灯正常状态常亮绿灯 按下蓝 牙遥控手柄 11 按键编码电机 1 工作 丝杆上升机构上 升到位 按下蓝牙遥控手柄 5 按键编码电机 2 工作 蜗 轮带动旋转齿轮旋转 180 到位按下蓝牙遥控手柄 9 按键编码电机 3 4 工作 通过二级减速机传递给驱动 车轮 四轮同步前进到位 通过 1 2 遥控手柄按键可以 改变位四轮差动进行原地转弯 掉头等工作 按下蓝牙 遥控手柄 7 按键蜗轮蜗杆通过三级减速使电机 5 低速 高功率传递动力工作 通过齿轮齿条前进到位 按下蓝 牙遥控手柄 14 按键编码电机 6 工作 通过蜗轮蜗杆机 构手臂摆动 15 后到位 操作人员观察茄子位置准确 判断后准备采摘茄子就绪 按下蓝牙遥控手柄 15 按键 蜗轮蜗杆电机 7 8 反向工作 通过齿轮丝杠机构前进 剪切茄子 茄子通过运输管道运输到存储箱仓内过程报 警 当茄子采摘机发生碰撞手动报警触发 正常绿色指 示灯熄灭 报警指示灯红灯常亮 蜂鸣器报警 手动复 位 茄子重量检测报警 当茄子采摘机 采摘达到收集 数量 达到装箱重量报警指示灯红灯点亮蜂鸣器报警 6 4 全自动药物喷洒工作流程设计 全自动喷药工作流程为 上电初始化 打开启动开 关 绿色指示灯正常点亮状态 开关切换到自动 将采 摘机放到循迹轨道上自动编码电机 1 工作 丝杆上升 机构上升到位 自动编码电机 2 工作 蜗轮带动旋转齿 轮旋转 180 到位 编码电机 2 左右往复旋转 30 编 码电机 3 4 自动工作 通过二级减速机传递给驱动车 轮 四轮同步循迹前进喷洒药物 循迹路线截止 采摘 机器编码电机 3 4 自动停止循迹前进 自动编码电机 2 工作 蜗轮带动旋转齿轮旋转 180 复位到位 自动编 码电机 1 工作 丝杆上升机构下降复位到位 过程报 警 当循迹过程出现因光线问题的停止循迹前进时 正 常指示灯熄灭 报警指示灯红灯常亮 蜂鸣器报警 手 动复位 茄子重量检测报警 当采摘达到收集数量 达 到装箱重量报警 指示灯红灯点亮 蜂鸣器报警 7 5 控制部分设计 该控制系统传感器配备了视觉摄像控制模块 中 控继电模块 循迹传感器 重力传感器 由传感器采集 数据反馈给 TXT控制器 经过控制器逻辑判断后 输出 信号控制编码电机 并接受编码器传导来的计数信号 接入 TXT高速计数输入口 为了应对更加复杂的地形 环境以及复杂突发情况 环境信息采集等情况在 PC 端 设立控制面板 8 在硬件的支撑下 从实际的角度考虑 茄子采摘的养护细节 需要实现的功能 信息处理及显 示部分 以及 TXT 控制器的编程环境 程序 BUG 等情 况下 尽可能的还原真实人工药物喷洒的行为动作 设 计了全自动药物喷洒系统 5 1 主程序 将整个控制系统环节的遥控部分 显示部分 控制 面板部分 作为主程序的基础功能 并设计子程序进入 点及退出点 如图 3 所示 图 3 主程序 5 2 子程序 子程序是一个较大程序中的某部分代码 它负责 完成某项特定任务 而且相较于其他代码 具备相对的 独立性 9 1 茄子识别采摘 子程序如图 4 所示 图 4 茄子识别采摘子程序 HEBEINONGJI 河北 农 机 机电 推广 2 2025 年 13 期 2 药物喷洒 子程序如图 5 所示 图 5 药物喷洒子程序 6 调试使用 如图 6 7 所示 将零部件加工之后进行组装和调 试 经测试机器人能完成以下功能 在茄子生长期时可 以完成全自动循迹喷洒药物操作 同时可以随时通过 图像处理模块远程观察病虫害和茄子生长状况 在茄 子成熟期 该机器人能通过颜色传感器自主识别成熟 的茄子 借助距离传感器和图像处理模块进行精准采 摘 并具备自动收集功能 10 图 6 电脑端操作 图 7 手机 App 操作 7 结语 本研究设计的茄子养护采收机器人能够自主识别 成熟的茄子并进行采摘 无须人工干预 从而极大地减 轻了农民的劳动强度 同时 机器人还可以根据预设的 路线进行自主导航和移动 实现自动化作业 进一步提 高生产效率 随着农业技术的不断进步和人力成本的 持续上升 自动化采摘设备在农业生产中的应用已成 为一种必然趋势 茄子养护采收机器人作为这一趋势 下的创新产品 其推广优势和前景十分广阔 参考文献 1 孙成宇 闫建伟 张富贵 等 蔬菜采摘机器人及其 关键技术研究进展 J 中国农机化学报 2023 44 11 63 72 2 胡友呈 自然环境下柑橘采摘机器人的目标识 别与定位方法研究 D 重庆理工大学 2018 3 杨平 浅谈茄子种植技术及病虫害防治 J 种业 导刊 2022 06 43 46 4 颜清松 茄子高产栽培技术要点 J 江西农业 2020 02 6 7 5 叶银海 采运一体的葡萄自动采收系统 D 浙江 农林大学 2024 6 霍伟豪 自动苹果采摘系统效率提升技术研究 D 燕山大学 2024 7 蒲维杰 基于 PLC 的果蔬采摘机械手系统控制 设计 J 南方农机 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 张丹仪 橘子自动采摘机视觉识别技术研究 D 浙江科技学院 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 机电 推广 HEBEINONGJI 河北 农 机 机电 推广 河北 农 机 3