闫 润，徐祝君

（江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400）

基于单片机的便携式茶叶采摘机械手设计

闫 润，徐祝君

（江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400）

为了提高茶叶品质，人工采茶方式沿用至今。针对人工采茶劳力不足的现状，文章开发了一种模拟人工采茶的便携式茶叶采摘机械手，设计了其机械结构和控制系统，并利用 UG进行了建模和仿真，试制了实验样机并进行了相关实验。结果表明，该设计实现了预期结果，具有一定的应用前景。

茶叶；机械手；单片机

茶是一种十分古老饮品，在我国传承已久，深受世界人民喜爱。长期以来我国茶叶的采摘以人工为主。人工采茶虽然采摘的茶叶整体质量高，但存在劳动强度大、采摘速度慢等不足。文章拟研究对茶叶单个新梢进行采摘的机械臂和相应的采摘装置，并对其结构及控制方式进行合理设计，开发一种便携式的茶叶采摘机械手，以其实现茶叶采摘的半自动化。

1 机械结构设计

（1）总体结构设计。文章设计的便携式茶叶采摘机械手主要由固定支架，移动工作平台，串联机械臂，采摘装置（机械手指）四个部分组成，UG建模如图1所示。移动平台底盘为双圆盘设计，中间为转动电机，该电机在整个系统中标号为1#电机，可带动机械臂作0～360°双向旋转运动。机械臂主要功能是连接移动平台和采摘执行机构，在较大的范围带动采摘机构到达采摘的指定位置并为其提供准确的姿势。机械臂上安装4台电机，其中2#、3#、4#电机分别控制1#机械臂、2#机械臂、采摘装置绕平台坐标系X方向进行转动，用来控制机械臂的总长度；5#电机控制采摘装置绕Z轴进行转动，用来调整采摘装置的姿势，使采摘机构以30～60°方向进行采摘。

图1 机械手UG建模结构图

（2）串联机械臂长度设计。工作空间决定着茶叶采摘机械的整体尺寸，而整个工作空间与臂长有着密切的关系。因此根据工作空间的要求，求出满足条件的驱动臂及执行臂尺寸。在文章中臂长的控制主要靠1#，2#，3#机械臂的旋转完成，各级机械臂的尺寸确定如表1所示。

表1 各机械臂及驱动编号

2 控制系统设计

（1）控制要求分析。基于茶园地形与茶叶生长具有不确定性，采摘机械手必须考虑茶树的生长特性，才能保证采到的茶叶符合标准。依据不同的采摘环境，确定采摘机械手控制原则为：①机械臂各关节之间不能耦合，也不能与茶叶新梢产生相互干涉；②机械臂应具有三个转动关节和一个移动关节，以节省占地空间；③采摘装置依附机械臂关节运动，应保证采摘的灵活性。

（2）控制电路设计。文章选用的控制系统为51系列单片机控制系统。依据茶叶采摘机械手控制要求分析及51单片机特点，设计了复位电路、震荡电路、ROM电路，电机控制电路、时钟电路、通信电路等模块。

（3）运动特征设计。在采茶过程中，茶叶采摘机械手的初始位置坐标由系统给定。机械手首先通过底盘将机械臂送到系统Z轴上方，并将目标位置坐标与系统坐标系进行位差计算，获得机械手与目标的相对位置。当控制系统给定目标后，机械手首先沿支撑架方向进行平动，使其以最快速度到达目标区域，同时计算目标是否在机械手的可执行范围内。系统平动完成后进行转动控制以确定采摘方向。机械手采摘时为剪切运动，采摘后的茶叶被机械手指夹紧并放入指定的收集盒中，因此，机械手指设计了伸出、剪切、茶叶回收三个子动作。

3 样机试制及实验

（1）试制样机。基于上述茶叶采摘机械手的机械结构设计和控制系统设计，确定试制样机使用铝合金材质，控制电机采用直流步进电机，单片机控制系统密封，编制运动控制程序，写入系统。因样机制作中需对系统进行调试，故控制器的密封盒暂未安装，试制样机如图2所示。

图2 机械手试制样机图

（2）采摘实验。将移动平台架设在固定轨道上，茶叶新梢坐标直接从计算机输入并导入控制系统的ROM中。选取校区茶园作为临时实验地点，采摘实验如图3所示。

图3 采摘实验现场图

实验当天为多云天气，温度19～28℃，东南风——东风，微风3～4级，采摘实验结果如表2所示。表中A代表机械手平动稳定时间，B代表机械臂调整时间，C代表机械手指采摘时间。以上数据显示，采摘成功率约为80%，在成功抓取的茶叶新梢中，叶片完整约为90%。采摘的效果与新梢的相对位置相关度较高。

表2 采摘实验结果

4 结语

文章对便携式茶叶采摘机械手进行了整体设计、计算机建模及仿真，试制了样机并进行了相关实验，实验结果表明，该样机实现了预期效果。但本设计未对机械手的重复精度进行分析，后续研究将对具有相似形态的新梢进行机械手的重复采摘实验，以确定系统的稳定性。

[1]高凤.名优茶并联采摘机器人结构设计与仿真[D].南京：南京林业大学，2013.

[2]唐小林.机械化采茶的利弊分析及发展前景[J].中国茶叶加工，2008，（4）：10-12

[3]李宪华，张雷刚，郭帅，等.一种开放式机械臂3D虚拟仿真平台快速构建方法[J].机械科学与技术，2017，（9）：1-8

[4]张发全，王廷和，贾婷婷.基于ADAMS轴承转运机械手运动学分析仿真[J].工具技术，2016，50（10）：65-68.

江苏省大学生创新创业训练计划项目（201313103013Y）。

闫润，讲师，主要从事农业电气化与自动化研究工作。