引言：伴随着科学技术水平的提高，各行各业都将科学技术应用到自身的发展中，实现进一步的现代化，农业也不例外。农业采摘智能机器人的应用，能够有效地降低农户在作物收获过程中的劳作强度，改善现有的农业生产条件，提高农业生产的工作效率，为农户带来更高的经济效益，而在农业采摘智能机器人的设计中，最关键的就是对机械臂的结构设计。
1.采摘智能机器人机械臂构型方案选择
在对采摘智能机器人的机械臂结构进行设计时，需要考虑到实际采摘作业环境对机械臂结构设计的影响。在采摘环境中，不同的农作物种类、农作物的生长方式、生长区域的差异性使得在农业采摘中使用机器人需要进行机械臂的构型调整。首先，是在垂直面内栽培的作物，例如黄瓜、西红柿等。这类农作物通常叶序都呈现出有规律的生长特点，大部分的水果串都暴露在外面，但水果串偶尔会被上方的叶片遮盖，这就需要在机械臂的构型设计上采取具有更高自由度的结构形态，从而在采摘中机器人能够回避遮挡果实的枝叶，完成采摘。其次，是球状栽培的果树。通常在农业种植中，采用球状栽培的为柑橘类和苹果类果树。在这种生长发育模式下的果树，果实常常会被果树的枝叶遮挡，并且部分果实还会生长在比较高的树冠处，因此在机械臂的构型设计上就需要进行很长的手臂系统设计，并且保留较高的自由度设计，方便在采摘时能够覆盖到果树的树冠部位，同时能够避开枝叶的干扰。再次，是棚架栽培的作物环境，例如葡萄、猕猴桃等。在棚架栽培的作物环境中，水果植株会沿着棚架生长，在工作人员采摘时需要长时间抬头向上进行采摘作业，工作强度较大，同时棚架栽培作物往往果实与枝叶的分离度较高，因此使用采摘智能机器人进行采摘作业十分合适，在对棚架栽培作物的采摘机器人机械臂设计时，最好带有一个直动关节，从下方或是与植株果实平行的方向进行采摘。最后，是在地表生长的作物，例如西瓜、白菜。地表生长的作物通常对机械臂运转的自由度要求并不是很高，在机械臂的结构设计上往往选择的是直角坐标和多关节机械臂的构型方案，但要注意的是，部分在地表生长的作物，例如西瓜，在成熟以后果实的单体重量较高，因此在进行采摘机器人的机械臂设计时还要考虑到力学承载能力以及材料强度等问题。
2.采摘智能机器人机械臂结构设计
2.1机械臂系统设计
在采摘智能机器人的机械臂结构中，主要涉及基座、机械手臂、腕部、末端执行器等几个部分。在整个结构中，基座对机械手臂起到基础的支撑作用，为整个采摘智能机器人的采摘工作提供力的支点。机械手臂将基座与腕部连接在一起，将力的作用传导至机械臂的末端执行器，完成在空间方面的工作内容。腕部则是将机械臂的作用传输至末端执行器，并且在末端执行器进行采摘工作时，调整腕部位置，实现对不同角度的果实的采摘。最后，末端执行器的主要功能是实现对果实的摘取工作，由机械臂系统中的腕部作用将果实从枝叶上带离，通常在对末端执行器的设计中，需要进行专门的采摘装置的设计，需要保证末端执行器在采摘的过程中不会对果实和作物枝叶造成损伤，并且在运送果实的过程中要抓紧果实，保证果实不易松脱[1]。
2.2机械臂传动方式选择
采摘智能机器人的机械臂发挥功能需要通过驱动器以及传动装置。通常在机械臂结构设计中会使用四种驱动方式。首先是步进电机。步进电机在机械臂的设计应用中，控制操作相对简单，并且造价成本比较低，但是在实际的采摘应用中精度较差，同时承载能力较差，不能够满足果实一次大量采摘的运行需要。其次是交流伺服电机。交流伺服电机相对于步进电机，运行要更加可靠，交流电提供的动力也更加充足，运行比较稳定，但是在使用成本上相较于步进电机要更加昂贵。再次是液压伺服电机。液压伺服电机的运行功率较大，动力更加充足，在采摘工作中实现的工作精度也要更高。但是在实际运行中其内部的液压系统经常会出现漏液的现象，影响运行的稳定性。最后是直流伺服电机。直流伺服电机在实际运行中表现出更为优秀的调速特性，能够在采摘工作中更快地响应操作指令，控制技术也相对比较成熟。同时在安装与后续的使用维护上，直流伺服电机也表现出比较方便，并且维修成本较低的特点，非常适合高灵活性的农业作物果实采摘工作。
2.3机械臂结构设计
在采摘智能机器人的机械臂设计上，需要考虑大小臂的结构设计问题。通常在机械臂设计上大臂会选用铝制的骨架铸件作为承力骨架与外部的铝壳板胶结，同时骨架铸件还会在内部起到支撑的作用。并将机械臂的两个关节电动机安装在大臂上，实现传动效果。同时在小臂上使用两级伸缩双作用液压缸。这种液压缸能够在机器人运行中为机械臂的工作空间起到拓展作用，在作物采摘时既能够对垂直面的作物进行采摘，也能够完成对地表作物的采摘工作。机械臂结构中的传动系统，需要在大臂上完成安装，可以选用三级齿轮来作为减速装置。其中第一级齿轮可以使用锥齿轮来改变机械臂在运动时的传动方向，二、三级齿轮选用圆柱直齿轮对传动装置进行减速，起到缓和运行，保证工作稳定性的效果[2]。
2.4机械臂腕部与末端执行器设计
机械臂腕部的灵活性决定了末端执行器的运转姿态以及采摘的工作效率，因此需要依照实际的采摘作业的需要，进行腕部传动机构的运动学分析。通常比较常见选择的腕部传动结构为三自由度普通汇交RBR形态腕部结构。该结构内部结构紧凑，并且在实际应用中表现出较强的应用效果。在该腕部结构中α、β、γ三条转轴交汇于一点，当运行设计中没有对转角进行限制时，该腕部结构可以使末端执行器展现出任意姿态，辅助末端执行器实现更加精准的采摘工作。图一为三自由度普通汇交RBR形态腕部结构简图。
图 1 三自由度普通汇交RBR形态腕部结构简图
在末端执行器的设计中，比较常见的夹取装置有以下几种：杠杆型、气缸型、鸭嘴型、斜楔杠杆型等，在开展采摘智能机器人的采摘工作时需要依照农田作物的种植形式、果蔬生长高度以及果实重量进行不同末端执行器的更换，保证机器人采摘的工作效率。
结语：在乡村振兴战略的现实背景下，农业建设正逐步地向科技化、智能化的生产采摘方向迈进，因此要不断优化在农业生产、采摘过程中能够应用到的先进智能技术，提高智能机器人的结构设计水平，从而推进农业的基础科技水平的提升，为农户带来更加高效、便捷的种植技术手段，实现现代化农业的建设发展目标。
参考文献：
[1]吴汶奇,周建平.玫瑰采摘机器人的简要设计[J].绿色科技,2021,23(14):170-172+176.
[2]江力. 番茄采摘机械手关键技术研究[D].吉林大学,2021.