蘋果采摘機(jī)械人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭爽爽 李艷聰?shù)?/p>

摘 要：水果采摘費(fèi)用高且勞動量大，為了快速且準(zhǔn)確完成蘋果采摘任務(wù)，需要進(jìn)行水果采摘機(jī)械人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行采摘機(jī)械機(jī)構(gòu)選型，確定合適自由度；其次，依據(jù)典型果樹輪廓確定采摘臂結(jié)構(gòu)尺寸，繪制采摘機(jī)械手臂零件圖和裝配圖；最后，搭建采摘機(jī)械人結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺，進(jìn)行實(shí)體運(yùn)動和抓取實(shí)驗(yàn)對設(shè)計(jì)效果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案基本能夠達(dá)到預(yù)期。該設(shè)計(jì)方法，對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域其他類型采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)械手臂；蘋果；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

水果采摘季節(jié)性強(qiáng)、費(fèi)用高且勞動量大[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)施“精確”農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。研究采摘機(jī)械人，對于降低人工勞動強(qiáng)度和采摘成本、保證水果適時(shí)采收，具有重大的意義[2]。我國從上世紀(jì)70年代開始研究水果蔬菜類的采摘機(jī)械，并且也逐漸起步，如上海交通大學(xué)已經(jīng)開始了對黃瓜采摘機(jī)器人的研制[3]，浙江大學(xué)對番茄采摘機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的優(yōu)化[4]，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)對采摘機(jī)器人的視覺識別裝置進(jìn)行了研究[5]。目前，我國研究的采摘機(jī)器人還有西紅柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘機(jī)器人等[6-8]。文章對蘋果采摘機(jī)械手臂進(jìn)行選型，進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 機(jī)械人機(jī)構(gòu)選型及自由度的確定

由于采摘機(jī)械人的作業(yè)對象是蘋果，質(zhì)量輕，體積小，故而可選擇較為簡單、靈活、緊湊的結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)機(jī)械人手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可將機(jī)械人手臂部分分為以下四類[9]：直角坐標(biāo)型機(jī)械手；圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手；多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)型式選取主要取決于機(jī)械人的活動范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制難易等要求。以上四種型式，它們的活動范圍和靈活度逐漸增大。經(jīng)過對蘋果采摘空間的研究，結(jié)果表明，蘋果樹樹冠和底部的蘋果分布極少，大多分布在樹冠中部，大約有80%以上的蘋果分布在距地面垂直高度1-2m、距樹干左右方向1-2m的空間范圍內(nèi)，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。這就要求采摘機(jī)械手應(yīng)當(dāng)具有較大的工作空間，因此選用多關(guān)節(jié)型機(jī)械手較為合適，且其占地面積較小，更加適合蘋果采摘作業(yè)。

實(shí)際中，蘋果生長位置隨機(jī)分布，這就要求機(jī)械臂的末端執(zhí)行器能夠以準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)移動到指定點(diǎn)，因此，采摘機(jī)械人還應(yīng)具有一定數(shù)量的自由度。機(jī)械臂的自由度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)目應(yīng)該與所要完成的任務(wù)相匹配。一般來說，自由度數(shù)量越多，機(jī)械臂的靈活性、避障能力越好，通用性也越廣，但增加一個(gè)自由度就相當(dāng)于增加了一級驅(qū)動，會使得機(jī)器人的成本上升，而對于農(nóng)業(yè)機(jī)器人而言，成本高將會大大的減緩其機(jī)械商品化實(shí)用化進(jìn)程，同時(shí)增加自由度會相應(yīng)增加機(jī)器人的控制難度，降低機(jī)器人的可靠性。綜合考慮，將自由度數(shù)目定為六個(gè)，這樣不僅能夠使得末端執(zhí)行器具有較為完善的功能，而且到達(dá)采摘空間中的任意位置，而且不會出現(xiàn)冗余問題。

2 采摘機(jī)械臂工作原理

圖1 機(jī)械人結(jié)構(gòu)簡圖

圖1是本次設(shè)計(jì)的球類水果采摘機(jī)械人的結(jié)構(gòu)簡圖。該結(jié)構(gòu)為六自由度機(jī)構(gòu)，可劃分為底座、大臂、小臂、腕部和手五個(gè)部分。機(jī)械臂的底座通過舵機(jī)帶動傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分之間的相對轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)。其中的各個(gè)轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)均是通過電機(jī)驅(qū)動螺旋絲桿來實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)機(jī)械臂的傳動如下：（1）底座旋轉(zhuǎn)。確定與底座平面互相垂直的目標(biāo)采摘物所在的平面。（2）大臂轉(zhuǎn)動。移動至目標(biāo)采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉(zhuǎn)動。將采摘機(jī)械手送至目標(biāo)采摘物的附近。（4）手腕轉(zhuǎn)動及旋轉(zhuǎn)。調(diào)整機(jī)械手末端采摘機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，使其處于一個(gè)合適的位置，保證采摘任務(wù)能夠合理完成。（5）手夾緊放松，完成對目標(biāo)采摘物的采摘任務(wù)。此外，將末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)為關(guān)節(jié)型的兩只手指，通過舵機(jī)6（舵機(jī)分配情況見圖2）、齒輪的嚙合及連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)采摘物的夾緊與放松。

由以上分析得出：機(jī)械手的空間位姿由各個(gè)關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)來決定，即當(dāng)機(jī)械手的各個(gè)舵機(jī)的坐標(biāo)確定的時(shí)候，就可以確定機(jī)械手的空間位姿。而決定舵機(jī)坐標(biāo)的因素就是臂長及臂的轉(zhuǎn)動角度，而在這兩個(gè)參數(shù)中，設(shè)計(jì)結(jié)束后臂長是確定的常量，角度為變量。在模型當(dāng)中，舵機(jī)1、2的相對位置固定不變，控制末端執(zhí)行器的舵機(jī)6用來調(diào)整手的姿態(tài)，因此可以先忽略舵機(jī)1、6，將舵機(jī)2軸線中心的位置設(shè)為坐標(biāo)系原點(diǎn)。

圖2 舵機(jī)分配方框圖

3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先用Pro/E軟件中的零件模塊對機(jī)械人各個(gè)零件進(jìn)行繪制，然后再對零件進(jìn)行自下而上的裝配，以及進(jìn)行零件圖及裝配圖的繪制。大臂、小臂和腕部、機(jī)械手零件圖以及裝配圖分別見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7（單位均為mm）。

4 試驗(yàn)臺搭建與抓取效果實(shí)驗(yàn)

根據(jù)零件圖及裝配圖進(jìn)行試驗(yàn)臺搭建。由于設(shè)計(jì)尺寸較大，故將整體尺寸縮小4倍來進(jìn)行搭建。實(shí)物如圖8所示。通過操作上位機(jī)控制軟件指令信號，可給伺服舵機(jī)控制器發(fā)送控制指令信號，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械人在空間中精確作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)械人能夠較為平穩(wěn)、準(zhǔn)確地對目標(biāo)物進(jìn)行夾取、移動、放置等任務(wù)。證明設(shè)計(jì)合理，試驗(yàn)臺搭建正確。

5 結(jié)束語

通過對水果采摘作業(yè)的分析，設(shè)計(jì)了一套六自由度關(guān)節(jié)型采摘機(jī)械人。其運(yùn)動范圍覆蓋了水果果實(shí)的分布范圍，末端執(zhí)行器能夠執(zhí)行對水果的采摘任務(wù)。在采摘過程中，只需對舵機(jī)進(jìn)行控制，在一定程度上降低了控制的難度和復(fù)雜性。當(dāng)然，設(shè)計(jì)中也存在不足，例如缺少對果實(shí)的切割裝置，而且對葡萄等較小、較軟的果實(shí)采摘技術(shù)不成熟，有待進(jìn)一步的改善。

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作者簡介：鄭爽爽（1994-），女，河南許昌人。

*通訊作者：李艷聰（1965-），女，天津人，教授，博士。