獼猴桃采摘機器人柔性移動平臺的設計

陳子嘯，王 濱，劉亞東，崔永杰

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

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獼猴桃采摘機器人柔性移動平臺的設計

陳子嘯，王 濱，劉亞東，崔永杰

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

針對獼猴桃采摘機器人在果園中的移動問題，結合獼猴桃棚架式栽培模式及采摘機器人的作業特點設計了一種用于獼猴桃采摘機器人的柔性移動平臺。首先，分析了獼猴桃棚架式生長環境及種植模式的參數特點，闡述了移動平臺的作業要求以及其整體結構。其次，對該平臺的高度調解機構建立幾何模型，利用MatLab進行了力、角度等參數的分析計算，研究其高度調節范圍和連桿角度的變化關系、液壓缸的最佳安裝點和調節極角。最后，利用ANSYS WORKBENCH在危險點對關鍵機構利用進行強度校核。本研究完成了柔性移動平臺的總體設計，得出了平臺作業的調節極角，通過對高度調節機構的分析校核，結果滿足平臺的作業要求。

柔性移動平臺； 高度調節機構； 四輪獨立導向；采摘機器人；獼猴桃

0 引言

采摘是果蔬生產鏈中費時費力的環節之一，且季節性強、勞動強度大。中國是世界上獼猴桃栽培面積最大的國家，大力推廣棚架式栽培模式有利于獼猴桃的綜合管理。由于其采摘時間相對集中且較短，需要大量的人力，因此已有科研人員開始研究開發獼猴桃自動采摘機器人[1]

近年來，國內外學者在果蔬采摘機器人方面做了大量的研究工作[2]，研制了多種農用機器人移動平臺。例如，中國農業大學秦衡研制了一種適用于丘陵山區作業的全地形農用車輛[3]。華南農業大學羅錫文研制的用于精細農業的智能平臺[4]，其機械子系統采用的是兩個前輪獨立驅動方式，靠驅動電機轉速的不同實現轉向。巴西的Eduardo Paci∧encia Godoy與巴西農業儀器研究公司等科研機構開發的網絡控制的四輪導向精細農業移動機器人[5]，該農業機器人工作平臺特點是四輪獨立驅動以及獨立轉向。瓦赫寧根大學的T.Bakkert和J. Bontsema等人試制的用于田間雜草識別的移動平臺樣機，采用四輪獨立驅動[6]，四輪轉向也讓移動平臺在田間有更大的靈活性。這些移動平臺主要針對田間作業，與獼猴桃棚架式栽培模式的作業環境不同、而且對移動平臺的穩定性和柔性要求有所差異。

綜上所述，提出了獼猴桃采摘機器人柔性移動平臺的方案。該平臺采用四輪獨立轉向的導向方式，可以在果園內部進行原地小半徑轉向 ，提高了平臺在果園中的機動性；由輪轂電機提供行走動力，環保節能；并配備有水平調節機構，可實現對不平整地塊的仿形的同時，保持平臺穩定性和上部車體水平，提高了平臺的作業柔性。

1 獼猴桃采摘機器人的工作環境

本文所設計的獼猴桃采摘機器人移動平臺適用于規范化種植的獼猴桃棚架式結構。獼猴桃屬于藤蔓植物，果實生長需要搭架，目前最普遍的結構是棚架式，結構相對規整。獼猴桃果樹的種植模式，如圖1所示。棚架是由鐵絲搭建而成的網架結構，果樹枝條沿鐵絲網生長，果實自然下垂。獼猴桃果樹的行間距為400cm，株間距為300cm，果實成熟之后均勻分布在鐵絲上，高度分布在130～170cm之間；果園內的地形環境較為復雜，存在低洼凸起的路況[1]。

考慮到采摘機器人的采摘方式，移動平臺應用間歇式行走的作業方式，輪轂電機相對于其他的動力裝置，適宜頻繁啟停，而且控制精確方便，噪音污染也較小。由于果園空間限制，平臺的轉彎半徑不宜過大，所以采用可全向轉彎四輪獨立轉向方式，提高了平臺的機動性和靈活性。

作業時，平臺沿果園單側間歇式運行，當行走到目標果實處即需采摘果實的區域內，制動停車，等待采摘機器人作業完畢。由于果園地形環境復雜，采摘季節地面不甚平整，存在低洼以及凸起的地形條件，而且平臺上的獼猴桃信息感知及采摘設備需要較高的平衡性和穩定性，所以需要平臺具有四輪獨立的水平調節仿形機構。

圖1 獼猴桃棚架式栽培模式現場圖

2 移動平臺的總體結構

2.1 總體結構

基于獼猴桃的棚架式栽培模式，設計了用于獼猴桃采摘的柔性移動機器人平臺。其采用四輪獨立導向方法，能在小范圍內實現小半徑的自由轉向，且具備調整平臺姿態的水平調節仿形機構以適應復雜的作業環境。

結合上述功能要求，設計的獼猴桃采摘機器人移動平臺整體結構，如圖2所示。其主要由車身主體、水平調節仿形機構、四輪獨立轉向機構、輪轂電機及輪胎組成。車身主體主要安裝獼猴桃采摘機器人，放置電源及控制器。

1.安裝云臺 2.控制器 3.平臺主體 4.轉向驅動機構 5.輪轂電機 6.輪胎 7.高度調節機構

水平調節仿形機構由4個獨立高度可調的腿部結構組成，考慮到平行四桿機構運動平穩，相對桿角位移、速度、加速度始終相等[10]，滿足平臺能平穩的進行水平調節要求，故采用平行四桿機構，由液壓缸提供調節動力。

四輪獨立轉向是由4個獨立的轉向動力輸出裝置組成，可實現四輪獨立的任意角度轉向，轉向角度合理分配由轉向控制器根據運動學模型完成，每個動力輸出裝置都配備有旋轉編碼器，來監測預期旋轉角度與實際旋轉角度的偏差。

高度調節機構由機架、搖桿、連架桿、連桿及液壓缸組成，如圖3所示。其中，機架與車身主體通過銷釘固連，搖桿通過鉸鏈和機架的上部安裝點連接，連架桿通過鉸鏈和機架的下部安裝點連接，液壓缸的一端通過鉸鏈安裝在機架中部鉸鏈連接點上，另一端通過鉸鏈與搖桿連接。四桿機構的機架固連在車身主體上，使得腿部結構車身主體成45°夾角，4個腿部結構分別安裝在車身4個角上，連桿與轉向機構通過連接法蘭固連。

1.液壓缸 2.鉸鏈Ⅰ 3.連桿 4.連接法蘭Ⅰ 5.連架桿 6.鉸鏈Ⅱ 7.機架

轉向動力輸出機構主要由電機、行星減速器、主動齒輪、從動齒輪、滾動軸承、套筒、軸、軸承蓋、安裝殼及旋轉編碼器構成，如圖4所示。

1.電機 2.行星減速器 3.安裝殼 4.主動齒輪 5.主軸 6.套筒 7.下軸承蓋 8.從動齒輪 9.滾動軸承 10.上軸承蓋 11.旋轉編碼器 12.凸臺

圖4 轉向動力輸出機構

其中，電機與行星減速器連接，固連在安裝殼上，輸出扭矩通過主動齒輪傳輸給從動齒輪，從動齒輪安裝在軸上，軸上下安裝滾動軸承，軸承兩端分別用軸承端蓋緊固；軸上端安裝旋轉編碼器，下端轉向動力輸出與輪轂支架連接。

2.2 工作原理

轉向工作原理，如圖5所示。其中，導向控制模塊具有分配各輪轉角、數模轉換及反饋調節等功能。根據四輪獨立轉向的阿克曼轉向模型，導向控制模塊的主控制器計算出滿足該模型的各個輪子的轉角， 分別傳輸給4個轉向電機的控制器，控制器通過PWM波控制電機的旋轉角度。電機旋轉扭矩通過行星變速器放大，傳送到主動齒輪，進而傳送到從動齒輪，帶動主軸轉動；主軸轉動的輸出扭矩作用到輪轂支架上，實現輪子轉動預定的角度。與此同時，主軸上端帶動旋轉編碼器的輸入軸轉動(具體機構可參照圖4)，旋轉編碼器將主軸的實際旋轉角度轉變成模擬信號反饋給控制器，與預期的旋轉角度比較，實現精確閉環控制。

圖5 轉向工作原理概念圖

水平調節仿形機構工作原理：移動平臺可整體抬高或降低平臺主體的高度，也可根據地形條件仿形調整腿部結構，以保證平臺主體的水平，從而保證以平臺為載體的信息采集傳感器以及采摘機器人的作業精度。圖6為平臺高度調整示意圖。當作業需要調整整體高度或某個腿部機構的高度時，主控制器計算需調整的高度，通過4個獨立的液壓比例電磁閥控制4個液壓缸的伸長或縮短，從而達到4個腿部機構高度的獨立調整。

圖6 高度調節效果圖

3 主要工作部件研究

3.1 高度調節機構幾何模型

平行四桿機構運動平穩，相對桿角位移、速度、加速度始終相等，滿足平臺能平穩地進行高度調節要求[7-8]。因此，高度調節機構選用平行四桿機構，由液壓缸提供動力。為了計算高度調節值與連桿運動參數之間的關系，對其構造幾何模型，如圖7所示。其中，GB為液壓缸，AE為機架，CD為連桿；AB1C1D1E為初始姿態，AB2C2D2E為調節后的姿態。

圖7 高度調節范圍分析簡圖

假設每個調高機構實時性相同，則可以對單個機構進行幾何建模，可根據幾何模型得到調高機構高度H變化量ΔH與機構姿態決定角θ變化量Δθ的關系。

(1)

式中a—連桿的長度；

b—連架桿的長度；

c—液壓缸在機架上安裝點距離機架上鉸鏈的距離；

θ1—初始姿態時下連架桿與連桿之間的夾角；

θ2—高度調節后下連架桿與連桿之間的夾角。

(2)

高度調節機構的調高范圍ΔΗ=ΔY=-bcosθ2+bcosθ1。

為了使高度調節方便液壓缸安裝，且滿足高度調節范圍要求，高度調節機構極角θ1與θ2選取互補的一對角度。

人們都說，相聲是語言藝術，愚以為相聲是表演藝術，而評書是語言藝術。學者張衛東先生曾說：“說書人和讀書人的祖師爺都是孔子。說書的不是藝人，是先生。”作為評書藝術家的單田芳，同樣是大眾語言大師，他是東北版的老舍。

圖8 高度調節范圍ΔΗ與θ1之間的關系

3.2 高度調節機構力學研究

高度調節機構承載了整個平臺的質量，有必要對其進行力學分析，以確定動力液壓缸最佳的安裝點從而使其在高度調解過程中承受最小的壓力。結合高度調節范圍分析簡圖(見圖7)，對個腿部進行受力分析[9-10]，如圖9所示。

圖9 高度調節機構力學分析簡圖

由圖9的力學模型、結合幾何關系，可得到

(3)

式中a—連桿的長度；

b—連架桿的長度；

c—液壓缸在機架上安裝點距離機架上鉸鏈的距離；

d—液壓缸在上連架桿安裝點距離機架上鉸鏈的距離；

θ—連架桿與連桿之間的夾角；

α—液壓缸和機架之間的夾角。

由DC的受力分析，可以得到XC=0，FD=0，YC=F。

對整體受力分析，可以得到：

(4)

(5)

(6)

(7)

系數K決定了在高度調節過程中液壓缸的受力大小，因此需要分析K的變化與安裝點的變化關系。

對于規范化種植的獼猴桃棚架式結構，果園的行間距為400cm，棚架高度平均高度170cm，高度調節范圍80cm。綜合考慮以上數據，選取b=50cm，a=20cm，可以保證平臺的行走通過性及滿足采摘機器人的作業要求。

圖10分別反應了在a、c取不同值時，K隨θ變化的情況，通過3個變量的變化關系，選取合適的安裝點，即合適的c、d值。

(a) c=7時k和θ的變化關系 (b) c=14時k和θ的變化關系 (c) c=19時k和θ的變化關系

3.3 有限元分析

為保證上架桿的強度和可靠性，需要對其進行有限元分析[11]，將上連架桿的PROE三維模型通過中間格式IGES導入ANSYS軟件進行應力分析。

1)材料屬性定義：首先對桿件的材料屬進行定義，材料選取鋁制型材，其材料屬性如表1所示。

表1 上連架桿材料屬性

2)網格劃分：將桿件三維模型導入ANSYS WORKBENCH，采用掃略網格劃分方法，該部件共劃分75 484個單元，410 378個節點，最后得到的網格劃分結果如圖11所示。

圖11 劃分網格

3)定義載荷約束：安裝點已經確定后，根據前面章節的受力分析就可以得到上連架桿的載荷約束狀況。實際作業過程中,外加載荷F已知。由圖11可知：當d=37.5、θ=5π/6 時各個點受力最大，發生破壞的可能性大，所以θ=5π/6 為危險點，而且是機器的作業極限點。在此位置進行強度分析，則有

(8)

根據以上各式可以求解各點的載荷狀況，載荷加載位置如圖12所示。

圖12 定義載荷圖

4)靜力分析：采用程序自動控制方式，提高運算速度，得到應力云圖如圖13所示。

圖13 上連架桿模型計算結果

分析結果顯示：最大應力發生在固定端A處，符合實際受力情況。由于該位置分析時存在應力集中狀況，最大等效應力值不具有參考意義，且該位置等效應力在選用的鋁制型材材料屈服極限455MPa以內，滿足設計要求。

觀察分析結果，在上連架桿與平臺主體連接處A點，即連架桿的局部上表面已經接近材料的屈服極限，考慮到機構的安全性，結合理論分析結果，在實際裝配連接過程中，應該在該處采用加強結構以確保強度安全。

4 結論

1)針對獼猴桃標準化棚架式種植模式以及獼猴桃采摘機器人作業特點設計了一種機器人移動平臺，具有高度可調及可四輪獨立轉向的特點，增加了平臺的柔性和機動性。

3)對移動平臺的調高機構進行力學分析，確定了動力液壓缸的最佳安裝點。高度調節在運動過程中，k關于θ正相關。為使k值在可取范圍內最小，并滿足安裝空間，k取c=19cm。過計算分析，d值對k的影響及液壓缸的安裝問題，選取d=37.5。

4)各個點受力最大的條件下，利用ANSYS對上連接桿進行有限元分析，驗證了設計的可靠性。結果表明：等效應力在選用的鋁制型材材料屈服極限455MPa以內，并結合分析結果為實際裝配中可能出現的問題提供了可行的措施。

[1] 李楨，王濱，陳子嘯，等.基于MatLab的獼猴桃采摘機械臂運動學仿真研究[J]．農機化研究，2015，37(12)：227-231．

[2] 張立彬，計時鳴，胥芳，等．農業機器人的主要應用領域和關鍵技術[J]．浙江工業大學學報，2002，30(1)：36-37．

[3] 趙勻，武傳宇，胡旭東，等．農業機器人的研究進展及存在的問題[J]．農業工程學報， 2003，19(1)：20．

[4] 羅錫文，區穎剛，趙祚喜，等．農用智能移動作業平臺模型的研制[J]．農業工程學報，2005，21(2)：83-85．

[5] Godoy E P, Tangerino G T, Tabile R A, et al. Networked Control System for the Guidance of a Four-Wheel Steering Agricultural Robotic Platform[J].Journal of Control Science & Engineering, 2012, 2012(1). 10.

[6] Bak T, Jakobsen H. Agricultural Robotic Platform with Four Wheel Steering for Weed Detection[J].Biosystems Engineering, 2004, 87(2):125-136,125-136.

[7] 孫桓，陳作模.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.

[8] 湯修映.平行四桿機構在點焊機器人中作用[J].中國農業大學學報，2003,8(4)：36-40.

[9] 武清璽，馮奇.理論力學[M].北京:高等教育出版社,2003.

[10] 許平勇，曹鵬舉．平行桿翻轉舉升機構及液壓缸鉸支點設計[J]．起重運輸機械，2008(5)：23-25．

[11] 付宇飛，張淑敏.灌水開溝器的設計研究與有限元分析[J].農機化研究，2014，36(11):108-111.

Design and Research of Flexible Robotic Platform for Kiwi Fruit Harvesting Robot

Chen Zixiao, Wang Bin, Liu Yadong, Cui Yongjie

(College of Mechanical and Electric Engineering,Northwest Agricultural and Foretry University,Yangling 712100,China)

This paper developed a kiwi harvesting robot mobile platform that was suitable to kiwi’s standardized planting pattern and able to meet the work requirements of kiwi harvesting robot.Growing environment and canopy frame of standardized planting pattern in kiwi cultivating was surveyed and analyzed so as to obtain mobile platform’s work condition and design its whole mechanical structures appropriately.Specifically, the platform’s parameters of height adjustment mechanism was analyzed and calculated, to find out the relationship of angle and height range as well as the optimum mounting point of its driven hydraulic cylinder.Finally, the stress and strain of dangerous point on key part was analyzed using ANSYS WORKBENCH.

mobile platform; height adjustment mechanism; four independent steering; harvesting robot;kiwi fruit

2016-01-06

國家自然科學基金項目(61175099)

陳子嘯(1990-)，男，陜西渭南人，碩士研究生，(E-mail)chenzixiao1990@126.com。

崔永杰(1971-)，男(朝鮮族)，吉林圖們人，副教授，博士生導師，(E-mail)cuiyongjie@nwsuaf.edu.cn。

S225.93;TP242.3

A

1003-188X(2017)01-0072-06