絲瓜采摘機器人的設計

馬駿馳?王鑫?楊潔?楊菲?周朝進?周海燕

摘 要：為了降低絲瓜采摘的人力成本，本文設計一種大棚絲瓜采摘機器人，以實現大棚絲瓜采摘自動化，根據采摘環境特點和工作方式要求，給出絲瓜采摘機器人的總體結構設計，并且對關鍵的機械臂進行設計說明。

關鍵詞：絲瓜采摘機器人;機械臂結構

0 引言

由于中國社會經濟結構和人口結構的轉變，從事農業活動的人越來越少，從當前來看，果蔬采摘作業是農業生產中最耗時、最費力的一個環節，[1]屬于勞動密集型的工作，急需實現果蔬自動化采摘以提高勞動效率。現設計一種大棚絲瓜采摘機器人，實現大棚絲瓜的自動化采摘。本論文所研制的絲瓜采摘機器人采取圓柱形坐標的結構形式，結構簡單，運動控制簡便，坐標計算容易，定位精度高。[2]同時采用伺服電機驅動，可控速度范圍大，能源易得，精度高。采用兩根THK公司生產的標準件引動器作為機械臂，增加傳動精度，減小機器人質量，同時方便后續的機器人維修和零部件更換，提高采摘效率。[3]

1 采摘機器人工作方式與目標要求分析

機器人工作時移動平臺移動到絲瓜種植區前方，水平引動器向后移動到最大位置，兩臺工業攝像機拍照并將照片傳回單片機，單片機通過分析這兩張圖片，確定圖片內所有絲瓜的位置坐標，然后控制機器人作業。作業時，通過移動平臺內伺服電機的轉動帶動支撐臺轉動，將兩根引動器轉動到與被采摘絲瓜同一平面內的位置。與此同時，垂直引動器工作，將水平引動器移動到距離絲瓜頂部3cm處。之后，水平引動器開始工作，在電機的驅動下，水平引動器向絲瓜所在的位置伸出，直到絲瓜位于末端執行器的機械手開口中心。末端執行器上方的切割刀片在工作時，刀片處于復位狀態（即切割刀片與水平引動器垂直，且刀口的朝向背向絲瓜）。在水平引動器到達指定坐標后，機械手抓合絲瓜，待絲瓜抓穩后，切割刀片工作，在直流電機的驅動下，刀片旋轉270°，將絲瓜藤切斷，此后回到復位狀態。之后，水平引動器收回。支撐臺旋轉適當的角度并伴隨垂直引動器的調整，將機械手中的絲瓜移至籮筐正上方，然后機械手松開絲瓜使其落入籮筐，這樣一次絲瓜采摘就完成了。然后支撐臺旋轉伴隨機械臂的調整，開始第二次采摘。在將照片中的絲瓜全部采摘完成后，引動器回到初始狀態，移動平臺向前移動到采摘區域，然后拍照分析進行下一次采摘。

采摘作業環境特點：本次課題所研究的絲瓜采摘機器人采摘的絲瓜種植于農田大棚中，之所以應用于該環境，是因為農田大棚的絲瓜種植利用春提早絲瓜栽培技術，可以做到早結瓜、早上市，增加絲瓜的產量和收益。而此次研究的采摘機器人正是用于該環境下進行絲瓜的采摘。大棚里的作物通常采用畦作栽培，絲瓜也不例外，通常情況下畦溝的寬度為80cm，兩畦之間的寬度為125cm，種植時絲瓜種植在畦溝內兩側，兩個絲瓜藤之間的橫向距離為40cm，對稱種植，其中圓圈代表絲瓜的種植地點。

2 絲瓜采摘機器人的總體結構設計

根據上述問題，本論文設計出了3自由度的采摘機器人，該機器人與目前市場上所出現的采摘機器人相比，優點在于采用圓柱形坐標的結構形式，結構簡單，運動控制簡便，坐標計算容易，定位精度高。基于雙目視覺系統的圖片分析能夠通過分析絲瓜的形狀，提高采摘精度，實現智能采摘。在機械臂的傳動方面，采用最新型的諧波齒輪減速器，降低工作噪音，提高傳動精度，增大工作轉矩。[4]采用兩根THK公司生產的標準件引動器作為機械臂，增加了傳動精度。此外，設計了一種新型的柔性末端執行器，最大限度地減少了絲瓜采摘過程中對絲瓜果實的傷害，提高了采摘效率。

2.1 機械臂設計

機械臂的設計是采摘機器人設計的重點，也是機器人工作的核心所在。現代大部分農業機器人所使用的機械臂都是在市場上購買的工業機械臂，機械臂的結構形式及自由度的選擇對末端執行器運動精度及靈活性都會產生很大的影響，對采摘作業的農業機器人來講，機械臂必須滿足結構簡單、運動靈活等條件。[5]

本次機械臂設計的目的主要是滿足末端執行器的定位需要，能夠使末端執行器在指定位置采摘絲瓜。因此，設計之初首先需要考慮分配好采摘機器人的自由度。實際考查中，我們發現3自由度的機器人就可以滿足絲瓜的采摘需要。因此為了避免自由度的冗余、增加生產成本，本課題選擇3自由度的機械臂來開展設計。

對機械臂長度的設計則需考慮絲瓜采摘機器人具體的采摘環境。本課題所研究的機器人是應用于大棚里的絲瓜采摘，絲瓜平均生長的高度為1.4～1.6m，而移動平臺的高度為0.41m，支撐座高度為0.105m，因此垂直使用的機械臂的高度大約需要1.1m。

機械臂共有兩個自由度，也就是X軸和Y軸的移動自由度。這兩個自由度的運動實現本設計考慮依然采用交流伺服電機來驅動，主要是考慮到交流伺服電機質量小、精度高、易于控制的特點，雖然輸出轉矩較小，但能滿足這兩個直線自由度的實現。機械臂考慮采用絲杠螺母傳動的方式來實現傳動。[6]絲杠螺母傳動的精度高，易于實現，工作壽命長，而且已經標準化。綜合以上要求，本設計考慮選擇日本THK公司生產的引動器。

載重方面，水平引動器的載重肯定小于垂直引動器，因此只需估算垂直引動器的載重。由于不同型號引動器的質量相差很大，所以我們盡量往較大數據估計，為40kg，伺服電機選擇為安川400w的伺服電機，輸入完成過后THK給出的結果是只有KR55和KR65型，考慮到質量輕化優先，選擇KR55系列的引動器。這樣機械臂就確定下來，共同組成機器人本體。為了使機械臂能夠穩定可靠地平衡傾覆力矩，采用加強筋的設計來輔助平衡。

2.2 移動平臺的設計

根據采摘作業環境特點，綜合考慮機械臂在移動平臺上的穩定性和畦溝的寬度，選擇移動平臺的寬度為76cm，其中車身的寬度為40cm，車輪的寬度為12cm，因此履帶的寬度為12cm。一般絲瓜的生長高度在1.4～1.6m，因此初選車身的高度為30cm，移動平臺整體的高度為40cm，車輪的直徑為35cm。為了使果蔬采摘機器人結構簡單、傳動精確，同時減小質量，設計采用諧波齒輪減速器來控制整個機器人的轉動。因此需要在移動小車內部放置交流伺服電機，這樣能夠降低車身重量。在小車內部安裝伺服電機，則需考慮裝配該機器人的方便性和可行性。在小車車身處，以完全貫穿的形式設計了一個長為25cm、寬為17cm的矩形安裝區域，將電機和減速器安置于其中，這樣便于安轉和后期維修。考慮到采摘完成后需要收集絲瓜，因此在車身設計兩個籮筐安裝區域，機械臂在采集完成后，可將絲瓜放在籮筐內，提高工作效率。綜合考慮上述情況后，筆者將車身的長度設計為90cm，便于絲瓜機器人后續設計工作的開展。

3 結語

本文針對絲瓜采摘過程中的問題以及采摘作業需求，通過分析果蔬采摘機器人的作業環境特點，對機器人的主要關節機械臂和移動平臺進行設計，使機器人滿足對絲瓜采摘的要求。

參考文獻：

[1] 林龍賢.果蔬采摘欠驅動機械手爪研究[D].浙江大學，2013.

[2] 方建軍.移動式采摘機器人研究現狀與進展[J].農業工程學報，2004（02）：273-278.

[3] 顧寶興.智能移動式水果采摘機器人系統的研究[D].南京農業大學，2012.

[4] 劉江.諧波齒輪減速器可靠性優化設計及傳動精度分析[D].電子科技大學，2012.

[5] 王儒敬，孫丙宇.農業機器人的發展現狀及展望[J].中國科學院院刊，2015，30（06）：803-809.

[6] 張新.一種新型碼垛裝置的開發及其關鍵技術[D].天津大學，2013.

作者簡介：馬駿馳（1998—），男，江蘇揚州人，本科在讀，研究方向：機器人。