多功能六軸機器人機械手臂采摘設計

摘要：水果采摘費用高且勞動量大，為了快速且準確完成蘋果采摘任務，需要進行水果采摘機械人結構設計。首先進行采摘機械機構選型，確定合適自由度;其次，依據典型果樹輪廓確定采摘臂結構尺寸，繪制采摘機械手臂零件圖和裝配圖;最后，搭建采摘機械人結構試驗臺，進行實體運動和抓取實驗對設計效果進行驗證。

關鍵詞：六軸;采摘機械手臂;結構設計

采摘機器人手臂的控制問題是當今農業控制領域的研究熱點。針對果實在樹上分布范圍廣、位置隨機、自動識別受枝葉遮擋影響的特點，美國、荷蘭、日本等進行了較深入的研究，但機器人采摘作業受環境影響可靠性較低的問題仍未得到很好的解決，且機械手臂穩定性較低，易出現采摘率低，樹枝、果實損傷等問題。我國在果疏采摘機器人方面也有研究， 其研究成果已在草莓和番茄收獲機器人上得到初步應用，而對于既包含大范圍整體運動， 又包含小范圍振動的蘋果采摘機器人手臂系統，國內外少有文獻報道，僅分析了環境變量對蘋果機械手臂位置控制的影響。機械手臂在采摘過程中的穩定性問題，是當前亟待解決的難點。

1、系統簡介

本研究設計的蘋果采摘機器人手臂硬件系統，主要由機器人手臂本體、控制系統、伺服驅動系統、檢測系統及外圍電路組成如圖1所示。其中機器人手臂本體由上臂、前臂、手和肩、肘、腕各關節驅動器及其電機構成;控制系統的核心器件采用深圳固高公司生產的GT-400-SV-PCI運動控制器和I/O端子板，是主機和機器人手臂本體之間聯系的橋梁;檢測系統以及外圍電路主要由增量式編碼器和限位開關組成。[1]

2、機械人機構選型及自由度的確定

由于采摘機械人的作業對象是蘋果，質量輕，體積小，故而可選擇較為簡單、靈活、緊湊的結構形式。根據機械人手臂的動作形態，按坐標形式大致可將機械人手臂部分分為以下四類：直角坐標型機械手;圓柱坐標型機械手;球坐標（極坐標）型機械手;多關節型機械手。采摘機械臂的結構型式選取主要取決于機械人的活動范圍、靈活性、重復定位精度、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。經過對蘋果采摘空間的研究，結果表明，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，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。[2]這就要求采摘機械手應當具有較大的工作空間，因此選用多關節型機械手較為合適，且其占地面積較小，更加適合蘋果采摘作業。

3、采摘機械臂工作原理

圖2是本次設計的球類水果采摘機械人的結構簡圖。該結構為六自由度機構，可劃分為底座、大臂、小臂、腕部和手五個部分。[3]機械臂的底座通過舵機帶動傳動系統實現各個部分之間的相對轉動和旋轉。其中的各個轉動和旋轉均是通過電機驅動螺旋絲桿來實現。該設計機械臂的傳動如下：（1）底座旋轉。確定與底座平面互相垂直的目標采摘物所在的平面。（2）大臂轉動。移動至目標采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉動。將采摘機械手送至目標采摘物的附近。（4）手腕轉動及旋轉。調整機械手末端采摘機構的姿態，使其處于一個合適的位置，保證采摘任務能夠合理完成。（5）手夾緊放松，完成對目標采摘物的采摘任務。此外，將末端執行器設計為關節型的兩只手指，通過舵機、齒輪的嚙合及連桿機構實現對目標采摘物的夾緊與放松。

由以上分析得出：機械手的空間位姿由各個關節的空間坐標來決定，即當機械手的各個舵機的坐標確定的時候，就可以確定機械手的空間位姿。而決定舵機坐標的因素就是臂長及臂的轉動角度，而在這兩個參數中，設計結束后臂長是確定的常量，角度為變量。在模型當中，舵機1、2 的相對位置固定不變，控制末端執行器的舵機 6 用來調整手的姿態，因此可以先忽略舵機 1、6，將舵機2軸線中心的位置設為坐標系原點。

4、結束語

本研究應用拉格朗日方程建立了蘋果機器人手臂動力學模型，將蘋果采摘機器人手臂的整個運動空間劃分為伸展區和采摘區。為保證蘋果機器人手臂在伸展過程中能量不斷增加，提出了一種基于能量的伸展控制策略，有效地解決了機器人手臂到達采摘區的穩定性控制問題。計算機模擬結果表明：利用 LQ R 控制策略使得機器人手臂的大臂、前臂和機械手在采摘區達到穩定的時間 ≤2 s，驗證了該控制策略的有效性。進一步，還需在理論上針對該系統的魯棒性能進行分析研究，以確?？刂撇呗缘目煽啃?。

參考文獻：

[1] 湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述[J].機器人，2005.

[2] 鐘寧帆，孫敏慧， 鄒云.奇異攝動系統的 H ∞控制：基于奇異系統的方法[J] .控制理論與應用， 2007.

[3] 鄒湘軍，金雙，陳燕，等.基于Modelica的采摘機械手運動控制與建模[J].系統仿真學報，2009.

作者簡介：夏明（1996.05-），山東交通學院本科學生，指導老師：李光。