農業采摘機器人機械臂結構設計與分析

岳鵬飛

（河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000）

由于農業生產與加工的環境具有非結構化環境特點，所以要求農業采摘機器人具備機械化與智能化雙重特性[1]。農業采摘機器人的關節型機械臂，作為果園內重要的采摘執行裝置，在進行具體的機械臂功能設計時，不僅要考慮機械臂的基本結構，還要從動力學性能角度出發，對機械臂的內部結構和主要動力學性能展開研究，并在動力學建模過程中，獲得機械臂的最佳設計方案。農業采摘機器人的智能化、自動化應用，能夠有效降低農民勞動力工作強度，減少農業生產供需矛盾[2-4]。基于此，筆者從農業的現代化與智能化應用角度出發，以人工智能作為農業發展的前提，對農業采摘機器人機械臂展開動力學結構設計與建模，以探究智能化機械臂控制系統的設計方案與設計策略。

1 機器人技術相關概念

在信息技術產業的整體應用范圍內，有關機器人的概念還沒有一個絕對權威性的定義標準[5]。近年來，機器人以典型的“機電一體化”特點，迅速發展壯大起來，并被應用于各種生產加工領域之中，為各行業的自動化、機械化發展提供了大量的技術動力支持。從概念上來說，機器人技術是指應用機器人來完善各類行業生產加工全過程的方法與手段。在農業機器人的應用領域中，農業機器人技術能夠改善勞動力工作條件，提高農作物產品種植與生產加工的工作效率，并能夠有效提升農作物產品的生產質量[6]。農業采摘機器人按照結構形式不同，可以劃分為多種類型，其中關節型機器人是最常見的一種農業采摘機器人結構形式。

2 農業采摘機器人機械臂的動力學分析

2.1 農業采摘機器人機械臂的運動求解

農業采摘機器人機械臂的動力學分析包括兩部分，分別為機械臂的正運動學分析、機械臂的逆運動學分析。而對機械臂的運動學分析目標來說，農業采摘機器人機械臂的運動求解就是為了能夠獲得機械臂的正、逆動力學運動結論。在機械臂的正、逆行運動中，農業采摘機器人機械臂關節空間與農業采摘機器人的工作空間之間存在著一定的非線性映射關系，這種關系與機器人的末端執行器位姿密切相關，農業采摘機器人機械臂關節空間與機械臂工作空間的運動學關系如圖1所示。

在各個關節的不同姿態運動過程中，正、逆機械臂的末端位姿呈現出絕對的位置上互相對應特性，其對應的動力學模型關系如下。

1）已知機械臂的末端位姿，可以根據農業采摘機器人機械臂關節的運動學原理，獲得機械臂的運動學方程：

其中，05T為齊次變換矩陣，θi為農業采摘機器人機械臂各轉動關節的角度。

2）將含有θ1的運動學變換矩陣部分移到機械臂的運動學方程左邊，則可以推導出：

3）在01T轉置后，得到農業采摘機器人機械臂關節的動力學矩陣如下：

2.2 農業采摘機器人機械臂的運動學數學建模

農業采摘機器人機械臂從關節空間到末端笛卡爾空間的變換，從數學建模角度上來說，代表的是農業采摘機器人機械臂的正向運動學描述。由機械臂數學坐標系可以得知農業采摘機器人機械臂的各個關節角度，并以此為基礎，進一步求解農業采摘機器人機械臂末端坐標系的位姿。其中，設矩陣A表示農業采摘機器人機械臂連桿的齊次變換，則其對應的代數矩陣為：

由于農業采摘機器人機械臂是全旋轉關節，所以把該機械臂設置5次變換矩陣，分別為A1、A2、A3、A4、A5，則農業采摘機器人機械臂末端連桿坐標系的齊次變換矩陣為：

其中，r11、r12、r13、r21、r22、r23、r31、r32、r33分別為農業采摘機器人機械臂末關節坐標系的基坐標系方向余弦（三個坐標軸），px、py、pz為農業采摘機器人機械臂末端關節的坐標原點三維坐標。則可以計算出05T中所有矩陣元素的數值為：

2.3 農業采摘機器人機械臂笛卡爾空間的軌跡規劃

在農業采摘機器人機械臂的笛卡爾空間軌跡規劃過程中，設置農業采摘機器人機械臂的中間點，并通過對中間點坐標的插補算法進行計算，能夠得到農業采摘機器人機械臂的位姿，再將中間點機械臂的位姿轉換成與其一一對應的關節角，則能夠在機械臂的末端規劃出關節角的控制路徑，進而實現機械臂的笛卡爾空間軌跡規劃。其中，農業采摘機器人機械臂的位姿控制過程如圖2所示。

圖2 農業采摘機器人機械臂的位姿控制過程

3 農業采摘機器人機械臂構型方案

3.1 具有垂直面栽培特點的農作物

從農業化種植的角度說，典型的具有垂直面栽培特點的農作物是西紅柿作物[7]。由于西紅柿的花和葉在自然環境中呈現不同方式的生長規則，這使得西紅柿的水果串大都暴露在其莖葉的外面，農業采摘機器人能夠很好適應這種垂直面內栽培方式。但是，由于部分農業種植西紅柿的品種不同，所以需要差異化考慮問題。例如：普通西紅柿一般有3～5個果實，而櫻桃西紅柿生產的果實是普通西紅柿的3～5倍。所以，為了提高農業采摘機器人的采摘速度，就需要采取科學合理的采摘方式。

3.2 具有球狀栽培特點的農作物

農作物在生長與發育過程中，呈現出不同形狀的發育特點。以水果的發育為例，很多水果的果實呈現球狀發育生長狀態[8]。雖然水果果實一般都生長在球形的表面，但是很多時候莖葉仍然會擋住水果果實。這使得農業采摘機器人機械臂在避開障礙物采摘水果時，需要應用很長的手臂系統。就柑橘類水果農業采摘機器人機械臂的采摘而言，由于該類型水果的果實生長方向和位置各不相同，所以需要根據果實的方向和位置，進行采摘機器人機械臂的正確方向“行走”。而在對蘋果類水果的農業采摘機器人機械臂采摘過程中，不同的蘋果樹齡和不同的果樹修剪強度，對農業采摘機器人的機械臂機械化操作具有極大的影響。因此，需要對蘋果樹進行輕度修剪，讓果樹的枝杈與果實分散開來，才能夠實現 農業采摘機器人的機械臂采摘。

4 關節型機械臂的應用設計

關節型機械臂也稱之為回轉坐標型機械臂，這種機械臂從某種意義上來說，是模仿人體上肢運動而展開的臂力活動[9]。關節型農業采摘機器人的機械臂由基座、大臂和小臂三部分組成，由三個轉動關節連接到一起，并參照人類的上肢進行機械臂的前、后、左、右運動。機器人機械臂的三個轉動關節分別被定義為腰關節，肩關節和肘關節。而對機器人機械臂腕部結構的設計，則多采用兩自由度或三自由度的機械臂設計結構[10]。這種機械臂由于運轉關節太多，所以不適用于重載[11]。但由于機械臂主要用于農業采摘，果蔬重量和體積都偏小[12]，所以采用三轉動關節型機械臂極為有效。

5 結語

綜上所述，筆者從動力學角度出發，建立數學動力學模型，對采摘機械臂進行設計與控制完善，以期能夠實現不同類型果蔬的機械臂農業機械化采摘[13]。在對采摘機器人機械臂進行選擇時，關節型農業采摘機器人機械臂具有一定的作業優勢，它能夠在采摘過程中合理避開障礙物，并能夠對地表果蔬進行農業采摘。關節型農業采摘機器人機械臂的智能性與機械性，能夠為農業采摘帶來極大的便利，并能夠為我國農業現代化的進步與農業可持續發展提供良好的理論基礎與技術支持。