一種自動化柑橘采摘機器人設計

張晨宇,聶淑萍,張洪震,趙勝雪

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

我國是柑橘重要原產地之一,柑橘栽培面積超過300萬hm2,但目前我國柑橘采摘方式多為人工采摘,采摘作業效率低、成本高(采摘費用占成本比例50%～70%)[1],且采摘作業的質量難以保證。如今我國面臨人口老齡化、農業生產勞動力短缺等問題。柑橘采摘機器人可減少人工成本、提高采摘效率和作業質量,具有很大的發展潛力,因此研發柑橘采摘機器人對提高柑橘生產效率具有重要意義。

早在20世紀80年代初,國內外相繼開始研發果蔬采摘機器人,一款由西班牙工業自動化研究所開發的柑橘采摘機器人Agribot[2],基于人機協作思想,可通過激光測距儀和控制系統規劃最優采集路徑實現精準采摘,具有采摘效率高、系統成本低的特點,但對質地較軟的果實采摘存在機械損傷的風險。王順溈等[3]設計了一種振動式采摘機械臂,其外形模仿雨傘來進行果實收納,但在收集過程中會導致果實碰撞而造成損壞,影響果實的采收率和損傷率。魏博等[4]設計了一種欠驅動式的柑橘采摘末端執行器,可穩定采摘不同大小橢圓度的柑橘,具有抓取穩定、適應性強等優點,但該機使用旋擰分離方式采摘果實,會對果蒂處造成損傷,縮短果實保質期。

針對目前柑橘采摘機器人存在果實采摘損傷率過高的問題,本文對柑橘采摘過程進行實際分析,設計了一款柑橘采摘機器人,實現柑橘全自動無損采摘。

1 結構設計

1.1 整體結構

柑橘采摘機器人主要由機械臂、末端執行器、儲存箱、行走裝置等部分組成,整體結構如圖1所示。

1.機械臂;2.末端執行器;3.輸送軟管;4.儲存箱;5.行走裝置

機器人的工作流程如下:

1)采摘機器人沿著橘林道路向前移動;

2)識別、定位系統采集圖像,以此獲取柑橘果實的坐標,控制系統再將位置坐標信息發送至行走裝置并驅動,使采摘機器人到達預定位置;

3)采摘機械臂開始工作,使末端執行器靠近并抓取果實,切斷果梗,實現柑橘果實采摘;

4)采摘后,果實隨著重力作用掉落,通過輸送軟管,無傷輸送至儲存箱中。

重復上述操作,直至完成柑橘果實采摘作業。

1.2 行走裝置與支撐框架設計

根據柑橘實際種植地形條件及機器人載荷需求,設計行走裝置與支撐框架。行走裝置由直流電機、驅動輪、輔助輪、橡膠履帶、渦輪減速機等部分組成。支撐框架與行走裝置直連,框架上連接負責搭載機械臂與儲存箱的平臺,行走裝置與支撐框架整體如圖2所示。

1.直流電機;2.驅動輪 ;3.輔助輪;4.橡膠履帶;5.支撐框架;6.渦輪減速機

采摘機器人使用場景多為丘陵、山地,土壤多為土層深厚、松軟且透氣性較強的壤土和沙土,且具有一定的坡度。于是,選用橡膠質地的履帶作為機器人行走裝置,具有較好的緩沖性,可減少振動對上裝設備的影響,在機器人應用地形上具備良好的運載能力和行走能力[5]。

行走裝置由直流電機、RV025-090型渦輪減速機與驅動輪間采用螺栓緊固相連,并與橡膠履帶嚙合。驅動輪位于履帶結構頂端,傳遞驅動力矩或制動力矩,使得履帶轉動或停止。履帶中設有6組輔助輪,使履帶在轉動時與地面更加貼合,以此增加抓地力和附著性能,同時能有效避免發生軸向移動而造成的脫軌。

考慮滿載情形,機器人的支撐框架所需承受載荷為整個機械臂重量與滿載柑橘時儲存箱重量之和(經計算約為700 kg)。因此,設計的機器人支撐框架應符合安全使用要求。結合成本、工藝等因素,選用了碳鋼作為支撐框架及其所搭載的平臺的材料。

1.3 采摘機械臂設計

針對機械采摘果實時靈活性的需求,關節型結構的機械臂相比非關節型機器人有著更高的靈活性,并且結構緊湊。因此,該機器人采用了關節型結構來展開設計。自由度直接影響機械臂的運動性能和靈活度,選擇合適的自由度對于綜合優化柑橘采摘機械臂具有重要指引作用。為了保證機械臂能夠有效避開樹枝障礙,深入枝葉間隙,實現柑橘的精準采摘,經考察,該機器人采摘機構設計為四自由度的機械臂,以地面為參考系,x0y0平面與地面平行,機械臂坐標系示意如圖3。

圖3 機械臂坐標系示意圖

設計的機械臂結構如圖4所示,主要包括腰關節、肩關節、大臂、小臂關節、小臂、腕關節、末端執行器等。根據柑橘果實高度分布情況,設計采摘機械手臂的尺寸如下:底座底部(x0y0平面)中心到腰關節所在平面即底座整體高度為500 mm,底座底部中心到肩關節軸線(z2軸)高度為535 mm,肩關節軸線(z2軸)到小臂關節軸線(z3軸)的距離即大臂連桿為660 mm,小臂關節軸線(z3軸)到腕關節軸線(z4軸)的距離即小臂連桿為580 mm,腕關節軸線(z4軸)到末端執行器末端的距離為348 mm。考慮到果實采摘的精準,因此機械臂對驅動裝置的轉速和精度有較高要求,各關節的電機均采用伺服電機并配備相應的減速器來進行傳動。

1.腰關節;2.肩關節;3.大臂;4.小臂關節;5.小臂;6.腕關節;7.末端執行器

1.4 末端執行器結構設計

末端執行器是安裝于機械臂前端用于采摘柑橘的重要部件,與采摘機器人的工作效率和果實在采摘過程中的機械受損率密切相關。現已研發的機器人末端執行器難以做到像人手那樣靈巧敏捷的抓取。所以本研究設計的末端執行器需要具有普適性和經濟可行性。

實現機器采摘果實的關鍵步驟為果實固定、果與樹分離。果實固定的方法有兩種。一種為吸盤吸附果實將其固定。另一種是使用多手指夾爪固定果實。果實與果樹分離方式有旋轉扭斷果梗或使用剪切機構切斷果梗兩種[6-7]。考慮到柑橘的果梗木質化程度較高,扭轉分離的方式會造成果蒂處損傷,不易儲存;夾持機構的方式易造成果皮細胞破損,縮短果實保質期。所以,本設計采用吸盤吸附固定果實,后切斷果梗實現采摘。

以紅美人柑橘為研究對象,在柑橘果園中進行采樣,取100個成熟程度、大小不同的柑橘。使用游標卡尺測量果實的橫徑、縱徑和果梗直徑,再用電子秤測量質量,統計最大質量和最小質量,測得的柑橘橫徑、縱徑、直徑及果實質量等數據如表1。

表1 柑橘特性參數

根據測量到的橫徑、縱徑,為吸盤進行選型,并設計末端執行器內部空間大小,末端執行器結構如圖5所示。

1.高速轉動輪;2.鋸刀片;3.吸盤傳動齒輪;4.吸盤;5.拉簧;6.搬果環;7.固定座;8.螺紋吸管;9.搬果環驅動電機;10.皮帶輪;11.出果桶;12.拉繩;13.圓筒;14.電機板;15.切割電機;16.鋸刀座;17.伸縮電機;18.連接桿

工作時,吸盤將遠處的柑橘吸住固定,伸縮電機通過齒輪副帶動螺紋吸管將其引向圓筒中,當柑橘接近圓筒時,搬果環驅動電機通過拉簧將柑橘整體搬入圓筒,同時將果梗推向鋸刀片,切割電機通過傳動輪和皮帶帶動鋸刀片高速旋轉,將果梗切斷,切下的果實落入出果桶,出果桶外接收集囊,果實進入收集囊并滑落至儲存箱中,順利完成柑橘的采摘。

2 采摘機械臂運動學分析

2.1 模型建立與齊次變換矩陣

機械臂通常是由轉動(移動)關節和連桿構成,每個關節有一個自由度。關節的作用是控制兩個連桿間的相對位置和姿態;連桿的功能在于保持其兩端的關節軸線具有固定的幾何關系。因此,連桿參數的設定是機械臂運動學的重要組成部分。操作臂的連桿參數和連桿坐標系示意圖(圖6)。

圖6 連桿參數和連桿坐標系示意圖

如圖6所示,相鄰兩連桿i和i-1由關節i相連,因此關節軸線i有兩條公法線(ai-1和ai)與它垂直,每條公法線代表一條連桿:ai-1代表連桿i-1;ai代表連桿i。兩連桿之間的距離di由ai-1與軸線i的交點到ai與軸線i的交點間的距離表示,沿軸線i測量;兩條連桿之間的夾角θi由αi-1和αi之間的夾角表示,繞軸線i由ai-1到αi測量。di和θi都帶正負號,連桿長度ai-1恒為正,但兩關節軸線之間的夾角αi-1可正、可負。

每個連桿由ai-1、αi-1、di、θi來描述,這四個參數常被稱為D-H參數。ai-1、αi-1描述連桿i-1 本身的特征;di、θi描述連桿i-1與連桿i之間的聯系。對于旋轉關節i,θi僅是關節變量,其他3個參數不變。本文采摘機械臂的4個關節均為旋轉關節。

D-H坐標表示法是一種通用的機械臂建模方法,通過在每個連桿上固定一個坐標系,用4×4的齊次變換矩陣來描述相鄰兩個連桿之間的空間關系。通過將各個關節的變換矩陣依次相乘,可以得到機器人末端執行器相對于固定坐標系的位姿,進而得出機械臂的運動學方程[8]。通過對上述機械臂各關節和連桿結構分析,確定機械臂的D-H參數(表2)。

表2 D-H參數表

變換矩陣也可以依次從連桿上的四種特征參數,即D-H函數中得到,再通過右乘上述四個變換矩陣即可得出一種可以用于描述相鄰關節的坐標系之間聯系的齊次變化矩陣,其代表了坐標系{n}相對上一坐標系{n-1}的位姿改變[8]。齊次變換矩陣如下式所示。

nTn+1=An+1=Trans(an,0,0)×Rot(xn,αn)×Trans(0,0,dn+1)×Rot(zn+1,θn+1)

(1)

其中,dn+1為連桿偏距,mm,θn+1為關節角度,(°);an為連桿長度,mm,αn為連桿扭角,(°),即D-H參數。

2.2 機械臂正運動學求解

根據D-H參數表所示連桿特征參數和坐標變換矩陣表達式,得出各連桿的變換矩陣如下

(2)

(3)

(4)

(5)

其中,a1=170 mm,a2=660 mm,a3=185 mm;d1=380 mm,d2=155 mm。將上述4個變換矩陣相乘,得到機械臂的總的變換矩陣如(6)式,它表示的是坐標系{4}相對于坐標系{0}的位姿變換,即為機械臂運動學方程的正解

(6)

其中,a為機械臂末端坐標系(即坐標系{4})的接近矢量;o為姿態矢量;n為法向矢量;P為末端坐標系原點相對基準參考坐標系中的坐標位置。

式中:

nx=c234c1;ox=-s234c1;ax=-s1;

ny=c234s1;oy=-s234s1;ay=-c1;

nz=-s234;oz=-c234;az=0;

Px=a1c1-d2s1+a3c1c2c3-c1s2s3+a2c1c2;

Py=d2c1-a3(s1s2s3-c2c3s1)+a1s1+a2c2s1;

Pz=d1-a3s23-a2s2。

2.3 運動學Matlab仿真驗證

為了驗證正運動學算法的準確性,結合Matlab-Robotic Toolbox進行實例仿真驗證[9-10]。

根據該采摘機械臂D-H參數,同時,對關節角θi(i=1～4)任意給定一個角度初始值:θ1=π/2,θ2=θ3=-2π/3,θ4=2π/3,把以上D-H參數及角度值代入到方程(6)中,就可以得到機器人末端的位姿矩陣(7)。

(7)

通過Matlab-Robotic Toolbox工具箱可以輕松求解機器人末端執行器的位姿。給出機器人關節空間矩陣q=[pi/2,-2*pi/3,-2*pi/3,2*pi/3],利用Matlab-Robotic Toolbox自帶的“T=fkine(r,q)”求出操作空間的位姿矩陣[10]。通過Matlab仿真得到的運動學正解結果與解析法求得的運動學正解結果完全一致。同時可以利用Matlab仿真軟件得到機器人正運動學三維仿真演示模型(圖7),在示教上可以通過控制滑塊以此改變關節角度,從而可以很直觀地看到機械臂末端的位姿變化。

圖7 機械臂正運動學三維仿真演示

仿真結果驗證了采摘機械臂結構設計和運動學算法的科學性、合理性,為機械臂的控制系統設計打下基礎。

3 控制系統設計

該控制系統的設計目標是控制機器人運動、定位和柑橘果實識別,通過控制關節伺服電機進而控制各個采摘機械臂關節的運動來實現采摘。

該機器人的控制系統結構如圖8所示。控制系統設計以STM32F407為控制核心,輸入與輸出信號指令在上位機和下位機之間進行通信。

圖8 控制系統結構

上位機采用基于圖形化編程思想的LabView軟件進行編程。主控芯片發送信號給行走裝置,以此驅動機器人運動。識別系統利用攝像頭實時采集圖像數據,再使用OpenCV對采集的圖像進行初步處理,隨即將處理完畢的圖像數據在TensorFlow下運行YOLO v3算法,輸出目標果實在圖像中的具體位置及大小至樹莓派,樹莓派接收到數據后再將其輸出至主控芯片[11]。考慮精度和速度的要求,定位系統采用了激光雷達來進行定位避障。

基于機械臂運動學分析,主控芯片通過連接4個伺服驅動器進而驅動控制電機,實現采摘機械臂各關節位姿變化以此使末端執行器接近果實;采摘裝置收到指令切斷果梗,果實滑落進輸送軟管,儲存箱中的傳感器感受到果實的進入,就完成一次采摘作業,機器人復位開始下一次采摘作業。

4 結語

目前,國內對于果蔬采摘裝置關鍵部件的研制取得的成果較少,在智能化、高效化、整機高適應化及協調能力等方面還有很大的提升空間。根據柑橘采摘的實際需求,該文研究設計了一種全自動柑橘采摘機器人,并針對目前柑橘采摘機器人存在果實采摘損傷率過高的問題,對采摘裝置進行了深入研究設計,利用D-H法建立了采摘機械臂坐標變換矩陣,給出運動學正解并進行了仿真,結果驗證了采摘機械臂結構設計的科學性和合理性。此研究設計對提高柑橘采摘自動化、智能化程度和柑橘農業生產具有重大意義。