水果采摘機械臂末端執行器設計

梁 勇,靳惠婷,梁 晟,徐衛平

(1.貴州電子科技職業學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州師范大學,貴州 貴陽 550025;3.貴陽學院,貴州 貴陽 550005))

0 引言

貴州省山地種植水果面積較大,在農業生產中,果實的采摘因周期短,操作條件不便,是農業勞動中最為耗費人力資源的工作[1]。目前,水果采摘以人工為主,是山地農業水果種植中費力費時成本較大的環節。山地農業新鮮水果收獲難以實現機械化作業,高效低損采摘又是農業機器人研發領域中的難題,導致目前山地農業機械自動化水果采摘應用極少。針對山地種植的水果采摘需求,改變當前人工采摘成本高、效率低下的問題。在研發山地水果采摘設備前,首先應確定采摘對象和工作場景,考慮山地水果的生長形態、重量、生長環境和周邊地形環境,并作詳細的現場調研,明確山地水果采摘的設計要求。末端執行器作為采摘機器人的核心部件之一,安裝于機械手臂前端,是機器人接觸果實的重要工作部件,其工作對象的大小和形狀一般不相同,且具有柔軟、易損壞等特性,因此采摘機器人末端執行器的設計非常重要[2]。

水果采摘機械臂末端執行器主要用于機械臂末端進行目標水果抓取、搬運和擺放。機械臂末端執行器可以代替傳統的人工采摘方式,提高采摘效率和質量,減少采摘過程中的損傷。機械臂末端執行器還可以自動適應不同種類和形狀的水果,具有智能化和自適應性。無損果實采摘是采摘機械臂的關鍵,主要依靠采摘機械臂末端執行器來實現。不同的水果,其外形和軟硬程度不同,采摘要求不盡相同,采摘方式也不同,因此對于水果末端執行器的結構和控制要求也存在差異。獼猴桃果實形狀多為較規則的橢圓形,易于實現機械手的夾持[1]。

中國涼都六盤水是紅心獼猴桃的發源地,該品種獲 “農產品地理標志”認證,被國家質檢總局批準為 “國家地理標志保護產品”,有“神奇美味果,紅色軟黃金”的美譽,曾獲得“中國2008年北京奧運會推薦果品”“中國2010年上海世博會指定果品”,第十五屆、第十八屆“中國綠色食品博覽會金獎”等[3]。

基于貴州六盤水的紅心獼猴桃較之其他品種質量更優,皮薄多汁,采摘抓取需要輕抓輕放的特點,設計一套采摘紅心獼猴桃專用,并且集成視覺識別判斷的末端執行器,研制其機械裝置、感知系統和控制系統,并多次進行采摘試驗,為后期進入山地實際進行采摘試驗奠定基礎。

1 紅心獼猴桃物理特性

1.1 試驗條件

為使設計的末端執行器能正確采摘獼猴桃,設計之前需對獼猴桃的相關物理特性進行測定[1]。貴州六盤水紅心獼猴桃適宜的采摘期為花后125～135 d,一般在8月至9月。紅心獼猴桃一株果樹上的果實成熟度不同,需要分批采摘,人工采摘成本較高。物理特性測試試驗用的紅心獼猴桃為同一批次,來自貴州六盤水紅心獼猴桃園,且品質和成熟度基本相似,具備上市條件的獼猴桃。

1.2 抗壓特性試驗

紅心獼猴桃抗壓特性試驗在貴州師范大學現代農業實驗室進行,由機械臂末端執行器配套臺達ASDA-A2系列200 W伺服驅動和ECMA系列伺服電機(200 W,額定扭矩0.64 N·m,額定電流1.55 A,額定轉速3 000 r/min),由S7-200 SMART PLC ST40控制末端執行器,實現紅心獼猴桃抗壓特性試驗數據采集。

隨機選取5只紅心獼猴桃樣本,將紅心獼猴桃夾在試驗機的卡爪上,負載電流設定范圍為0～1.55 A,卡爪開合速度設定0～15 mm/min。為避免變形初始階段由于卡爪與獼猴桃果實表皮接觸不穩定時造成的誤差,試驗數據采集記錄從壓縮量0. 3 mm開始。獼猴桃所承受伺服電機負載電流I與獼猴桃表面壓縮量D之間的抓取壓力特性曲線如圖 1 所示。

圖1 紅心獼猴桃抓取壓力特性曲線

由圖 1 可以看出,在伺服電機1.3 A負載電流作用下,測試曲線均未出現明顯轉折屈服點,獼猴桃所承受加壓電流I與獼猴桃表面壓縮量D之間的壓力基本呈線性關系,由此證明采摘獼猴桃時,在1.3 A負載電流作用下,獼猴桃外形變化在其彈性范圍內。負載加壓作用結束后,觀察紅心獼猴桃表面無壓痕。將實驗獼猴桃放置15 d,與同一批采摘、未做過負載加壓抓取試驗的獼猴桃對比,沒有發現獼猴桃表面破損或果皮顏色變化,且切開后對比,也沒有發現差異,實驗人員對比品嘗后,口感味道無差別。因此可認為: 臺達ECMA伺服電機(200 W)伺服電機保持1.3 A負載電流可以完成機械采摘紅心獼猴桃任務。

2 機械臂末端執行器的基本結構

針對貴州獼猴桃機械收獲作業要求,根據實際采摘環境,設計符合采摘要求的機械臂尺寸,對機械臂進行拓撲優化,降低機械臂質量[4]。通過對獼猴桃一體化機械作業技術和一體化機械執行機構中的關鍵技術進行研究,設計出水果采摘機械臂末端執行器,如圖2所示。機械臂末端執行器主要由抓取裝置、傳動系統和控制系統組成。

圖2 機械臂末端執行器

2.1 抓取裝置

抓取對象的形態結構特征對于末端執行器的機械結構設計很重要[5]。根據抓取對象設計的抓取裝置是機械臂末端執行器的主要部分,用于完成水果的抓握、采摘和搬運。抓取裝置的設計需要考慮水果的大小、形狀和重量等因素,以保證機械爪能夠正確地抓取水果并將其搬運到指定位置。

針對貴州山地農業特色水果紅心獼猴桃設計了一套抓取裝置,包含主桿和臺達伺服電機,伺服電機的輸出帶動螺紋桿,螺紋桿的外側螺紋連接有滑板,滑板的左側鉸接有2個連接桿,主桿的左側鉸接有2個卡爪,該卡爪可以根據水果采摘的對象不同,進行模塊化替換。利用3D打印技術制作樣機,并進行組裝[6]。主桿的外側開設有通孔,卡爪的外側設置有氣動推桿,氣動推桿的輸出端設計有夾板。該山地智慧農業抓取裝置,通過臺達伺服電機帶動螺紋桿傳動,螺紋桿驅動滑板運行,從而帶動連接桿,聯動卡爪進行張開。由于采用臺達絕對值編碼器伺服電機進行控制,通過伺服系統能夠快速準確讀取抓取獼猴桃時卡爪坐標位置和負載電流。

2.2 傳動系統

傳動系統是機械臂末端執行器的重要組成部分,用于控制機械爪的運動。傳動系統一般包括伺服電機、減速裝置、傳動軸等部分,其結構如圖3所示。伺服電機負責提供動力和精確定位,減速器負責將電機提供的高速轉動轉換為低速大扭矩的輸出,傳動軸負責將輸出傳輸到機械爪上,傳感器負責監測機械臂末端執行器的運動狀態,以便及時調整控制參數。

圖3 末端執行器傳動系統

3 機械臂末端執行器的控制系統

機械臂末端執行器的控制算法需要根據機械爪和水果的特點進行設計,控制系統是機械臂末端執行器的核心部分,用于控制機械臂末端執行器的運動。控制系統采用PLC實現控制與上位計算機通信。控制系統根據機械爪的設計和水果的特點,設計合適的控制算法,以保證機械爪能夠正確采摘水果并將其搬運到指定位置。

整個機械臂末端執行器電氣控制系統設計由西門子S7 200 SMART PLC脈沖控制帶有絕對值編碼器的臺達A2伺服系統,上位控制由昆侖通態觸摸屏組態實現。

機械臂末端執行器的控制系統如圖4所示,其采用閉環控制方式,根據抓取獼猴桃時輸出變化的信息來進行調整,通過對比得出輸出值與期望值之間的偏差,系統自動調節以消除偏差,獲得預期的機械臂末端執行器抓取獼猴桃穩定性能。在機械臂末端執行器抓取反饋控制中,存在著指令輸入到伺服電機執行輸出的信號通路,同時從伺服電機輸出端反饋負載電流和夾取坐標位置的反饋通路,構成機械臂末端執行器采摘閉環控制系統。本控制系統中,以臺達ECMA伺服電機反饋抓取紅心獼猴桃的負載電流和卡爪位置,完成機械臂末端執行器精確抓取紅心獼猴桃控制。

圖4 機械臂末端執行器閉環控制框圖

機械臂末端執行器采摘控制系統的設計以傳統連續的PID控制原理為基礎,設計夾取獼猴桃的閉環控制關系式為

M(t)為機械臂末端執行器控制系統輸出控制值;M為輸出的初始值;e(t)為誤差信號;K為比例增益;TI為積分時間常數;TD為微分時間常數。

臺達ECMA伺服電機是機械臂末端執行器閉環PID控制的重要組成部分。首先采用比例控制,伺服電機向夾緊方向運動,位置和夾緊電流控制量與誤差成正比,當距離獼猴桃位置較遠時,伺服電機運動速度較快,當卡爪接觸獼猴桃后,由于接觸物體伺服電機負載電流會增加,當達到設定物體電流0.3 A后,系統認為卡爪已經夾住獼猴桃,此時機械臂末端執行器繼續按照目標夾緊電流1.3 A持續加壓,控制系統進入積分調節,系統累積誤差并直接加到控制量上,使伺服電機夾緊電流增加,夾緊獼猴桃壓力加大,最終消除穩態誤差,達到夾緊電流1.3 A,當有外界干擾造成偏離時,微分調節產生作用,調整伺服電機,減少偏離值,讓機械臂末端執行器保持夾緊電流1.3 A,完成機械臂末端執行器夾緊獼猴桃的任務。

試驗中,系統實時監測控制機械臂末端執行器的運動狀態,調整機械臂末端執行器的卡爪位置、速度、負載電流等數據,并將數據反饋到控制系統中,通過不斷測試調整比例增益、積分和微分參數,使機械臂末端執行器達到抓取紅心獼猴桃的穩定狀態。

在實驗室中,設計由昆侖通態觸摸屏(型號:MCGS TPC7062Ti)、西門子S7 200 SMART PLC ST40和臺達A2伺服系統完成實驗控制。選取20只紅心獼猴桃,伺服電機夾緊電流控制在1.3 A,進行試夾持實驗,成功率100%,完成一次機械臂末端執行器抓取獼猴桃動作用時8 s。實際檢查實驗后的獼猴桃,獼猴桃表面無損傷,口感無差別。

4 結語

以采摘紅心獼猴桃為目標,設計了一套水果采摘機械臂末端執行器。 對紅心獼猴桃抗壓特性進行實際測試。通過末端執行器在紅心獼猴桃上夾取的方法,實際測出紅心獼猴桃抗壓特性較好,末端執行器配套臺達ECMA伺服電機(200 W)伺服電機保持1.3 A負載電流可以完成機械采摘紅心獼猴桃任務。

在實驗室進行了模擬紅心獼猴桃采摘試驗,預先設定保持1.3 A負載電流可完全可靠夾持住紅心獼猴桃。實驗中,獼猴桃夾持成功率為100% ,完成一次機械臂末端執行器抓取獼猴桃動作用時8 s。