香蕉采摘與吊運作業機器人運動與動力性能分析

張日紅,歐炬基,朱立學,李小敏,林桂潮

(仲愷農業工程學院 機電工程學院,廣州 510225)

0 引言

香蕉是多年生作物,生長在氣候適宜的熱帶亞熱帶地區,具有生長周期短、可控性好等優點。我國香蕉的產量和種植面積呈逐年上升之勢,2018年我國香蕉產量就達到了1122萬t,故開發香蕉采收機械具有廣闊的應用前景。由于香蕉特殊的種植和采收特性,香蕉的采摘目前還停留在比較落后的人工采摘方式上,不僅勞動強度大,還容易造成機械損傷[1-5]。1985年,西澳大利亞州農業部在工程機械的基礎上改造設計了一種香蕉采摘機,很大程度上節省了人工砍蕉的勞動力,但人工操作繁瑣,采摘效率不高。其他發達國家由于自身需求低,對于香蕉采摘機械的研究相對較少[4-5]。在國內,欽州學院、廣西大學、海南大學和華南農業大學等高校分別就香蕉采摘輔助器、人工砍蕉輔助裝置、導軌移動式香蕉采摘機和香蕉采摘機械手進行了研發設計,但大都存在機械強度和剛度不足、夾持與切割的可靠性低、自動化程度不高等缺點[6-10]。未來的香蕉采摘會朝著高效率、多功能化、機械化、全自動化、智能化等方向發展,整體上應包含行走裝置、末端執行器、作業機械臂、視覺識別系統、運動控制系統等。伺服連桿型香蕉采摘與吊運作業機械可以將香蕉果柄的切割、夾持和香蕉果串的吊放作業整體性完成,采用總線型伺服驅動系統進行集成控制,是實現香蕉自動化采摘的有效解決方案[11-15]。香蕉采摘與吊運作業機器人機構運動簡圖如圖1所示。

圖1 香蕉采摘與吊運作業機器人機構運動簡圖Fig.1 Schematic diagram of the movement of the robot mechanism for banana picking and lifting operations

1 香蕉采摘與吊運作業機器人機械系統

1.1 伺服連桿型機械臂

伺服連桿型采摘機械臂采用多套平行四連桿機構嵌套結構,可實現末端夾持與切割執行器的升降與伸縮調整,同時保證末端夾持與切割執行器始終保持水平姿態[16-19]。連桿型機械臂整體性安裝在底部的回轉支撐齒輪之上,回轉支撐齒輪的安裝底座采用焊接式結構,機械臂的升降、伸縮與回轉傳動裝置均布置于回轉支撐齒輪上方的框架式安裝面板上。

1)機械臂回轉:伺服電機通過蝸輪蝸桿減速箱將動力傳送至回轉小齒輪,回轉小齒輪與安裝在底部的回轉支撐齒輪嚙合傳動,驅使機械臂圍繞回轉支撐大齒輪回轉,并設置限位塊,保證回轉角度要求。

2)機械臂升降:伺服電機通過蝸輪蝸桿減速箱將動力傳送至豎直螺桿上,與豎直螺桿配合安裝的螺母帶動豎直方向的滑塊沿導軌上下滑移,進而完成機械臂的升降動作。

3)機械臂伸縮:伺服電機通過蝸輪蝸桿減速箱將動力傳送至水平螺桿上,與水平螺桿配合安裝的螺母帶動水平方向的滑塊沿導軌前后滑移,進而完成機械臂的伸縮動作。香蕉采摘與吊運作業機器人如圖2所示。

圖2 香蕉采摘與吊運作業機器人機械實物圖Fig. 2 The physical picture of the banana picking and lifting robot

1.2 行走動力單元

行走動力單元的結構和液壓驅動回路分別如圖3和圖4所示。

圖3 行走動力單元結構Fig.3 Structure of the walking power unit

圖4 行走動力單元液壓驅動回路Fig.4 The hydraulic drive circuit of the walking power unit

行走動力單元的基本原理是:交流伺服電機驅動液壓油泵運轉,將液壓油箱內的壓力油液經電磁換向閥提供給履帶車左右兩側的液壓馬達。如果兩臺液壓馬達的給油方向一致,則液壓履帶車向前或向后移動;如果兩臺液壓馬達的給油方向相反,則液壓履帶車向左或向右轉向。主要液壓元件的參數為:馬達排量125mL/r,液壓油泵輸出壓力和流量分別是14MPa和16L/min,回轉輪直徑320mm,推算得出液壓履帶車行走的最大行走速度為1.07m/s。

1.3 夾持與切割末端執行器

末端執行器結構和液壓回路分別如圖5和圖6所示。香蕉果柄夾持與切割復合執行機構主要由切割鋸和夾鉗兩部分組成。夾鉗張合調節液壓缸通過夾鉗張合調節推拉桿帶動連桿繞其回轉中心擺動,安裝于鉗爪之上的鉗口張角便會產生變化,進而可適應不同的香蕉果柄直徑。香蕉果柄切割部分為小型鏈鋸,鏈鋸位姿調節液壓缸通過轉臂機構可驅使鏈鋸繞其回轉中心擺動,進而可實現對香蕉果柄的有力切割。

圖5 末端執行器結構圖Fig.5 Structural diagram of the end effector

圖6 末端執行器液壓回路圖Fig.6 End effector hydraulic circuit diagram

式(1)～式(8)描述了末端夾持與切割執行器中夾緊液壓缸行程范圍X1、擺切鏈鋸擺出液壓缸行程范圍X2、夾緊液壓缸驅動力P1、夾鉗對香蕉果柄的徑向夾持力N1、擺切鏈鋸對香蕉果柄的法向接觸力N2、末端夾持與切割執行器主要幾何參數和動力參數之間的關系。主要幾何參數為:lAB=242mm,lAV=85mm,lDE=99.27mm,lEM=73.07mm,lEW=75mm,lEK=280.50mm,lEH=101.40mm,lDW=65.02mm ,lAV=85mm ,lCF=R+32+lEM,α=48.5°,β=98.5°,θ=66°,φ=96.5°,a=80mm,b=240mm,f=0.3,∠DEK=37.76°,∠EFH=20.62°,lBC=R/sinθ;夾緊油缸和擺切油缸的最大驅動力分別為P1max=18644N、P2max=12560N;夾緊液壓缸行程范圍為0mm≤X1≤40mm,擺切鏈鋸擺出液壓缸行程范圍為0mm≤X2≤85mm。經仿真分析可知:4mm≤X1≤23.5mm,33mm≥X2≥0mm,40mm≤R≤150mm。在香蕉自重為60kg的工況下所需的驅動力P1為2358.60N,遠小于夾緊油缸的最大驅動力為P1max。由圖7末端執行器夾持與擺切液壓缸的位移規律和圖8所示的擺切鏈鋸與香蕉果柄的理論接觸力來看,也完全可以滿足香蕉果柄的切割需要。

圖7 末端執行器夾持與擺切液壓缸的位移規律Fig.7 Displacement law of end effector clamping and swing cutting hydraulic cylinder

圖8 擺切鏈鋸與香蕉果柄的法向接觸力規律Fig.8 The law of normal contact force between the swing cutting chainsaw and the banana handle

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2 基于ADAMS的機械系統動力學仿真

基于香蕉與采摘與吊運作業機器人是一個大型裝配體,涉及到的零部件較多,為了便于仿真分析,將裝配體里面沒有相對運動的零件采用布爾運算組合為一個零件[20-21]。在做完布爾運算后,整個裝配體可認為是由18個零部件組建而成,如圖9所示。

圖9 約束關系設置Fig.9 Constraint relationship settings

由于進行動力學分析需要體現慣性力等載荷,這些載荷和機械系統零部件的質量屬性密切相關,因此結合實際材料選型情況將這18個零部件的材料定義為結構鋼。其主要的傳動參數如下:水平驅動伺服電機經減速比為1:20的NMRV減速器將動力輸送至水平螺桿,豎直驅動伺服電機經減速比為1:20的NMRV減速器將動力輸送至豎直螺桿,水平和豎直絲杠的螺距均為10mm/r,平臺回轉伺服電機經減速比為1:60的NMRV減速器將動力輸送至小齒輪傳動軸,小齒輪齒數為15,大齒輪齒數為94,與實現末端執行器擺動的伺服電機相連接的諧波減速器的減速比為1:121。平臺回轉伺服驅動電機處在連續工作區的額定扭矩為3N·m,轉速為2000r/min,水平伺服驅動、豎直伺服驅動和末端執行器伺服驅動電機處在連續工作區的額定扭矩為2.5N·m,轉速為2000r/min。

2.1 約束關系設置

根據整個機械臂的工作情況,大齒輪固定在履帶底盤上,香蕉采摘作業時履帶底盤與地面相對固定。香蕉負載被末端夾持組件穩定夾持,因此這3部分都屬于固定約束(F);水平滑動組件和豎直滑動組件分別通過導軌在回轉平臺上滑移,故設置為移動約束(T);水平絲杠和豎直絲杠分別與水平滑動組件和豎直滑動組件形成螺旋副連接關系(S),小齒輪和大齒輪之間設置為齒輪副(G),其他零部件相互間的約束關系為旋轉副(R)。

2.2 運動范圍與軌跡分析

為了分析伺服連桿機械臂的空間運動范圍,伺服驅動設置如圖10所示。

圖10 伺服驅動設置Fig.10 Servo drive setup

由圖10可知:t≤80s時,將末端執行器的初始偏轉角設置為最大值85°,水平螺桿和豎直螺桿分布執行行程位移,執行類似矩形的空間軌跡,水平螺桿和豎直螺桿的最大行程分別為228mm和330mm,水平螺桿和豎直螺桿的螺距均為10mm/r,故伺服電機經減速器輸入至螺桿輸入端最大回轉角度設置為8208°和11 880°;當80s100s時,水平螺桿和豎直螺桿繼續執行行程位移,完成類似矩形的空間軌跡。圖11為機械臂執行類矩形的空間運行軌跡,圖12為相對應的機械臂執行類矩形空間軌跡的尺寸圖。當末端執行器的初始偏轉角設置為最大值85°時,末端執行器中心位置的水平位移范圍為1495～2819mm,豎直位移范圍為1033～2972mm;當末端執行器的偏轉角逐漸恢復0°時,末端執行器中心位置的水平位移范圍為1803～3219mm,豎直位移范圍為1033～2972mm。從機械臂執行類矩形空間軌跡的情況來看,水平伺服驅動和豎直伺服驅動存在相互耦合作用,導致最終走出的類矩形空間軌跡不是純粹的矩形,水平方向位移最大偏差為60mm,豎直方向位移最大偏差為103mm。

圖11 機械臂執行類矩形空間軌跡Fig.11 The robotic arm executes a rectangular space trajectory

圖12 機械臂執行類矩形空間軌跡尺寸圖Fig.12 Dimensions of the robotic arm executing a rectangular space trajectory

2.3 動力學性能分析

為了實現農機農藝結合,香蕉以寬窄行的宜機化方式種植,香蕉種植寬行3.0m,窄行2.0m,株距1.6m。采摘作業時,伺服連桿香蕉采摘機器人走寬行,統計數據顯示香蕉果柄高度為2.2～2.6m。采摘時,末端夾持與切割執行器擺動至最大偏轉角85°位置,回轉平臺回轉至25°位置。落放香蕉到收集與載運裝置時,考慮到香蕉果串的自身高度,末端夾持與切割執行器離地距離控制在2098mm,香蕉果柄的最高采摘位置為2927mm;采摘后,香蕉果串落放至收集與載運裝置的兩個極限位置,距離為1290mm。圖13為采摘與吊運香蕉果串的作業流程。其中,圖13(d)和圖13(e)分別為香蕉采摘后落放至近機點位置和香蕉采摘后落放至遠機點位置。

圖13 采摘作業過程示意圖Fig.13 Schematic diagram of the picking operation process

1)香蕉采摘后近機落放點驅動規律。伺服連桿型采摘與吊運作業機器人完成采摘作業后,將果串整體吊運至收集與載運裝置中距離伺服連桿型采摘與吊運作業機器人中心位置最近的落放位置時,按照平臺回轉→鉗頭組件擺動→機械臂縮回→機械臂下降的作業流程進行。具體在ADAMS環境下的速度驅動函數添加如下:轉盤為STEP(time,0,0d,0.3,31.9d)+STEP(time,0.8,0d,1.1,-31.9d);擺頭驅動為STEP(time,1.1,0d,1.4,-95d)+STEP(time,1.95,0d,2.25,+95d);水平絲杠為STEP(time,2.25,0d,2.55,-600d)+STEP(time,15.95,0d,16.25,600d);豎直絲杠為STEP( time,16.25,0d,16.55,-600d )+STEP(time ,25.73,0d,26.03,600d)。平臺回轉驅動軸處在伺服電機連續工作區的最大輸出扭矩為1128N·m,水平伺服驅動、豎直伺服驅動軸處在伺服電機連續工作區的最大輸出扭矩為50Nm。末端執行器伺服驅動軸處在伺服電機連續工作區的最大輸出扭矩為302.5N·m。由香蕉采摘近機落放驅動扭矩曲線(見圖14)可知,各伺服電機的驅動能力滿足要求。

圖14 香蕉采摘近機點落放伺服驅動軸扭矩Fig.14 Torque of servo drive shaft for banana picking near machine point

2)香蕉采摘后遠機落放點驅動規律。伺服連桿型采摘與吊運作業機器人完成采摘作業后,將果串整體吊運至收集與載運裝置中距離伺服連桿型采摘與吊運作業機器人中心位置最遠的落放位置時,按照平臺回轉→鉗頭組件擺動→機械臂下降的作業流程進行。具體在ADAMS環境下的速度驅動函數添加如下:轉盤為STEP( time , 0 , 0d , 0.3 , 31.9d )+STEP(time,0.8,0d,1.1,-31.9d);擺頭驅動為STEP(time,1.1,0d,1.4,-95d )+STEP(time,1.95,0d,2.25,+95d);水平絲杠為0;豎直絲杠為STEP(time,2.25,0d,2.55,-600d)+STEP(time,11.73,0d,12.03,600d )。由香蕉采摘遠機落放點伺服驅動軸扭矩曲線(見圖15)可知,各伺服電機的驅動能力滿足要求。

圖15 香蕉采摘遠機點落放伺服驅動軸扭矩Fig.15 Torque of servo drive shaft for banana picking remote machine point drop

3 結論

針對香蕉果實的高位大尺寸特點,基于寬窄行的宜機化種植模式是實現香蕉智能化采收作業的前提。本文提出的香蕉采摘與吊運作業機器人可完成機械臂回轉、伸縮、升降和末端執行器擺動4個伺服驅動。其中,水平和豎直方向的伺服驅動存在耦合關系,需要在總線型伺服驅動系統中載入迭代解耦算法,以實現伺服連桿機械臂的精確作業。同時,基于ADAMS的仿真驗證了伺服連桿機械臂和末端夾持與切割執行器的工作范圍和動力性能滿足現場作業需求。