蘋果采摘機械人結構設計

鄭爽爽 李艷聰?shù)?/p>

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(jù)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。試驗結果表明，該設計方案基本能夠達到預期。該設計方法，對農(nóng)業(yè)領域其他類型采摘機械手設計有一定參考價值。

關鍵詞：采摘機械手臂；蘋果；結構設計

引言

水果采摘季節(jié)性強、費用高且勞動量大[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，實施“精確”農(nóng)業(yè)，廣泛應用農(nóng)業(yè)機器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動強度，提高經(jīng)濟效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。研究采摘機械人，對于降低人工勞動強度和采摘成本、保證水果適時采收，具有重大的意義[2]。我國從上世紀70年代開始研究水果蔬菜類的采摘機械，并且也逐漸起步，如上海交通大學已經(jīng)開始了對黃瓜采摘機器人的研制[3]，浙江大學對番茄采摘機器人進行了結構分析與設計的優(yōu)化[4]，中國農(nóng)業(yè)大學對采摘機器人的視覺識別裝置進行了研究[5]。目前，我國研究的采摘機器人還有西紅柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘機器人等[6-8]。文章對蘋果采摘機械手臂進行選型，進一步進行詳細結構設計，最后對設計結果進行試驗驗證。

1 機械人機構選型及自由度的確定

由于采摘機械人的作業(yè)對象是蘋果，質(zhì)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(jù)機械人手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可將機械人手臂部分分為以下四類[9]：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(jié)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(jīng)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(nèi)，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。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(jié)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(yè)。

實際中，蘋果生長位置隨機分布，這就要求機械臂的末端執(zhí)行器能夠以準確的位置和姿態(tài)移動到指定點，因此，采摘機械人還應具有一定數(shù)量的自由度。機械臂的自由度是設計的關鍵參數(shù)，其數(shù)目應該與所要完成的任務相匹配。一般來說，自由度數(shù)量越多，機械臂的靈活性、避障能力越好，通用性也越廣，但增加一個自由度就相當于增加了一級驅(qū)動，會使得機器人的成本上升，而對于農(nóng)業(yè)機器人而言，成本高將會大大的減緩其機械商品化實用化進程，同時增加自由度會相應增加機器人的控制難度，降低機器人的可靠性。綜合考慮，將自由度數(shù)目定為六個，這樣不僅能夠使得末端執(zhí)行器具有較為完善的功能，而且到達采摘空間中的任意位置，而且不會出現(xiàn)冗余問題。

2 采摘機械臂工作原理

圖1 機械人結構簡圖

圖1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。機械臂的底座通過舵機帶動傳動系統(tǒng)實現(xiàn)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(qū)動螺旋絲桿來實現(xiàn)。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(diào)整機械手末端采摘機構的姿態(tài)，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(zhí)行器設計為關節(jié)型的兩只手指，通過舵機6（舵機分配情況見圖2）、齒輪的嚙合及連桿機構實現(xiàn)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(jié)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(shù)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(zhí)行器的舵機6用來調(diào)整手的姿態(tài)，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。

圖2 舵機分配方框圖

3 機械臂結構設計

首先用Pro/E軟件中的零件模塊對機械人各個零件進行繪制，然后再對零件進行自下而上的裝配，以及進行零件圖及裝配圖的繪制。大臂、小臂和腕部、機械手零件圖以及裝配圖分別見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7（單位均為mm）。

4 試驗臺搭建與抓取效果實驗

根據(jù)零件圖及裝配圖進行試驗臺搭建。由于設計尺寸較大，故將整體尺寸縮小4倍來進行搭建。實物如圖8所示。通過操作上位機控制軟件指令信號，可給伺服舵機控制器發(fā)送控制指令信號，從而實現(xiàn)機械人在空間中精確作業(yè)。試驗結果表明：機械人能夠較為平穩(wěn)、準確地對目標物進行夾取、移動、放置等任務。證明設計合理，試驗臺搭建正確。

5 結束語

通過對水果采摘作業(yè)的分析，設計了一套六自由度關節(jié)型采摘機械人。其運動范圍覆蓋了水果果實的分布范圍，末端執(zhí)行器能夠執(zhí)行對水果的采摘任務。在采摘過程中，只需對舵機進行控制，在一定程度上降低了控制的難度和復雜性。當然，設計中也存在不足，例如缺少對果實的切割裝置，而且對葡萄等較小、較軟的果實采摘技術不成熟，有待進一步的改善。

參考文獻

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[2]張文莉.農(nóng)業(yè)工程導論論文[D].江蘇大學，2011.

[3]曹其新，呂恬生，永田雅輝，等.草莓揀選機器人的開發(fā)[J].上海交通大學學報，1999，33（7）：880-884.

[4]梁喜鳳，苗香雯，崔紹榮，等.果實采摘機械手機構設計與工作性能分析[J].農(nóng)機研究所，2004（2）：133-136.

[5]周天娟，張鐵中.果蔬采摘機器人技術研究進展和分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2006，11：38-39.

[6]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(tǒng)仿真學報，2009，21（18）：5882-5885.

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[8]宋健.茄子采摘機器人結構參數(shù)的優(yōu)化設計與仿真[J].機械設計與制造，2008，46（6）：166-168.

[9]馬江.六自由度機械臂控制系統(tǒng)設計與運動學仿真[D].北京工業(yè)大學，2009.

作者簡介：鄭爽爽（1994-），女，河南許昌人。

*通訊作者：李艷聰（1965-），女，天津人，教授，博士。