一種多機械手編碼控制系統(tǒng)的果蔬采摘機器人設計

李素云，余長庚

(賀州學院 機械與電子工程學院，廣西 賀州　542899)

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一種多機械手編碼控制系統(tǒng)的果蔬采摘機器人設計

李素云，余長庚

(賀州學院 機械與電子工程學院，廣西 賀州542899)

摘要：為了提高果蔬的采摘效率，對果蔬采摘機器人進行了改進，設計了一種新的多機械手的編碼控制采摘機器人。通過對機器人功能和結構的設計，使機器人具有了利用機器視覺技術的圖像邊緣提取來劃分每個機械手的作業(yè)區(qū)間的功能，并可以利用編碼器對每個機械手進行編碼，從而完成多機械手的協同作業(yè)。對機器人的采摘作業(yè)性能進行了測試，首先利用機器視覺模塊完成了蘋果采摘區(qū)間的劃分，并預設了每個機械手的采摘作業(yè)軌跡，利用編碼器對預設軌跡進行了追蹤。通過測試發(fā)現：機器人多機械手的實際追蹤軌跡和預設軌跡的誤差很小，滿足設計需求，多機械手的協同采摘平均速度可以達到80個/min 以上，具有高效的果蔬采摘性能。

關鍵詞：多機械手；編碼控制；采摘效率；軌跡追蹤；協同作業(yè)

0引言

果蔬采摘機器人是針對水果和蔬菜，通過編程來完成其采摘、輸送及裝箱等相關作業(yè)任務的、具有感知能力的自動化機械收獲系統(tǒng)。設計果蔬采摘機器人需解決的主要問題是識別和定位果實，在不損害果實也不損害植株的條件下，按照一定的標準完成果蔬的收獲。同時，也要考慮經濟因素，要保證其成本不比其所替代的人工成本高。因此，需要對機器人的采摘性能進行改進，通過改進提高機器人的作業(yè)效率及其使用的經濟性。據此，本文設計了一種新的多機械手采摘機器人，通過編碼控制實現多機械手的協同作業(yè)，以期提高果蔬采摘的作業(yè)效率。

1多機械手編碼控制采摘機器人總體設計

多機械手編碼控制機器人可以有效地提高果蔬采摘的效率，其設計跟普通果蔬采摘機器人的設計有所不同，多機械手編碼控制的果蔬采摘機器人需要設置中心服務器通訊，獲取機械手動作的批次和分類信息。在采摘機器人進行采摘作業(yè)時，需要首先導入采摘的分類數據，根據分類數據控制多機械手作業(yè)，使其高速地完成果蔬的采摘。同時，需要記錄作業(yè)信息，并及時地傳至中心服務器，并具有較好的人機交互界面。圖1為多機械手果蔬采摘機器人的功能總體設計。

圖1　多機械手果蔬采摘機器人功能結構設計

圖2表示多機械手果蔬采摘機器人的總體設計框架。其中，采摘機器人的設計主要包括限位傳感器、伺服驅動器、伺服電機和編碼器等。

圖2　多機械手編碼采摘機器人總體設計框架

2多機械手機器人結構和控制系統(tǒng)設計

為了提高果蔬采摘的效率，將機器人設計成多機械手，其主要結構是由多機械手部分、軀干部分、行走裝置、機器視覺系統(tǒng)、傳感器和控制回路組成。其核心機械結構為多機械手部分，機械手可以旋轉和伸出來實現俯仰高度的變化。

圖3為多機械手果蔬采摘機器人的總體設計。其中，伸出氣缸是實現抓取和旋轉的裝置，使用氣動控制，機械手可以在一定空間運動，可以準確地定位到任意位置。其執(zhí)行末端的設計如圖4所示。

1.儲存裝置　2.攝像裝置　3.旋轉氣缸　4.機械手

1.位置傳感器　2.機械手指　3.旋轉氣缸　4.視覺傳感器

該機械手手部材料采用了合金鋼，主要結構如圖4所示。手部可以進行拆裝，通過壓力傳感器來實現果實的夾緊，然后利用旋轉操作扭斷果實柄，并取下果實。機械手臂的設計如圖5所示。機械臂的運動主要利用旋轉電機作為動力，并在底部設計了放置螺母孔，電機利用編碼器進行控制，可以實現電機的轉動，達到準確控制機械手臂的目的。

1、2、3.旋轉電機和編碼器　4.水果儲存裝置

果蔬多采摘機器人的執(zhí)行末端采用氣動控制，如圖6所示。氣動控制共有3個回路，控制末端的執(zhí)行動作主要是伸縮、抓取和回轉，利用2個直動式氣缸和1個回轉馬達進行控制，換向閥為二位四通的電磁換向閥控制。其中，執(zhí)行速度可以由流量來調節(jié)，而要完成多機械手的協同工作，需要利用多目標函數來分配采摘任務，目標函數符合線性規(guī)劃，其表達式為

(1)

其中，y表示采摘任務目標值，w表示各項任務的權重系數，a表示調節(jié)系數，要實現多目標優(yōu)化，需要設定約束條件。

(2)

w1,w2,…,wn≥0

其中，b表示最大調節(jié)系數。每個函數都是單一的目標線性函數，將每個目標函數整合成公式(1)就可以實現多目標函數的線性規(guī)劃。假設M=(mij)i×j，N=(nij)i×j, c=(c1,c2,...,cm)T, w=(w1,w2,...,wm)T， Y=(Y1,Y2,...,Ym)T，上述多目標函數可以寫成矩陣的形式

maxY=Kw

(3)

約束條件可以簡化為

(4)

目標優(yōu)化過程，實際是根據約束條件對目標值的無線逼近過程，假設最優(yōu)值為Yj*,最優(yōu)值的問題轉換成假設Yj*值無限逼近目標優(yōu)化值Y，其表達式為

(5)

通過計算可以構造出理想點法求解函數最優(yōu)解。假設采摘區(qū)劃分成兩個子區(qū)，則兩個子區(qū)目標函數為

(6)

其中約束條件為

b1w1+b2w2≤c1

b3w1+b4w2≤c2

(7)

w1,w2≥0

多機械手采摘機器人采用數控系統(tǒng)進行控制，用圖形編程語言LabView編寫代碼，依據目標函數和約束條件，采用模塊化編碼的形式對每個機械手進行控制，可以實現果蔬采摘機器人的多機械手協同控制。

1，2.伸縮液壓缸　3.回轉馬達　4.節(jié)流閥

3采摘機器人多機械手編碼控制系統(tǒng)測試

為了驗證設計的果蔬采摘多機械手機器人的可靠性，對果實采摘機器人的采摘性能進行了測試，并在Windows XP平臺開發(fā)了控制系統(tǒng)，使用圖形編程語言LabView編寫代碼，其系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

表1　控制系統(tǒng)硬件選型表

其中，控制系統(tǒng)包括3層：第1層為程序界面；第2層表示應用程序層，實現果蔬采摘的多機械手控制，并且包括初始化和I/O接口；第3層為單機控制層，主要是控制機械手的運動軌跡、回零等核心運動；最底層為控制卡，完成位置反饋和PID參數的整定。

圖7為蘋果的采摘區(qū)塊劃分過程示意圖。蘋果采摘區(qū)塊的劃分是多機械手控制編碼的基礎，主要是依據蘋果圖像的實際面積和區(qū)塊內蘋果的數目。區(qū)塊劃分完成后，可以將機械手的運動限制在既定的區(qū)塊內部，其單機械手的運動軌跡控制如圖8所示。

圖7　蘋果采摘區(qū)塊劃分

利用圖像處理技術對蘋果區(qū)塊進行劃分后，根據圖像邊緣提取技術，可以對每個機械手在每個區(qū)塊內的采摘運動軌跡進行預設；然后利用編碼控制對軌跡進行追蹤，其追蹤曲線的放大圖如圖9所示。

由圖9可以看出：實際追蹤軌跡可以沿著預設軌跡完成采摘任務，雖然追蹤過程存在一定誤差，但是誤差很小，在設計的允許范圍內，從而驗證了區(qū)間劃分和編碼的有效性。對整棵樹的蘋果采摘區(qū)進行劃分，得到了整個區(qū)間的劃分結果如表2所示。

圖8　預設軌跡和追蹤軌跡

圖9　追蹤軌跡放大圖

區(qū)間編號區(qū)間面積/m2果實數目統(tǒng)計/個區(qū)間編號區(qū)間面積/m2果實數目統(tǒng)計/個12.121121.281331.321041.53851.48563.32871.28381.62291.731101.588

根據果實的區(qū)間面積和果實統(tǒng)計數目，對整個果蔬采摘區(qū)進行區(qū)間劃分，子區(qū)間為10個子區(qū)，對每個子區(qū)利用相應的機械手進行采摘作業(yè)，機械手對應的子區(qū)編號如表3所示。

表3　多機械手控制子區(qū)表

采摘機械手共4個，每個機械手對應相應的采摘子區(qū)，子區(qū)間可以利用多目標控制原理，協同完成采摘任務，其運動軌跡如圖10所示。

圖10　多機械手協同運動軌跡

圖10中，每個門字框主要分為垂直上升抓取、水平轉移、垂直放置3個階段，左側較低位為果實抓取位置，右側較高位置為果實放置位置，多機械手的采摘平均速度可以達到80個/min 以上，從而驗證了多機械手果蔬采摘機器人的高效性。

4結論

依據多目標優(yōu)化理論，使用傳感器、伺服驅動器、伺服電機和編碼器等控制系統(tǒng)裝置設計了一種新的多機械手的編碼控制采摘機器人，大大提高了果蔬采摘的作業(yè)效率。

對機器人的果蔬采摘作業(yè)性能進行了測試，通過測試發(fā)現：機器人可以有效地完成對不同采摘區(qū)子區(qū)間的規(guī)劃，并可以通過預設軌跡，完成機器人采摘作業(yè)的自動化追蹤，協同作業(yè)速度可以達到80個/min 以上，具有高效的果蔬采摘性能。

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Design of Picking Robot for Fruits and Vegetables Based on Encoding Control System for Multi Robot Manipulators

Li Suyun1, Yu Changgeng1

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Hezhou University, Hezhou 542899,China)

Abstract：In order to improve the efficiency of picking fruits and vegetables, a new kind of robot with multi robot hand is designed, which is used to improve the picking efficiency of fruits and vegetables.Through the function and structure of robot,the design enables the robot extract the image edge ion based on machine vision technology to divide each manipulator the operating range of the function.And it can use the encoder to encode each manipulator, so as to complete the multi robot cooperative working industry.The robot's picking performance were tested.First of all, the machine vision module apple picking interval of the partition, and the default of each manipulator picking operation trajectory,the coder for the preset trajectory tracking.Through the test found that multi robot manipulator of actual trajectory tracking and preset trajectory error is very small, meet the design requirements, multi robot cooperative picking average speed can reach more than 80/min, with high fruit and vegetable picking performance.

Key words：multi robot hand; encoding control; picking efficiency; trajectory tracking; cooperative work

文章編號：1003-188X(2016)07-0187-05

中圖分類號：TP242；S225.93

文獻標識碼：A

作者簡介：李素云(1974-)，女，山東菏澤人，副教授，碩士。通訊作者：余長庚(1974-)，男，安徽宿松人，講師，博士，(E-mail)yuchanggeng1974@163.com。

基金項目：廣西高?？茖W技術研究項目(2013YB242)

收稿日期：2015-07-09