名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與工作空間設(shè)計(jì)

王會(huì)麗（河南省工藝美術(shù)學(xué)校，河南鄭州450000）

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名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與工作空間設(shè)計(jì)

王會(huì)麗
（河南省工藝美術(shù)學(xué)校，河南鄭州450000）

摘要：茶葉受季節(jié)影響很大，采摘時(shí)間必須控制在一定期限內(nèi)。由于采茶具有工作任務(wù)重的特點(diǎn)，采茶中已經(jīng)逐漸開(kāi)始使用機(jī)械采摘手段。與傳統(tǒng)的手工采茶相比，機(jī)采具有效率高的顯著優(yōu)勢(shì)。但其采摘效果卻沒(méi)有人工采摘效果好。因此，茶產(chǎn)業(yè)要想取得長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，就必須重視解決茶葉采摘難題。本文對(duì)名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與工作空間設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：名優(yōu)茶采摘；并聯(lián)機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工作空間設(shè)計(jì)

1　前　言

名優(yōu)茶經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高，但采茶面臨著巨大的難題。由于采茶期限較短，采摘任務(wù)十分繁重，傳統(tǒng)的人工采摘無(wú)法滿足當(dāng)今的茶葉采摘要求。因此，名優(yōu)茶采摘的機(jī)采得到了一定的發(fā)展。但是，機(jī)采并不像人工那樣靈活，采摘效果有待提高。隨著這個(gè)問(wèn)題越來(lái)越突出，名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)就成為不少人關(guān)心的話題。

2　概　述

我國(guó)果蔬采摘的傳統(tǒng)方式為人工采摘。隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，帶動(dòng)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展。目前我國(guó)在采摘機(jī)器人研究方面已經(jīng)取得了一些成績(jī)。如，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究院設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)，能夠自主識(shí)別、精確定位，可以基本達(dá)到草莓采摘的要求，損傷率相對(duì)較小。相關(guān)試驗(yàn)研究表明，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，其采摘成功率最高可達(dá)90％。采茶機(jī)是一種能夠顯著提高茶葉采摘效率的機(jī)械設(shè)備，當(dāng)前我國(guó)茶葉采摘中主要使用的是往復(fù)切割式采茶機(jī)。這種采茶機(jī)明顯的不足，是無(wú)法識(shí)別新梢和老葉，成功采摘的茶葉往往完整性比較差。在并聯(lián)機(jī)器人方面，我國(guó)很多專家、學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究，幾乎所有研究都是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，研究成果始終停留在理論層面，在實(shí)踐方面還有著明顯的不足。并聯(lián)機(jī)器人尚未真正與采茶技術(shù)結(jié)合，因此，如何將理論付諸實(shí)施，是我國(guó)目前亟待解決的問(wèn)題。

3　名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1方案分析

本文在合理利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，將其與采茶技術(shù)充分結(jié)合，嘗試著提出了名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人應(yīng)用的基本要求是可以迅速、準(zhǔn)確的定位茶葉，并進(jìn)行有選擇的采摘?；谏鲜鲆?，機(jī)器人必須具備一定的工作自由度。該機(jī)器人的工作原理為：在攝相機(jī)1與投影儀4共同構(gòu)成新梢識(shí)別定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，由攝相機(jī)1將茶葉冠層圖像拍下來(lái)，之后通過(guò)顏色特征區(qū)分老葉與新梢，并確定新梢的平面坐標(biāo)；投影儀4與攝相機(jī)1分別進(jìn)行圖像的投射、攝取，并經(jīng)由處理調(diào)制過(guò)的圖像，獲取新梢高度坐標(biāo)；將高度坐標(biāo)與平面坐標(biāo)結(jié)合起來(lái)，就可以獲取新梢的空間坐標(biāo)，將其傳至控制系統(tǒng)，就能夠利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制；最后，準(zhǔn)確定位執(zhí)行器，就能夠?qū)崿F(xiàn)高效的茶葉采摘。結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖1。

3.2機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人由五部分構(gòu)成：1、靜平臺(tái)。2、動(dòng)平臺(tái)。3、驅(qū)動(dòng)臂。4、執(zhí)行臂。5、執(zhí)行器。靜平臺(tái)位于行走機(jī)構(gòu)上，能夠起到減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的作用。動(dòng)平臺(tái)的主要功能在于安裝執(zhí)行器，因此，可以說(shuō)，動(dòng)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)名優(yōu)茶自動(dòng)化采摘的重要影響因素。驅(qū)動(dòng)臂與執(zhí)行臂的功能主要在于傳遞運(yùn)動(dòng)，使執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行器被四個(gè)球鉸聯(lián)接起來(lái)，具有平行四邊形的運(yùn)行特點(diǎn)。機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1　名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案

圖2　名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

3.3并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有很多，包括剛度大、承載力強(qiáng)等，且不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可將驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在靜平臺(tái)上，同時(shí)，為了減小慣量、降低機(jī)構(gòu)質(zhì)量，可以將執(zhí)行臂設(shè)計(jì)為輕質(zhì)桿件。這樣做還有利于保證執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的速度、為物料的抓取以及搬運(yùn)提供便利。因此，從理論上來(lái)講，這樣設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)器人是能夠滿足采茶的基本要求的。

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)確保滿足這些條件：一、并聯(lián)機(jī)構(gòu)必須能夠滿足x、y、z三自由度移動(dòng)要求，保障準(zhǔn)確定位以及有選擇采摘的實(shí)現(xiàn)。二、動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)都應(yīng)確保剛度能夠承載執(zhí)行器而不會(huì)變形。三、機(jī)構(gòu)在采摘過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)空間必須足夠。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)由動(dòng)平臺(tái)利用四條單鏈連接到靜平臺(tái)上；單鏈包含執(zhí)行臂與驅(qū)動(dòng)臂，且執(zhí)行臂為平行四邊形機(jī)構(gòu)；利用轉(zhuǎn)動(dòng)副將驅(qū)動(dòng)臂安裝在驅(qū)動(dòng)器上，驅(qū)動(dòng)器位于靜平臺(tái)上；執(zhí)行臂包含2個(gè)桿件、4個(gè)球鉸，且一端與驅(qū)動(dòng)器連接，另一端與動(dòng)平臺(tái)連接。

3.4平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靜平臺(tái)的功能是承載驅(qū)動(dòng)裝置，因此，靜平臺(tái)的尺寸與驅(qū)動(dòng)裝置密切相關(guān)。驅(qū)動(dòng)裝置中包含四部分：一、電機(jī)。二、驅(qū)動(dòng)器。三、編碼器。四、減速器。計(jì)算靜平臺(tái)尺寸時(shí)，應(yīng)先選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及其他裝置。結(jié)構(gòu)中可以使用直流伺服電機(jī)，其具有原理簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等顯著優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。面板的主要功能是承載控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中必須重視保障面板的尺寸足夠容納電機(jī)座與控制系統(tǒng)。為了防止電機(jī)座出現(xiàn)變形，最好使用折彎件。

3.5末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

茶葉采摘是末端執(zhí)行器的基本功能。在實(shí)際的茶葉采摘中，執(zhí)行器的運(yùn)行需要并聯(lián)機(jī)的驅(qū)動(dòng)?；诖?，本文設(shè)計(jì)的執(zhí)行器必須確保滿足這些條件：一、電機(jī)1帶動(dòng)絲杠4運(yùn)動(dòng)，并利用絲杠帶動(dòng)夾子3、夾子5的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)采摘操作。二、必須設(shè)計(jì)導(dǎo)桿，防止出現(xiàn)絲杠旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)有選擇的茶葉采摘。

圖3　執(zhí)行器設(shè)計(jì)

絲杠能夠在機(jī)構(gòu)間傳遞能量以及運(yùn)動(dòng)形式，轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)。本文利用絲杠傳遞運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足的要求有：首先，其要能夠適應(yīng)高效采摘的基本要求，因此，絲杠應(yīng)為雙邊反向螺紋，確保能夠由電機(jī)帶動(dòng)夾子運(yùn)動(dòng)；其次，要想保證采摘茶葉的完整性，絲杠行程必須要足夠，結(jié)合名優(yōu)茶新梢長(zhǎng)度與寬度，本文將絲杠單邊行程設(shè)計(jì)為40mm；最后，要想保證夾持裝置的運(yùn)行順利，避免出現(xiàn)刀片重疊過(guò)大的問(wèn)題，應(yīng)在絲杠間設(shè)計(jì)尺寸為35mm凸臺(tái)限位。另外，在凸臺(tái)限位安裝的過(guò)程中，為了避免以后使用中出現(xiàn)零件磨損問(wèn)題，應(yīng)注意使用彈性墊片；在該項(xiàng)設(shè)計(jì)中，電機(jī)是絲杠運(yùn)動(dòng)與夾子張合的驅(qū)動(dòng)，因此，必須為電機(jī)和滾動(dòng)軸承留出安裝位置、運(yùn)動(dòng)空間。結(jié)合上述分析，本文最終將絲杠長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為164mm。

4　名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人工作空間設(shè)計(jì)

工作空間設(shè)計(jì)是名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)的是否合理，關(guān)系到機(jī)器人的性能以及使用效果，因此，必須慎重對(duì)待。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，工作空間設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)科學(xué)的分析。在某種程度上來(lái)講，機(jī)器人尺寸取決于其工作空間，所謂機(jī)器人的工作空間，一般指的是執(zhí)行器可到達(dá)的點(diǎn)的集合，但是，空間求解相當(dāng)復(fù)雜，由于篇幅有限，本文在此不作詳述。當(dāng)前，確定機(jī)器人工作空間的方法主要有數(shù)值法與解析法兩種。機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的可用解析式，復(fù)雜的只能用數(shù)值法。本文將兩種方法綜合使用，對(duì)名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人的工作空間設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。

一般來(lái)講，影響機(jī)器人工作空間的因素主要包括：一、驅(qū)動(dòng)副轉(zhuǎn)角。二、機(jī)構(gòu)。三、奇異位置。上述三項(xiàng)因素均會(huì)對(duì)其工作空間形成約束。驅(qū)動(dòng)副轉(zhuǎn)角需滿足的條件為q1min＜qi1＜q1max，機(jī)構(gòu)則要保證q2min＜qi2＜q2max、q3min＜qi3＜q3ma（x其中，i＝1、2、3、4）。依照機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間為單鏈可達(dá)區(qū)域。因此，并聯(lián)機(jī)器人工作空間內(nèi)的點(diǎn)應(yīng)滿足的條件為△i≥0，且qmin≤qi≤qma（x其中，i＝1、2、3、4）。

5　結(jié)　語(yǔ)

為了確保茶葉的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在名優(yōu)茶采摘過(guò)程中，必須盡量保障茶葉勻整。名優(yōu)茶采摘具有時(shí)間緊、任務(wù)重的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的手工采摘模式很顯然與新時(shí)期的采摘要求不相適應(yīng)。采茶機(jī)能夠在一定程度上起到提高采摘效率的作用，但是采摘效果無(wú)法保障，與實(shí)際要求相去甚遠(yuǎn)。因此，合理利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機(jī)器人對(duì)于推動(dòng)我國(guó)茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分積極的意義。

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作者簡(jiǎn)介：王會(huì)麗（1980-），女，河南禹州人，本科，講師，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。