基于農業(yè)生產(chǎn)的采摘機械臂節(jié)點控制系統(tǒng)研究分析

顧六平

(常州輕工職業(yè)技術學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著農業(yè)種植模式的更新和新技術的應用，人工已遠遠不能滿足生產(chǎn)需要，機器人將成為農業(yè)種植的主力。在農業(yè)采摘方面，采摘機械人運用機械臂進行無損傷采摘，節(jié)約了大量的人工成本。國外已有適用于大棚和農場采摘機器人[1-3]。綜合國內外文獻，發(fā)現(xiàn)對于采摘機械的研制多偏重在果實視覺識別和定位上[4-5]。當前使用機械手都是來回作業(yè)，構造機械的關節(jié)時，把來回作業(yè)轉換為其他動作就需要另一套設備；而另一套設備的占地大、構造復雜，靈活度低，故研發(fā)出類似人體肌關節(jié)成了研究者的共同方向。為此，設計了一種多個柔性關節(jié)組成機械臂，以氣壓驅動，機械臂關節(jié)靈活；可液壓驅動，使機械臂更具動力，用于多種領域的作業(yè)。對以氣體驅動的柔性關節(jié)的研究以模仿人體肌肉驅動為主[6-10]，對于農作物采摘機器人,需要有較高的柔性, 可減少農作物損傷。采摘機械人在復雜環(huán)境中作業(yè)，植株莖稈或支架在采摘物的四周，對采摘作業(yè)增加了難度，因此規(guī)劃可行的機械臂運動路徑，避開雜物進行采摘，是研究的重點[11-19]。

為此，研究了采摘機械臂節(jié)點控制系統(tǒng)，分析了柔性氣動控制關節(jié)點，采用5自由度的柔性驅動器控制，并驗證了柔性驅動控制的機械臂節(jié)點靈活度和機械臂避障路徑。

1 控制系統(tǒng)研究分析

1.1 控制系統(tǒng)原理

基于農業(yè)生產(chǎn)的采摘機械臂節(jié)點控制系統(tǒng)采用氣動柔性驅動控制系統(tǒng)，氣囊柔性驅動，以交流電動機為電源，建立作業(yè)空間障礙路徑規(guī)劃，通過安裝的傳感器識別定位，精準驅動機械臂進行采摘作業(yè)。

1.2 總體設計

采摘機械人主要機構由載體和機械臂組成，如圖1所示。載體采用履帶式臺車，安裝電源箱、輔助機構、傳感器、箱子和控制主機；機械臂為5自由度，各個關節(jié)驅動分隔開進行驅動；關節(jié)型機械臂固定在履帶式臺車上，機械臂連接末端機構，末端機構為與果實直接接觸的機械手指。機械臂的5個自由度分別是1個升降自由度、3個旋轉自由度和1個棱柱節(jié)點自由度。機械臂伺服驅動系統(tǒng)為機械臂提供動力并定位果實控制機械臂到達指定位置。驅動力采用交流電動機(見圖2)，具有換向閥，可減少慣性作用，易于控制。故機械臂的5個關節(jié)點的動力均采用交流伺服電動機。

由于采摘機械臂作業(yè)環(huán)境的不確定性，作業(yè)對象位置也不確定，故采用傳感器識別定位。在機器人上安裝的傳感器為識別、定位傳感器，用于確定采摘果實的位置、性狀及大小，且控制升降自由度和旋轉自由度進程。傳感器安裝位置需要設計試驗確定，為確保機械臂作業(yè)軌跡，傳感器采集作業(yè)環(huán)境圖像并提取分析圖像，提取采集圖像中的果實，確定機械臂末端旋轉升降動作，精準定位目標果實，成功完成采摘作業(yè)。

圖1 采摘機械臂

圖2 交流電動機

機械臂關節(jié)點以柔性氣動關節(jié)(見圖3)驅動，以氣體為動力，模仿人體肌肉驅動，也被稱為氣動人工肌肉；以氣囊(見圖4)驅動機構，因在節(jié)點之間安裝的氣囊易出現(xiàn)故障；故在節(jié)點之間安裝多個氣囊驅動，以防止出現(xiàn)故障，關節(jié)點的結構參數(shù)需要優(yōu)化，以實現(xiàn)關節(jié)控制系統(tǒng)的最優(yōu)化控制。氣囊加壓后作為柔性關節(jié)驅動動力，其氣體壓力大小采用壓力變送器監(jiān)控，在控制主機中預先設置壓力數(shù)據(jù)。關節(jié)彎曲的弧度取決于氣囊中的氣壓，故壓力的監(jiān)控至關重要，可保證氣囊中壓力的穩(wěn)定及機械臂制動。

2 節(jié)點控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計

2.1 機械臂節(jié)點構形空間

機械臂采用多自由度關節(jié)型機構，以構形空間的方法對多自由度關節(jié)型機械臂規(guī)劃路徑。多自由度關節(jié)型的機械臂的維度高，升降自由度、棱柱自由度與3個旋轉自由度并聯(lián)構成機械臂工作空間，選擇避障路徑耗時短，提高了整體效率。

圖3 柔性氣動節(jié)點結構

圖4 氣囊工作控制

2.2 構形空間建模

為避免空間構造的難度，將機械臂和作物從三維映射到平面上進行分析，作物映射到平面上的性狀為不規(guī)則形，包括作物投影畫圓及畫平面坐標系X-O-Y(見圖5)，將機械臂轉動并映射到坐標系，通過計算機械臂投影與作物投影得到臨界碰撞關節(jié)角。

2.3 參數(shù)優(yōu)化

為進行機械臂關節(jié)結構參數(shù)的優(yōu)化，設置約束條件，設立目標函數(shù)和變量，采用軟件編程分析，運算得到優(yōu)化參數(shù)，根據(jù)得到的優(yōu)化參數(shù)確定機械臂的旋轉角度和可操作工作空間。根據(jù)參數(shù)確定關節(jié)點中氣囊中的氣壓優(yōu)化值，創(chuàng)造機械臂穩(wěn)定環(huán)境，且保持機械臂關節(jié)的靈活。

圖5 避障坐標

3 機械臂性能試驗與結果

基于農業(yè)生產(chǎn)的采摘機械臂節(jié)點控制系統(tǒng)運動性能進行測試，根據(jù)機械臂移動位置是否存在偏移，驗證機械臂性能并分析試驗數(shù)據(jù)。進行8組試驗(試驗樣機見圖6)，設置工作參數(shù)，控制位移，移動機械臂，檢測移動位移的數(shù)據(jù)，比較數(shù)值差異。試驗結果如表1所示。

圖6 采摘機械臂試驗樣機

試驗號理論位移/mm實際位移/mm1260260.92300301.23340340.84400399.4

續(xù)表1

由表1可知：機械臂運動偏差的均值為1.2mm。這說明以氣動柔性控制的關節(jié)型機械臂的運動精度較高，可以滿足采摘要求。

4 結論

基于農業(yè)生產(chǎn)的采摘機械臂節(jié)點控制系統(tǒng)采用氣動柔性驅動控制關節(jié)，其5自由度關節(jié)型機械臂可精確地定位采摘作業(yè)。經(jīng)試驗，機械臂運動誤差1.2mm，有較高的精度及穩(wěn)定的工作性能。