小型升降式采摘機(jī)器人設(shè)計與試驗

高 楊，劉繼展，周 堯

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

我國地域遼闊，果樹種類繁多，果園地勢呈多樣性，且山區(qū)和丘陵占很大面積，地面起伏不平。在果實收獲方面，多采用人工攀爬采摘或輔助工具的采摘方式，收獲效率低、勞動強(qiáng)度大且存在安全隱患，亟需機(jī)器人采摘[1-3]。

采摘機(jī)器人可降低勞動成本，提高勞動生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量，因而發(fā)展前景廣闊，國內(nèi)外均有大量研究。為滿足工作空間和動作姿態(tài)的要求，機(jī)器人本體通常由多個自由度構(gòu)成，機(jī)體龐大、動作復(fù)雜，對作業(yè)控制和推廣應(yīng)用都造成了很大障礙。近年來，國內(nèi)外對升降式采摘機(jī)器人開展了大量研究。比利時的Baeten Johan等人研制出一種蘋果采摘機(jī)器人afpm，將6自由度工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂安裝于可豎直升降的架子上[4]。日本久保田的柑橘收獲機(jī)器人將機(jī)械臂安裝在帶有移動吊臂的平臺車上，可進(jìn)行高度和大范圍作業(yè)，但也延長了機(jī)械臂到放果裝置的路徑[5]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院馮青春發(fā)明的水果智能采摘系統(tǒng)采用剪叉式升降機(jī)構(gòu)，擴(kuò)大了采摘執(zhí)行部件的作業(yè)范圍，適用于不同高度的水果采摘，但移動平臺需連接在特定軌道上[6]。

目前，由于國內(nèi)果園冠層范圍大，果實分布較為分散，現(xiàn)有的采摘機(jī)器人多采用大型機(jī)械臂，機(jī)體龐大，易與枝葉產(chǎn)生碰撞、干涉，機(jī)械臂難以進(jìn)入冠層進(jìn)行采果作業(yè)。為此，針對矮化密植栽培模式的果園，設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單的小型采摘機(jī)器人。

1 整體設(shè)計方案與工作原理

1.1 作業(yè)環(huán)境

果園作業(yè)的工作條件比較特殊，由于各種果樹的行距和株距不同等因素，嚴(yán)重制約了我國果品產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。隨著科學(xué)種植技術(shù)的不斷發(fā)展，目前國內(nèi)外的果樹種植包括蘋果、梨、桃、柑桔、李子、杏、櫻桃和葡萄等都在向矮化密植的方向發(fā)展，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代新型果園Fig.1 Modern new orchard

我國新型果園采用了這種種植模式，果樹種植的株行距為2m×4m，樹高為2.5～3m，果樹枝展在1.5m左右[7-8]，這些新型的種植模式為果園的機(jī)械化作業(yè)提供了良好條件。

1.2 升降式采摘機(jī)器人整體方案

為滿足林果采摘機(jī)器人的小型化及減少放果時間、提高采摘效率的目標(biāo)，本采摘機(jī)器人的設(shè)計要求如下：

1)采摘對象單一的局限性也是造成林果機(jī)器人采摘作業(yè)成本過高的原因，采摘機(jī)器人需能滿足不同植株冠層情況的采摘，機(jī)械臂能到達(dá)不同高度，末端執(zhí)行器可以完成對不同果實的采摘。

2)整機(jī)尺寸實現(xiàn)小型化，在果園與溫室內(nèi)能順利繞行作業(yè)，且能在有坡度的地面上通行，能耗與成本相應(yīng)降低。

3)結(jié)構(gòu)與控制難度皆有效簡化，避免傳統(tǒng)采摘機(jī)器人底部放果造成的損果費時低效的弊端，采取低損就近放果方案，提高采摘作業(yè)效率。

1.3 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

小型采摘機(jī)器人由移動底盤、剪叉升降機(jī)構(gòu)、抽拉式果箱、帶旋轉(zhuǎn)的兩自由度機(jī)械臂和安裝在機(jī)械手上的RealSense視覺傳感器構(gòu)成，如圖2所示。

1.帶旋轉(zhuǎn)的兩自由度機(jī)械臂 2.抽拉式果箱 3.移動底盤 4.剪叉升降機(jī)構(gòu) 5.夾剪式末端執(zhí)行器 6.RealSense視覺傳感器圖2 小型升降式采摘機(jī)器人Fig.2 Structure of the small lifting fruit picking robot

1)由安裝于底盤上板的伺服電機(jī)實現(xiàn)剪叉升降機(jī)的升降與停止動作，使機(jī)械臂可以進(jìn)入不同高度的植株冠層內(nèi)進(jìn)行采摘作業(yè)；同時，采用夾剪式末端執(zhí)行器，可以完成對不同水果的采摘。

2)升降范圍與整機(jī)尺寸的比例實現(xiàn)小型化，四輪驅(qū)動履帶式移動底盤能在有坡度地面上通行，且可繞樹進(jìn)行作業(yè)，能耗與成本相應(yīng)降低。

3)區(qū)別于傳統(tǒng)采摘機(jī)器人將采集果實的箱體放在底盤帶來的底盤龐大、放果路徑長及運算復(fù)雜的問題，將果箱置于機(jī)械臂和升降機(jī)之間，能有效縮短放果路徑，減少整個作業(yè)環(huán)節(jié)的時間，從而提高采摘機(jī)器人的作業(yè)效率。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 目標(biāo)采摘空間的簡化處理

機(jī)械臂的工作空間能否覆蓋果實的空間分布是采摘機(jī)器人的重要指標(biāo)，因此需根據(jù)采摘對象的分布范圍，對采摘機(jī)器人進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。圖3為采摘機(jī)器人與果樹關(guān)系圖。

圖3 采摘機(jī)器人各部件與果樹的參數(shù)關(guān)系Fig.3 Parameter relations between the parts of picking robot and fruit tree

由分析可知：滿足空間采摘要求問題可簡化為采摘機(jī)器人各部件與果樹的參數(shù)關(guān)系問題，故各結(jié)構(gòu)尺寸需滿足的參數(shù)關(guān)系為

H0+H1+D≥a

(1)

H0+H2+D+L1sinθ1+L2sinθ2≤b

(2)

式中H0—移動底盤上平面離地高度(mm)；

D—果箱高度(mm)；

a—果樹樹冠最低位置距離地面高度(mm)；

b—果樹樹冠最高位置距離地面高度(mm)；

H1、H2—升降機(jī)最小、最大行程(mm)；

L1、L2—機(jī)械臂大臂、小臂長度(mm)；

θ1、θ2—機(jī)械臂大臂與果箱夾角、機(jī)械臂小臂與大臂夾角(°)。

2.2 剪叉式升降結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文采用兩自由度機(jī)械臂與剪叉升降機(jī)構(gòu)配合的方案以實現(xiàn)高度方向上的大范圍采摘。根據(jù)作業(yè)要求，若要使采摘機(jī)器人達(dá)到小型化目標(biāo)，剪叉機(jī)構(gòu)的升降范圍與底盤尺寸在比例上需增大?？紤]到采摘作業(yè)的精度要求，剪叉升降結(jié)構(gòu)需精確伺服控制，所以提出由伺服電機(jī)驅(qū)動的多級剪叉機(jī)構(gòu)。針對國內(nèi)果園與溫室矮化密植與吊蔓栽培模式，采摘機(jī)器人作業(yè)進(jìn)入不同高度的植株冠層內(nèi)進(jìn)行采摘時，需實現(xiàn)大范圍升降作業(yè)的要求。尤其在溫室內(nèi)進(jìn)行行間作業(yè)時，為滿足行間繞行的要求，機(jī)器人底盤需小型化。

升降部分主要由工作臺、剪叉桿、傳動部件、電機(jī)及底部啟動輔助裝置組成，總體為多層結(jié)構(gòu)，如圖4所示。底座采用直線滑動導(dǎo)軌與剪叉桿連接，減小了摩擦阻力；兩側(cè)剪叉的上、下端分別與工作平臺和底座以轉(zhuǎn)動和滑動方式連接，轉(zhuǎn)動連接使用銷連接，以控制軸向竄動。

1.多級剪叉結(jié)構(gòu) 2.電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 3.彈性輔助啟動裝置圖4 電動多級剪叉升降機(jī)構(gòu)Fig.4 Electrically assisted multi stage shear fork lifting mechanism

為確保剪叉式升降在極限工作狀態(tài)下能安全工作，通過有限元分析軟件ANSYS對受力最大的底部剪叉桿的受力情況進(jìn)行分析，校核其強(qiáng)度。所設(shè)計的剪叉桿為460mm的鋁合金T6061空心矩形管，分析時設(shè)置50kg載荷，根據(jù)升降在運動過程中的運動特征，桿件的3個鉸接孔施加約束，根據(jù)升降在極限工作狀態(tài)下的實際受力分析情況，對各鉸接孔處施加載荷，得到剪叉桿的應(yīng)力、變形云圖，如圖5所示。

由圖5可知：剪叉桿件中間位置應(yīng)力分布最大，雖然極小部分區(qū)域應(yīng)力值較大，但最大變形量發(fā)生在與底座連接的鉸接孔處，且最大變形量為1.272 2mm，剪叉桿的強(qiáng)度能滿足設(shè)計要求。

圖5 剪叉桿應(yīng)力，變形云圖Fig.5 Stress nephogram of rod

2.3 果箱內(nèi)部回轉(zhuǎn)體部件

為解決由遠(yuǎn)距離放果所帶來的低效率采摘作業(yè)問題，果實收集裝置的布局必定要避免舊有的置于底盤上及采用中空機(jī)械臂或套籠的方案。為此，采用另一種方案：在大范圍升降機(jī)與機(jī)械臂中間放置果箱，使果箱的位置盡可能地靠近末端執(zhí)行器，從而縮短果實采摘后的放果路徑，同時根據(jù)整機(jī)尺寸與底盤最大載荷確定果箱尺寸。

在果箱和機(jī)械臂之間設(shè)置一個旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可為機(jī)械臂增加了一個旋轉(zhuǎn)的自由度，在機(jī)械臂運動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大其在空間可操作度位置，使機(jī)械手更加靈活，采摘果實的范圍更大。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由升降上平臺、基座、傳動部件、支承部件和驅(qū)動電機(jī)組成，如圖6所示。機(jī)械臂機(jī)座是支撐部件，主要用來為整體提供支承的同時底座完成回轉(zhuǎn)運動。

1.電機(jī)箱旋轉(zhuǎn)盤 2.旋轉(zhuǎn)軸 3.止推螺釘 4.支撐板 5.電機(jī)軸 6.軸承Ⅰ 7.旋轉(zhuǎn)基座 8.軸承Ⅱ圖6 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Diagram of rotating mechanism

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由電機(jī)加減速器實現(xiàn)回轉(zhuǎn)，電機(jī)與減速器可隱藏在雙側(cè)果箱中間位置而不干涉放果。電機(jī)輸出軸通過平頭緊定螺釘與旋轉(zhuǎn)軸連接，旋轉(zhuǎn)軸與基座通過兩個軸承接觸連接，以限制軸向竄動，并且基座固定。旋轉(zhuǎn)盤和旋轉(zhuǎn)軸經(jīng)螺釘連接，其上放置機(jī)械臂電機(jī)箱。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用基于ARM Cortex-M4F的微控制器的低成本評估套件。系統(tǒng)通訊采用CAN總線通訊，實現(xiàn)主控制器與各傳感器的互聯(lián)[9-10]。原主控制器的控制對象包括底盤和機(jī)械臂控制，在二次開發(fā)中，根據(jù)實際需要添加子單元的控制，如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)元器件分布圖Fig.7 Distribution diagram of components of control system

機(jī)械臂的運動，是通過輔助單片機(jī)STM32F控制實現(xiàn)的，這種方式方便實現(xiàn)機(jī)械臂作為相對獨立單元使用。

主控制器通過以太網(wǎng)模塊以網(wǎng)線的方式將新加入的電機(jī)控制器(單片機(jī))與主控制器之間進(jìn)行通訊。由于STM不支持以太網(wǎng)通訊，因此在機(jī)械臂子系統(tǒng)中添加以太網(wǎng)轉(zhuǎn)RS232通訊模塊，用來實現(xiàn)主控制器與輔單元之間的通訊。主控制器對單片機(jī)發(fā)出控制指令，單片機(jī)發(fā)出脈沖，驅(qū)動伺服電機(jī)，多單元的協(xié)調(diào)通過主控制器實現(xiàn)對各單片機(jī)的分時、有效控制。

4 樣機(jī)試驗與分析

4.1 試驗材料與方法

1)試驗材料與設(shè)備：包括采摘機(jī)器人樣機(jī)、數(shù)顯角度尺、卷尺，游標(biāo)卡尺(0.02mm)和激光筆等。

2)試驗?zāi)康模和ㄟ^對單個關(guān)節(jié)電機(jī)的控制，獲得單關(guān)節(jié)的位置誤差，分析其是否滿足采摘要求。

3)試驗方法與步驟：將激光筆固定在機(jī)械臂關(guān)節(jié)末端，在XOY平面設(shè)置標(biāo)記板，如圖8所示。激光筆在XOY平面的投影點為A，分別控制各關(guān)節(jié)的電機(jī)，使升降機(jī)上升10mm，3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)30°，記每個關(guān)節(jié)動作后對應(yīng)的投影點為B，其理論投影點為C。AB與AC的距離可用卷尺和游標(biāo)卡尺測出，其距離差值的絕對值近似表示B與C之間的誤差值，即單關(guān)節(jié)的位置控制誤差的大小，如圖9所示。對上述步驟進(jìn)行20次重復(fù)試驗，記錄每次單關(guān)節(jié)位置誤差(見表1)，得到各關(guān)節(jié)誤差折線圖如圖10所示。

圖8 位置控制誤差測試方法Fig.8 Measurement method of position control error

圖9 單關(guān)節(jié)位置控制試驗Fig.9 Single joint position control test

表1 機(jī)器人單關(guān)節(jié)位置誤差測量結(jié)果Table 1 Measurement results of robot single joint position error mm

圖10 各關(guān)節(jié)位置誤差大小Fig.10 Each joint position error size

4.2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)測量統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可知：采摘機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)位置誤差平均值為3.02mm，最大值為4.55mm；腰關(guān)節(jié)位置誤差平均值為1.21mm，最大值為2.14mm；肩關(guān)節(jié)位置誤差平均值為1.55mm，最大值為1.36mm；肘關(guān)節(jié)位置誤差平均值為1.06mm，最大值為2.33mm；腕關(guān)節(jié)位置誤差平均值為1.11mm，最大值為1.97mm。

造成上述誤差的原因主要為零件加工精度誤差和測量讀數(shù)誤差，而升降誤差主要是由于剪叉材料的彈性變形，肩關(guān)節(jié)相對其他選擇關(guān)節(jié)誤差較大的原因是機(jī)械臂的關(guān)節(jié)間隙。總體來說，單關(guān)節(jié)的誤差大小均在合理誤差范圍內(nèi)，能滿足采摘要求。

5 結(jié)論

1)根據(jù)林果采摘作業(yè)要求，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，開發(fā)了小型升降式采摘機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)簡單且能進(jìn)入果樹冠層合理采摘的優(yōu)點。

2)通過選用絲杠傳動的升降機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以及采用抽取式果箱，滿足一定工作空間的同時，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了采摘機(jī)器人的小型化，并縮短了摘果放果的路程，使得采摘動作更加靈活，提高了采摘效率。

3)為驗證采摘機(jī)器人單關(guān)節(jié)的位置誤差是否滿足采摘要求，進(jìn)行了單關(guān)節(jié)位置控制誤差檢測，得出升降機(jī)構(gòu)位置誤差平均值為3.02mm，最大值為4.55mm；腰關(guān)節(jié)位置誤差平均值為1.21mm，最大值為2.14mm；肩關(guān)節(jié)位置誤差平均值為1.55mm，最大值為1.36mm；肘關(guān)節(jié)位置誤差平均值為1.06mm，最大值為2.33mm；腕關(guān)節(jié)位置誤差平均值為1.11mm，最大值為1.97mm。