絲瓜采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)

馬駿馳?王鑫?楊潔?楊菲?周朝進(jìn)?周海燕

摘 要：為了降低絲瓜采摘的人力成本，本文設(shè)計(jì)一種大棚絲瓜采摘機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)大棚絲瓜采摘自動化，根據(jù)采摘環(huán)境特點(diǎn)和工作方式要求，給出絲瓜采摘機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且對關(guān)鍵的機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。

關(guān)鍵詞：絲瓜采摘機(jī)器人;機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

0 引言

由于中國社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和人口結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從事農(nóng)業(yè)活動的人越來越少，從當(dāng)前來看，果蔬采摘作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)，[1]屬于勞動密集型的工作，急需實(shí)現(xiàn)果蔬自動化采摘以提高勞動效率?，F(xiàn)設(shè)計(jì)一種大棚絲瓜采摘機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)大棚絲瓜的自動化采摘。本論文所研制的絲瓜采摘機(jī)器人采取圓柱形坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動控制簡便，坐標(biāo)計(jì)算容易，定位精度高。[2]同時(shí)采用伺服電機(jī)驅(qū)動，可控速度范圍大，能源易得，精度高。采用兩根THK公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件引動器作為機(jī)械臂，增加傳動精度，減小機(jī)器人質(zhì)量，同時(shí)方便后續(xù)的機(jī)器人維修和零部件更換，提高采摘效率。[3]

1 采摘機(jī)器人工作方式與目標(biāo)要求分析

機(jī)器人工作時(shí)移動平臺移動到絲瓜種植區(qū)前方，水平引動器向后移動到最大位置，兩臺工業(yè)攝像機(jī)拍照并將照片傳回單片機(jī)，單片機(jī)通過分析這兩張圖片，確定圖片內(nèi)所有絲瓜的位置坐標(biāo)，然后控制機(jī)器人作業(yè)。作業(yè)時(shí)，通過移動平臺內(nèi)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動支撐臺轉(zhuǎn)動，將兩根引動器轉(zhuǎn)動到與被采摘絲瓜同一平面內(nèi)的位置。與此同時(shí)，垂直引動器工作，將水平引動器移動到距離絲瓜頂部3cm處。之后，水平引動器開始工作，在電機(jī)的驅(qū)動下，水平引動器向絲瓜所在的位置伸出，直到絲瓜位于末端執(zhí)行器的機(jī)械手開口中心。末端執(zhí)行器上方的切割刀片在工作時(shí)，刀片處于復(fù)位狀態(tài)（即切割刀片與水平引動器垂直，且刀口的朝向背向絲瓜）。在水平引動器到達(dá)指定坐標(biāo)后，機(jī)械手抓合絲瓜，待絲瓜抓穩(wěn)后，切割刀片工作，在直流電機(jī)的驅(qū)動下，刀片旋轉(zhuǎn)270°，將絲瓜藤切斷，此后回到復(fù)位狀態(tài)。之后，水平引動器收回。支撐臺旋轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌炔殡S垂直引動器的調(diào)整，將機(jī)械手中的絲瓜移至籮筐正上方，然后機(jī)械手松開絲瓜使其落入籮筐，這樣一次絲瓜采摘就完成了。然后支撐臺旋轉(zhuǎn)伴隨機(jī)械臂的調(diào)整，開始第二次采摘。在將照片中的絲瓜全部采摘完成后，引動器回到初始狀態(tài)，移動平臺向前移動到采摘區(qū)域，然后拍照分析進(jìn)行下一次采摘。

采摘作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)：本次課題所研究的絲瓜采摘機(jī)器人采摘的絲瓜種植于農(nóng)田大棚中，之所以應(yīng)用于該環(huán)境，是因?yàn)檗r(nóng)田大棚的絲瓜種植利用春提早絲瓜栽培技術(shù)，可以做到早結(jié)瓜、早上市，增加絲瓜的產(chǎn)量和收益。而此次研究的采摘機(jī)器人正是用于該環(huán)境下進(jìn)行絲瓜的采摘。大棚里的作物通常采用畦作栽培，絲瓜也不例外，通常情況下畦溝的寬度為80cm，兩畦之間的寬度為125cm，種植時(shí)絲瓜種植在畦溝內(nèi)兩側(cè)，兩個(gè)絲瓜藤之間的橫向距離為40cm，對稱種植，其中圓圈代表絲瓜的種植地點(diǎn)。

2 絲瓜采摘機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述問題，本論文設(shè)計(jì)出了3自由度的采摘機(jī)器人，該機(jī)器人與目前市場上所出現(xiàn)的采摘機(jī)器人相比，優(yōu)點(diǎn)在于采用圓柱形坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動控制簡便，坐標(biāo)計(jì)算容易，定位精度高?；陔p目視覺系統(tǒng)的圖片分析能夠通過分析絲瓜的形狀，提高采摘精度，實(shí)現(xiàn)智能采摘。在機(jī)械臂的傳動方面，采用最新型的諧波齒輪減速器，降低工作噪音，提高傳動精度，增大工作轉(zhuǎn)矩。[4]采用兩根THK公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件引動器作為機(jī)械臂，增加了傳動精度。此外，設(shè)計(jì)了一種新型的柔性末端執(zhí)行器，最大限度地減少了絲瓜采摘過程中對絲瓜果實(shí)的傷害，提高了采摘效率。

2.1 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的設(shè)計(jì)是采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是機(jī)器人工作的核心所在?，F(xiàn)代大部分農(nóng)業(yè)機(jī)器人所使用的機(jī)械臂都是在市場上購買的工業(yè)機(jī)械臂，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式及自由度的選擇對末端執(zhí)行器運(yùn)動精度及靈活性都會產(chǎn)生很大的影響，對采摘作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人來講，機(jī)械臂必須滿足結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動靈活等條件。[5]

本次機(jī)械臂設(shè)計(jì)的目的主要是滿足末端執(zhí)行器的定位需要，能夠使末端執(zhí)行器在指定位置采摘絲瓜。因此，設(shè)計(jì)之初首先需要考慮分配好采摘機(jī)器人的自由度。實(shí)際考查中，我們發(fā)現(xiàn)3自由度的機(jī)器人就可以滿足絲瓜的采摘需要。因此為了避免自由度的冗余、增加生產(chǎn)成本，本課題選擇3自由度的機(jī)械臂來開展設(shè)計(jì)。

對機(jī)械臂長度的設(shè)計(jì)則需考慮絲瓜采摘機(jī)器人具體的采摘環(huán)境。本課題所研究的機(jī)器人是應(yīng)用于大棚里的絲瓜采摘，絲瓜平均生長的高度為1.4～1.6m，而移動平臺的高度為0.41m，支撐座高度為0.105m，因此垂直使用的機(jī)械臂的高度大約需要1.1m。

機(jī)械臂共有兩個(gè)自由度，也就是X軸和Y軸的移動自由度。這兩個(gè)自由度的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)考慮依然采用交流伺服電機(jī)來驅(qū)動，主要是考慮到交流伺服電機(jī)質(zhì)量小、精度高、易于控制的特點(diǎn)，雖然輸出轉(zhuǎn)矩較小，但能滿足這兩個(gè)直線自由度的實(shí)現(xiàn)。機(jī)械臂考慮采用絲杠螺母傳動的方式來實(shí)現(xiàn)傳動。[6]絲杠螺母傳動的精度高，易于實(shí)現(xiàn)，工作壽命長，而且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。綜合以上要求，本設(shè)計(jì)考慮選擇日本THK公司生產(chǎn)的引動器。

載重方面，水平引動器的載重肯定小于垂直引動器，因此只需估算垂直引動器的載重。由于不同型號引動器的質(zhì)量相差很大，所以我們盡量往較大數(shù)據(jù)估計(jì)，為40kg，伺服電機(jī)選擇為安川400w的伺服電機(jī)，輸入完成過后THK給出的結(jié)果是只有KR55和KR65型，考慮到質(zhì)量輕化優(yōu)先，選擇KR55系列的引動器。這樣機(jī)械臂就確定下來，共同組成機(jī)器人本體。為了使機(jī)械臂能夠穩(wěn)定可靠地平衡傾覆力矩，采用加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)來輔助平衡。

2.2 移動平臺的設(shè)計(jì)

根據(jù)采摘作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，綜合考慮機(jī)械臂在移動平臺上的穩(wěn)定性和畦溝的寬度，選擇移動平臺的寬度為76cm，其中車身的寬度為40cm，車輪的寬度為12cm，因此履帶的寬度為12cm。一般絲瓜的生長高度在1.4～1.6m，因此初選車身的高度為30cm，移動平臺整體的高度為40cm，車輪的直徑為35cm。為了使果蔬采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、傳動精確，同時(shí)減小質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用諧波齒輪減速器來控制整個(gè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動。因此需要在移動小車內(nèi)部放置交流伺服電機(jī)，這樣能夠降低車身重量。在小車內(nèi)部安裝伺服電機(jī)，則需考慮裝配該機(jī)器人的方便性和可行性。在小車車身處，以完全貫穿的形式設(shè)計(jì)了一個(gè)長為25cm、寬為17cm的矩形安裝區(qū)域，將電機(jī)和減速器安置于其中，這樣便于安轉(zhuǎn)和后期維修?？紤]到采摘完成后需要收集絲瓜，因此在車身設(shè)計(jì)兩個(gè)籮筐安裝區(qū)域，機(jī)械臂在采集完成后，可將絲瓜放在籮筐內(nèi)，提高工作效率。綜合考慮上述情況后，筆者將車身的長度設(shè)計(jì)為90cm，便于絲瓜機(jī)器人后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開展。

3 結(jié)語

本文針對絲瓜采摘過程中的問題以及采摘作業(yè)需求，通過分析果蔬采摘機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，對機(jī)器人的主要關(guān)節(jié)機(jī)械臂和移動平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，使機(jī)器人滿足對絲瓜采摘的要求。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 顧寶興.智能移動式水果采摘機(jī)器人系統(tǒng)的研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 劉江.諧波齒輪減速器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)及傳動精度分析[D].電子科技大學(xué)，2012.

[5] 王儒敬，孫丙宇.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國科學(xué)院院刊，2015，30（06）：803-809.

[6] 張新.一種新型碼垛裝置的開發(fā)及其關(guān)鍵技術(shù)[D].天津大學(xué)，2013.

作者簡介：馬駿馳（1998—），男，江蘇揚(yáng)州人，本科在讀，研究方向：機(jī)器人。