圓柱形果實(shí)采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)

周明佳 逄崇雁 孫艷茹

（哈爾濱華德學(xué)院機(jī)器人工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

1 概述

隨著城市化的不斷推進(jìn)，勞動(dòng)力不斷從農(nóng)村涌入城市。到了收獲季節(jié)，田地中的勞動(dòng)力嚴(yán)重缺乏。采摘機(jī)器人進(jìn)入田間就可以解決這個(gè)難題。果實(shí)采摘機(jī)器人不僅可以降低勞動(dòng)者的工作強(qiáng)度，而且也避免了勞動(dòng)者登高采摘的危險(xiǎn)性。可以說在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用果實(shí)采摘機(jī)器人具有重要的意義和價(jià)值。

早在1968 年，美國(guó)學(xué)者就提出了用機(jī)器人代替人力進(jìn)行果蔬的采摘工作[1]。20 世紀(jì)80 年代美國(guó)、荷蘭、日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家相繼研發(fā)出機(jī)器人用于采摘工作。我國(guó)該領(lǐng)域工作于20 世紀(jì)90 年代起步，發(fā)展到今天，在采摘結(jié)構(gòu)、視覺識(shí)別、定位系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得實(shí)用性成果[2]。

2 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)

果農(nóng)采摘果實(shí)形式多樣，最常見及有效的方式是握住果實(shí)并向遠(yuǎn)離枝干一側(cè)拖拽，待果實(shí)莖受力伸直后，用工具斷莖。茄子和黃瓜都是典型的圓柱形果實(shí)，采用此方法可以完成采摘。

將果實(shí)及采摘過程簡(jiǎn)化為物理模型，如圖1 所示。均布載荷F1和F2表示夾持力，方向指向果實(shí)內(nèi)部。F3和F4表示剪切力。F1和F2滿足保持住果實(shí)的同時(shí)，不破壞果實(shí)表面。F3和F4的值要大于果實(shí)莖的極限強(qiáng)度。由此可以確定采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)方案，如圖2 所示。

圖1 圓柱形果實(shí)模型

圖2 末端執(zhí)行器原理圖及三維模型

夾持兩側(cè)分別采用平行四連桿機(jī)構(gòu)，桿1 和桿2 同時(shí)、同速、反向轉(zhuǎn)動(dòng)，保證夾持口平行開合。為了減小果實(shí)表面的局部壓力，在加持力不變的條件下，可以增大夾持面積，具體方法為在夾持部位采用圓弧面，避免較大平面和尖角。對(duì)于表面更為柔軟的果實(shí)，夾持端面可以粘貼彈性墊板。在夾持口內(nèi)側(cè)的底部設(shè)置觸力傳感器。當(dāng)接觸果實(shí)時(shí)，調(diào)慢夾緊速度，并使夾持端再夾緊小段距離。這個(gè)距離的大小與果實(shí)的軟硬程度及表面摩擦系數(shù)大小有關(guān)。對(duì)于不同果實(shí)可以做采樣實(shí)驗(yàn)確定夾緊距離。對(duì)于茄子，夾持端的單側(cè)水平夾緊距離可以為0.5mm 至1.5mm。用兩個(gè)舵機(jī)分別驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)和切斷機(jī)構(gòu)，其工作原理為：下方舵機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪為主動(dòng)輪，大齒輪為從動(dòng)輪。從動(dòng)大齒輪帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使夾持端做開合運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而夾持果實(shí)。上端舵機(jī)輸出軸直接與刀片相連，舵機(jī)帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)切割果實(shí)莖。夾爪最大開口65mm,單側(cè)最大夾持弧長(zhǎng)35mm。

3 采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

摘取果實(shí)的過程除了有最末端的采摘?jiǎng)幼?，還需要將末端執(zhí)行器送到果實(shí)附近。所以要設(shè)計(jì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)。模擬人工采摘?jiǎng)幼?，采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人本體。采摘機(jī)器人由基座、大臂、小臂和末端執(zhí)行器組成。機(jī)器人本體需要四個(gè)自由度即可完成采摘所需動(dòng)作。為了提高結(jié)構(gòu)的靈活性，應(yīng)對(duì)不同姿勢(shì)的果實(shí)采摘，增大采摘空間，在末端執(zhí)行器上額外增加1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，在小臂上額外增加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，設(shè)計(jì)為6 自由度的機(jī)器人本體。此設(shè)計(jì)使采摘機(jī)器人適用的工作范圍更廣，機(jī)動(dòng)能力更強(qiáng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

要完成采摘任務(wù)，機(jī)器人的末端執(zhí)行器工作區(qū)域必須覆蓋果實(shí)所在區(qū)域。可以把果實(shí)生長(zhǎng)區(qū)抽象成一個(gè)實(shí)體，把機(jī)器人本體連接在移動(dòng)底盤上，則機(jī)器人的工作區(qū)只要覆蓋該實(shí)體截面的一半面積就能完成果實(shí)的全部采摘。機(jī)器人的工作區(qū)域見圖4。點(diǎn)A、B、C、E、D 及其間的弧線所圍成的區(qū)域即為機(jī)器人的采摘范圍。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)參數(shù)：大臂長(zhǎng)310mm,小臂長(zhǎng)270mm,末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)長(zhǎng)220mm。

圖4 采摘機(jī)器人工作范圍簡(jiǎn)圖

根據(jù)上述分析，基于SOLIDWORKS 三維建模軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最終完成的采摘機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的位置和速度都由該處所對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)控制。機(jī)器人底座部分預(yù)留出法蘭接口，可以與移動(dòng)底盤相連接。

圖5 采摘機(jī)器人工作范圍簡(jiǎn)圖

4 結(jié)論

研究采摘機(jī)器人可以解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率。本文通過模擬果農(nóng)采摘圓柱形果實(shí)的過程，設(shè)計(jì)了采摘機(jī)器人本體及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過觸力傳感器結(jié)合位置控制的方式夾緊果實(shí)。此方法不僅使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且有利于控制程序的編寫，更具有一定經(jīng)濟(jì)性。但是精確性和可靠性不高，采摘前期需要做試驗(yàn)確定夾緊距離。后續(xù)可以在末端執(zhí)行器上裝壓力傳感器和視覺識(shí)別系統(tǒng)，這樣不僅能適用更多的果實(shí)種類，而且可以完成精確定位和夾緊。