蘋果采收機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

張 毅，郝 騫

（1.太原學(xué)院機(jī)電工程系，山西 太原 030032；2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

1 引言

蘋果是生活中最常見的水果，我國蘋果的種植規(guī)模；產(chǎn)量；消費(fèi)量均已位居世界首位［1-3］。采摘收集是蘋果生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前主要依靠人工完成，耗時長；花費(fèi)高；勞動強(qiáng)度大［1-3］。隨著人口老齡化；城鎮(zhèn)化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動力緊缺；用工成本增加的問題非常突出，嚴(yán)重影響蘋果產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，迫切需要引入能替代或者減少人工的采收機(jī)器。

目前蘋果采摘裝置的研究主要集中在采摘的方式方法上，對于采后收集或者采收一體化的研究較少［4-5］。從提高蘋果采摘效率的角度出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)存量較大的普通果園和果樹的特點，基于TRIZ理論對蘋果快速采摘收集一體化的機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，并通過仿真建模驗證了方案的可行性，為蘋果的快速采摘和現(xiàn)有設(shè)備的改進(jìn)提供有益的參考。

2 TRIZ分析

TRIZ是一種解決發(fā)明問題的理論，已成為一種解決技術(shù)問題；發(fā)明問題的成熟理論體系，是一種實用性很強(qiáng)的創(chuàng)新工具。運(yùn)用TRIZ理論分析問題，借助39個通用工程參數(shù)；40條創(chuàng)新原理；4大分離原理等，為解決技術(shù)矛盾；物理矛盾提供思路和方向，加快發(fā)明創(chuàng)造的進(jìn)程［6］。

2.1 TRIZ技術(shù)矛盾

采摘后蘋果的收集與整個采摘過程的效率密切相關(guān)。目前采后收集主要有兩種方法［7-8］，一是手爪夾持著采摘后的蘋果通過機(jī)械臂的運(yùn)動送到車筐內(nèi)，這種方式最大的問題是耗時較長嚴(yán)重影響采摘效率；二是末端執(zhí)行器下端帶有軟管，蘋果通過軟管落到車筐內(nèi)，由于軟管自然下垂不宜控制，經(jīng)常被樹枝阻擋，限制了機(jī)械臂的運(yùn)動及操作，收集效果不理想，采摘效率較低。要實現(xiàn)蘋果快速采摘，采摘裝置需要同時具備收集的功能，而增加收集功能可能使得裝置復(fù)雜，也可能影響機(jī)械臂的操作。該問題轉(zhuǎn)化為TRIZ中的39個工程參數(shù)，即：需要改善的參數(shù)（35）適應(yīng)性及多用性，惡化的參數(shù)（36）裝置復(fù)雜性；（33）可操作性，形成兩對技術(shù)沖突。查詢TRIZ矩陣矛盾表［9］可得到表1，推薦的發(fā)明原理：（1）分割；（15）動態(tài)化；（16）未達(dá)到或者超過作用；（28）機(jī)械系統(tǒng)替代；（29）氣動與液壓機(jī)構(gòu)；（34）拋棄與修復(fù)；（37）熱膨脹。

表1 TRIZ矛盾矩陣與原理解Tab.1 TRIZ Contradiction Matrix and Original Understanding

根據(jù)發(fā)明原理1和15提供的思路，結(jié)合機(jī)械臂和運(yùn)輸軟管的特點，將上機(jī)械臂改成圓筒式硬質(zhì)管道，管道頂部切割一部分呈坡口狀，用于承接剪切落下的蘋果，軟管平行安裝到下機(jī)械臂的外側(cè)，軟管上部與硬質(zhì)管道末尾對接，下部連接到車筐，剪切后的蘋果通過管道進(jìn)入車筐，如圖1所示。

圖1 具備收集功能的機(jī)械臂Fig.1 The Manipulator with Collection Function

2.2 TRIZ發(fā)明原理

末端執(zhí)行器采摘蘋果的方法主要有手爪夾持式；夾剪一體式；氣吸拉斷式；夾持扭斷式等［7-8］，采摘過程需要多個步驟或者動作，不利于快速采摘。壓縮采摘過程中消耗的時間，就要簡化采摘的動作，用盡量少的步驟或動作完成采摘。直接運(yùn)用TRIZ中的發(fā)明原理［6］34（拋棄與修復(fù)）和27（低成本替代）提供的思路，結(jié)合收集管道的特點，可以舍棄或者替代采摘蘋果時的夾持動作，所以末端執(zhí)行器的功能主要是完成剪切。剪切的對象是果梗，采用剪刀將其剪斷，由于蘋果的重力，果梗的方向一般是豎直或者接近豎直的，為了確保剪刀與果梗垂直，剪刀應(yīng)處于水平方向。結(jié)合機(jī)械臂的連桿特性，采用串聯(lián)的平行四邊形機(jī)構(gòu)實現(xiàn)剪刀的水平調(diào)節(jié)，將平行四邊形上連桿變異為蘋果限位環(huán)，剪刀安裝在限位環(huán)上。限位環(huán)從一定程度上可以替代采摘過程的夾持動作，輔助剪刀剪切。不僅提高了末端執(zhí)行器的可靠性，避免了夾持器對蘋果的損傷，而且省去了夾持器張閉；剪刀調(diào)平兩個動作環(huán)節(jié)，極大簡化了末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。采收一體化機(jī)械臂的方案，如圖2所示。

圖2 采收一體機(jī)械臂Fig.2 The Harvesting Integrated Mechanical Arm

2.3 TRIZ物理矛盾

要提高機(jī)械臂的速度與靈活性，就要減小它的尺寸，減小尺寸又會導(dǎo)致工作范圍變小，而工作范圍是必須保證的，所以要增大機(jī)械臂的長度。根據(jù)TRIZ的觀點［6］，折中與調(diào)和是不可取的，有矛盾必須消除，所以找合適的尺寸在速度與空間之間達(dá)到平衡是不可行的。既要機(jī)械臂減小長度又要機(jī)械臂增加長度，這構(gòu)成了TRIZ中的物理矛盾［7］。采用TRIZ中分離原理的思路，將現(xiàn)有機(jī)械臂分離為小型機(jī)械臂和升降平臺，升降平臺，如圖3所示。

圖3 升降平臺Fig.3 The Lifting Platform

升降平臺包括擺動板；絲杠；升降板等，絲杠帶動升降板上下移動，擺動板既可隨移動板上下移動，又可擺動，機(jī)械臂安裝在擺動板上，升降平臺可帶動小型機(jī)械臂上下移動和擺動。采收機(jī)器人的采摘動作以小型機(jī)械臂運(yùn)動為主，升降平臺運(yùn)動為輔，既提高了采摘靈活性；保證了工作范圍，而且有利于提高機(jī)械臂的避障性能。

2.4 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述解決問題的方案，得到了蘋果快速采收機(jī)器人結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的總體方案，如圖4所示。

圖4 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)Fig.4 The Overall Structure of Robot

機(jī)器人安裝在移動小車的車筐上，車筐用來收儲蘋果。整個采收過程如下：首先，移動小車帶動采摘裝置到果樹旁，由傳感器；視覺裝置等實現(xiàn)定位，定位后機(jī)械臂運(yùn)動使剪刀到達(dá)目標(biāo)位置，限位環(huán)將蘋果包圍，剪刀閉合剪切果梗，之后蘋果依次落入圓筒和軟管，最后到達(dá)車筐，從而完成蘋果的采收。與現(xiàn)有采摘方案相比，該方案實現(xiàn)了采收一體化，簡化了末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)械臂采摘的靈活性。

根據(jù)蘋果樹的特點，機(jī)器人采摘高度約（0.5～2.5）m；單側(cè)寬度約1.5m，車筐離地高度約0.5m，主要設(shè)計參數(shù)，如表2所示。

表2 主要參數(shù)表Tab.2 Main Parameter Table

3 機(jī)器人工作空間分析

機(jī)器人的工作空間又稱工作范圍［9-12］，它的形狀；大小是決定工作能力的關(guān)鍵因素。借助MATLAB軟件中的機(jī)器人工具箱，運(yùn)用蒙特卡洛法求得運(yùn)動空間的近似解，通過rand函數(shù)隨機(jī)生成多個末端位置坐標(biāo)點，得到工作空間云圖，如圖5所示。

圖5 機(jī)器人工作空間云圖Fig.5 The Cloud Map of Robot Workspace

從圖5可知，機(jī)器人工作空間為一個類似半環(huán)形柱狀空間，X方向行程約1.8m；Y方向行程約2.2m；Z方向行程約2.5m，配合小車的前后移動或者沿樹干轉(zhuǎn)動，可以較好的滿足蘋果采摘空間的要求。

4 機(jī)器人運(yùn)動分析

4.1 運(yùn)動學(xué)方程

采收機(jī)器人可以簡化為一系列連桿組成的開鏈機(jī)構(gòu)，采用改進(jìn)型D-H參數(shù)法建立各連桿坐標(biāo)系［9］，如圖6所示。對應(yīng)的D-H參數(shù)，如表3所示。

圖6 連桿坐標(biāo)系Fig.6 The Link Coordinate System

表3 D-H參數(shù)表Tab.3 The D-H Parameter Table

根據(jù)連桿坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)變換方法［9］，通過矩陣運(yùn)算可得相鄰坐標(biāo)系的變換矩陣如下：

式中：C2—cos（θ2）；S2—cos（θ2）；C23=cos（θ2+θ3）；S4-5=sin（θ4-θ5）；以此類推。

設(shè) 定d=0，θ2=θ3=θ5=00，θ4=900為 位 姿1，d=0，θ2=θ3=θ4=θ5=00為位姿2，如圖7所示。

圖7 位姿Fig.7 Pose

與圖6所示位姿情況一致，驗證了運(yùn)動學(xué)方程的正確性。

4.2 運(yùn)動學(xué)仿真

將機(jī)器人的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，機(jī)器人材料采用高強(qiáng)度7076鋁合金，在模型中對材料賦值并添加約束。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用STEP函數(shù)驅(qū)動，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動情況和各關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍，STEP函數(shù)設(shè)置如下：

關(guān)節(jié)2：STEP（time，4，0，5，90d）+STEP（time，5，0，6，

-90d）；關(guān)節(jié)3：STEP（time，0，0，2，120d）+STEP（time，2，

0，4，-120d）；關(guān)節(jié)4：STEP（time，0，0，2，-80d）+STEP

（time，2，0，4，80d）；關(guān)節(jié)5：STEP（time，4，0，5，60d）+

STEP（time，4，0，5，-60d）。

仿真完成后，標(biāo)記機(jī)器人末端點并繪制它的位移、速度、加速度曲線，如圖8所示。通過分析可知，運(yùn)動過程中末端點最大位移約1m；最大速度約1.3m/s；最大加速度約3.5m/s2。末端點在X；Y；Z三個方向的位移；速度；加速度隨時間變化較為平穩(wěn)，沒有較大沖擊和波動，能夠滿足蘋果采摘的要求。

圖8 末端點運(yùn)動圖Fig.8 The End Point Motion Diagram

4.3 動力學(xué)仿真

機(jī)器人運(yùn)動過程中，各關(guān)節(jié)所受力矩隨時間變化，如圖9所示。通過圖9分析可知，機(jī)械臂運(yùn)動過程中，各關(guān)節(jié)所需力矩由大到小依次是下壁關(guān)節(jié)；上臂關(guān)節(jié)；底座關(guān)節(jié)，其中下壁關(guān)節(jié)最大驅(qū)動力矩約3700Nmm；上壁關(guān)節(jié)最大驅(qū)動力矩約1700Nmm；底座關(guān)節(jié)最大驅(qū)動力矩約400Nmm。升降臺運(yùn)動過程中，擺臂關(guān)節(jié)在擺動初始和停止時刻驅(qū)動力矩突變，其他時刻驅(qū)動力矩隨時間線性變化，最大驅(qū)動力矩約1800Nmm。根據(jù)各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動力矩的變化，可為電機(jī)選型提供依據(jù)。

圖9 關(guān)節(jié)扭矩圖Fig.9 The Joint Torque Diagram

5 結(jié)語

運(yùn)用TRIZ理論，完成了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計并進(jìn)行了仿真分析。（1）通過矛盾矩陣分析，運(yùn)用分割和動態(tài)化發(fā)明原理解決了技術(shù)矛盾，得到了采收一體化方案；（2）直接運(yùn)用TRIZ中拋棄與修復(fù)；低成本替代的發(fā)明原理，簡化了末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)。（3）運(yùn)用分離原理解決了物理矛盾，得到了小型機(jī)械臂與升降平臺組合的方案，既提高了靈活性又保證了工作范圍。（4）在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上分析了機(jī)器人的工作空間，通過運(yùn)動學(xué)仿真驗證了設(shè)計方案的可行性，通過動力學(xué)仿真為電機(jī)選型提供依據(jù)。