多功能六軸機(jī)器人機(jī)械手臂采摘設(shè)計(jì)

摘要：水果采摘費(fèi)用高且勞動(dòng)量大，為了快速且準(zhǔn)確完成蘋果采摘任務(wù)，需要進(jìn)行水果采摘機(jī)械人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行采摘機(jī)械機(jī)構(gòu)選型，確定合適自由度;其次，依據(jù)典型果樹輪廓確定采摘臂結(jié)構(gòu)尺寸，繪制采摘機(jī)械手臂零件圖和裝配圖;最后，搭建采摘機(jī)械人結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行實(shí)體運(yùn)動(dòng)和抓取實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：六軸;采摘機(jī)械手臂;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人手臂的控制問題是當(dāng)今農(nóng)業(yè)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。針對(duì)果實(shí)在樹上分布范圍廣、位置隨機(jī)、自動(dòng)識(shí)別受枝葉遮擋影響的特點(diǎn)，美國、荷蘭、日本等進(jìn)行了較深入的研究，但機(jī)器人采摘作業(yè)受環(huán)境影響可靠性較低的問題仍未得到很好的解決，且機(jī)械手臂穩(wěn)定性較低，易出現(xiàn)采摘率低，樹枝、果實(shí)損傷等問題。我國在果疏采摘機(jī)器人方面也有研究， 其研究成果已在草莓和番茄收獲機(jī)器人上得到初步應(yīng)用，而對(duì)于既包含大范圍整體運(yùn)動(dòng)， 又包含小范圍振動(dòng)的蘋果采摘機(jī)器人手臂系統(tǒng)，國內(nèi)外少有文獻(xiàn)報(bào)道，僅分析了環(huán)境變量對(duì)蘋果機(jī)械手臂位置控制的影響。機(jī)械手臂在采摘過程中的穩(wěn)定性問題，是當(dāng)前亟待解決的難點(diǎn)。

1、系統(tǒng)簡介

本研究設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人手臂硬件系統(tǒng)，主要由機(jī)器人手臂本體、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及外圍電路組成如圖1所示。其中機(jī)器人手臂本體由上臂、前臂、手和肩、肘、腕各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器及其電機(jī)構(gòu)成;控制系統(tǒng)的核心器件采用深圳固高公司生產(chǎn)的GT-400-SV-PCI運(yùn)動(dòng)控制器和I/O端子板，是主機(jī)和機(jī)器人手臂本體之間聯(lián)系的橋梁;檢測系統(tǒng)以及外圍電路主要由增量式編碼器和限位開關(guān)組成。[1]

2、機(jī)械人機(jī)構(gòu)選型及自由度的確定

由于采摘機(jī)械人的作業(yè)對(duì)象是蘋果，質(zhì)量輕，體積小，故而可選擇較為簡單、靈活、緊湊的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)機(jī)械人手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可將機(jī)械人手臂部分分為以下四類：直角坐標(biāo)型機(jī)械手;圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手;球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手;多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)型式選取主要取決于機(jī)械人的活動(dòng)范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制難易等要求。以上四種型式，它們的活動(dòng)范圍和靈活度逐漸增大。經(jīng)過對(duì)蘋果采摘空間的研究，結(jié)果表明，蘋果樹樹冠和底部的蘋果分布極少，大多分布在樹冠中部，大約有80%以上的蘋果分布在距地面垂直高度 1-2m、距樹干左右方向1-2m的空間范圍內(nèi)，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。[2]這就要求采摘機(jī)械手應(yīng)當(dāng)具有較大的工作空間，因此選用多關(guān)節(jié)型機(jī)械手較為合適，且其占地面積較小，更加適合蘋果采摘作業(yè)。

3、采摘機(jī)械臂工作原理

圖2是本次設(shè)計(jì)的球類水果采摘機(jī)械人的結(jié)構(gòu)簡圖。該結(jié)構(gòu)為六自由度機(jī)構(gòu)，可劃分為底座、大臂、小臂、腕部和手五個(gè)部分。[3]機(jī)械臂的底座通過舵機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。其中的各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)均是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋絲桿來實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)機(jī)械臂的傳動(dòng)如下：（1）底座旋轉(zhuǎn)。確定與底座平面互相垂直的目標(biāo)采摘物所在的平面。（2）大臂轉(zhuǎn)動(dòng)。移動(dòng)至目標(biāo)采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉(zhuǎn)動(dòng)。將采摘機(jī)械手送至目標(biāo)采摘物的附近。（4）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)。調(diào)整機(jī)械手末端采摘機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，使其處于一個(gè)合適的位置，保證采摘任務(wù)能夠合理完成。（5）手夾緊放松，完成對(duì)目標(biāo)采摘物的采摘任務(wù)。此外，將末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)為關(guān)節(jié)型的兩只手指，通過舵機(jī)、齒輪的嚙合及連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)采摘物的夾緊與放松。

由以上分析得出：機(jī)械手的空間位姿由各個(gè)關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)來決定，即當(dāng)機(jī)械手的各個(gè)舵機(jī)的坐標(biāo)確定的時(shí)候，就可以確定機(jī)械手的空間位姿。而決定舵機(jī)坐標(biāo)的因素就是臂長及臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，而在這兩個(gè)參數(shù)中，設(shè)計(jì)結(jié)束后臂長是確定的常量，角度為變量。在模型當(dāng)中，舵機(jī)1、2 的相對(duì)位置固定不變，控制末端執(zhí)行器的舵機(jī) 6 用來調(diào)整手的姿態(tài)，因此可以先忽略舵機(jī) 1、6，將舵機(jī)2軸線中心的位置設(shè)為坐標(biāo)系原點(diǎn)。

4、結(jié)束語

本研究應(yīng)用拉格朗日方程建立了蘋果機(jī)器人手臂動(dòng)力學(xué)模型，將蘋果采摘機(jī)器人手臂的整個(gè)運(yùn)動(dòng)空間劃分為伸展區(qū)和采摘區(qū)。為保證蘋果機(jī)器人手臂在伸展過程中能量不斷增加，提出了一種基于能量的伸展控制策略，有效地解決了機(jī)器人手臂到達(dá)采摘區(qū)的穩(wěn)定性控制問題。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明：利用 LQ R 控制策略使得機(jī)器人手臂的大臂、前臂和機(jī)械手在采摘區(qū)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間 ≤2 s，驗(yàn)證了該控制策略的有效性。進(jìn)一步，還需在理論上針對(duì)該系統(tǒng)的魯棒性能進(jìn)行分析研究，以確?？刂撇呗缘目煽啃?。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯修映，張鐵中.果蔬收獲機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)器人，2005.

[2] 鐘寧帆，孫敏慧， 鄒云.奇異攝動(dòng)系統(tǒng)的 H ∞控制：基于奇異系統(tǒng)的方法[J] .控制理論與應(yīng)用， 2007.

[3] 鄒湘軍，金雙，陳燕，等.基于Modelica的采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制與建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009.

作者簡介：夏明（1996.05-），山東交通學(xué)院本科學(xué)生，指導(dǎo)老師：李光。