農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

岳鵬飛

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000）

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與加工的環(huán)境具有非結(jié)構(gòu)化環(huán)境特點(diǎn)，所以要求農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人具備機(jī)械化與智能化雙重特性[1]。農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，作為果園內(nèi)重要的采摘執(zhí)行裝置，在進(jìn)行具體的機(jī)械臂功能設(shè)計時，不僅要考慮機(jī)械臂的基本結(jié)構(gòu)，還要從動力學(xué)性能角度出發(fā)，對機(jī)械臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要動力學(xué)性能展開研究，并在動力學(xué)建模過程中，獲得機(jī)械臂的最佳設(shè)計方案。農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的智能化、自動化應(yīng)用，能夠有效降低農(nóng)民勞動力工作強(qiáng)度，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供需矛盾[2-4]。基于此，筆者從農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化與智能化應(yīng)用角度出發(fā)，以人工智能作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的前提，對農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂展開動力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模，以探究智能化機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計方案與設(shè)計策略。

1 機(jī)器人技術(shù)相關(guān)概念

在信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的整體應(yīng)用范圍內(nèi)，有關(guān)機(jī)器人的概念還沒有一個絕對權(quán)威性的定義標(biāo)準(zhǔn)[5]。近年來，機(jī)器人以典型的“機(jī)電一體化”特點(diǎn)，迅速發(fā)展壯大起來，并被應(yīng)用于各種生產(chǎn)加工領(lǐng)域之中，為各行業(yè)的自動化、機(jī)械化發(fā)展提供了大量的技術(shù)動力支持。從概念上來說，機(jī)器人技術(shù)是指應(yīng)用機(jī)器人來完善各類行業(yè)生產(chǎn)加工全過程的方法與手段。在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)能夠改善勞動力工作條件，提高農(nóng)作物產(chǎn)品種植與生產(chǎn)加工的工作效率，并能夠有效提升農(nóng)作物產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量[6]。農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式不同，可以劃分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人是最常見的一種農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式。

2 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的動力學(xué)分析

2.1 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動求解

農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的動力學(xué)分析包括兩部分，分別為機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)分析、機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)分析。而對機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)分析目標(biāo)來說，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動求解就是為了能夠獲得機(jī)械臂的正、逆動力學(xué)運(yùn)動結(jié)論。在機(jī)械臂的正、逆行運(yùn)動中，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間與農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的工作空間之間存在著一定的非線性映射關(guān)系，這種關(guān)系與機(jī)器人的末端執(zhí)行器位姿密切相關(guān)，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間與機(jī)械臂工作空間的運(yùn)動學(xué)關(guān)系如圖1所示。

在各個關(guān)節(jié)的不同姿態(tài)運(yùn)動過程中，正、逆機(jī)械臂的末端位姿呈現(xiàn)出絕對的位置上互相對應(yīng)特性，其對應(yīng)的動力學(xué)模型關(guān)系如下。

1）已知機(jī)械臂的末端位姿，可以根據(jù)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)原理，獲得機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)方程：

其中，05T為齊次變換矩陣，θi為農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的角度。

2）將含有θ1的運(yùn)動學(xué)變換矩陣部分移到機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)方程左邊，則可以推導(dǎo)出：

3）在01T轉(zhuǎn)置后，得到農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂關(guān)節(jié)的動力學(xué)矩陣如下：

2.2 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)數(shù)學(xué)建模

農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂從關(guān)節(jié)空間到末端笛卡爾空間的變換，從數(shù)學(xué)建模角度上來說，代表的是農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的正向運(yùn)動學(xué)描述。由機(jī)械臂數(shù)學(xué)坐標(biāo)系可以得知農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的各個關(guān)節(jié)角度，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步求解農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的位姿。其中，設(shè)矩陣A表示農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂連桿的齊次變換，則其對應(yīng)的代數(shù)矩陣為：

由于農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂是全旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，所以把該機(jī)械臂設(shè)置5次變換矩陣，分別為A1、A2、A3、A4、A5，則農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂末端連桿坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為：

其中，r11、r12、r13、r21、r22、r23、r31、r32、r33分別為農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂末關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的基坐標(biāo)系方向余弦（三個坐標(biāo)軸），px、py、pz為農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂末端關(guān)節(jié)的坐標(biāo)原點(diǎn)三維坐標(biāo)。則可以計算出05T中所有矩陣元素的數(shù)值為：

2.3 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃

在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的笛卡爾空間軌跡規(guī)劃過程中，設(shè)置農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的中間點(diǎn)，并通過對中間點(diǎn)坐標(biāo)的插補(bǔ)算法進(jìn)行計算，能夠得到農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的位姿，再將中間點(diǎn)機(jī)械臂的位姿轉(zhuǎn)換成與其一一對應(yīng)的關(guān)節(jié)角，則能夠在機(jī)械臂的末端規(guī)劃出關(guān)節(jié)角的控制路徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的笛卡爾空間軌跡規(guī)劃。其中，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的位姿控制過程如圖2所示。

圖2 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的位姿控制過程

3 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂構(gòu)型方案

3.1 具有垂直面栽培特點(diǎn)的農(nóng)作物

從農(nóng)業(yè)化種植的角度說，典型的具有垂直面栽培特點(diǎn)的農(nóng)作物是西紅柿作物[7]。由于西紅柿的花和葉在自然環(huán)境中呈現(xiàn)不同方式的生長規(guī)則，這使得西紅柿的水果串大都暴露在其莖葉的外面，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人能夠很好適應(yīng)這種垂直面內(nèi)栽培方式。但是，由于部分農(nóng)業(yè)種植西紅柿的品種不同，所以需要差異化考慮問題。例如：普通西紅柿一般有3～5個果實(shí)，而櫻桃西紅柿生產(chǎn)的果實(shí)是普通西紅柿的3～5倍。所以，為了提高農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的采摘速度，就需要采取科學(xué)合理的采摘方式。

3.2 具有球狀栽培特點(diǎn)的農(nóng)作物

農(nóng)作物在生長與發(fā)育過程中，呈現(xiàn)出不同形狀的發(fā)育特點(diǎn)。以水果的發(fā)育為例，很多水果的果實(shí)呈現(xiàn)球狀發(fā)育生長狀態(tài)[8]。雖然水果果實(shí)一般都生長在球形的表面，但是很多時候莖葉仍然會擋住水果果實(shí)。這使得農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂在避開障礙物采摘水果時，需要應(yīng)用很長的手臂系統(tǒng)。就柑橘類水果農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的采摘而言，由于該類型水果的果實(shí)生長方向和位置各不相同，所以需要根據(jù)果實(shí)的方向和位置，進(jìn)行采摘機(jī)器人機(jī)械臂的正確方向“行走”。而在對蘋果類水果的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂采摘過程中，不同的蘋果樹齡和不同的果樹修剪強(qiáng)度，對農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的機(jī)械臂機(jī)械化操作具有極大的影響。因此，需要對蘋果樹進(jìn)行輕度修剪，讓果樹的枝杈與果實(shí)分散開來，才能夠?qū)崿F(xiàn) 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的機(jī)械臂采摘。

4 關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的應(yīng)用設(shè)計

關(guān)節(jié)型機(jī)械臂也稱之為回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型機(jī)械臂，這種機(jī)械臂從某種意義上來說，是模仿人體上肢運(yùn)動而展開的臂力活動[9]。關(guān)節(jié)型農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的機(jī)械臂由基座、大臂和小臂三部分組成，由三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接到一起，并參照人類的上肢進(jìn)行機(jī)械臂的前、后、左、右運(yùn)動。機(jī)器人機(jī)械臂的三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)分別被定義為腰關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)。而對機(jī)器人機(jī)械臂腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，則多采用兩自由度或三自由度的機(jī)械臂設(shè)計結(jié)構(gòu)[10]。這種機(jī)械臂由于運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)太多，所以不適用于重載[11]。但由于機(jī)械臂主要用于農(nóng)業(yè)采摘，果蔬重量和體積都偏小[12]，所以采用三轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)型機(jī)械臂極為有效。

5 結(jié)語

綜上所述，筆者從動力學(xué)角度出發(fā)，建立數(shù)學(xué)動力學(xué)模型，對采摘機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計與控制完善，以期能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型果蔬的機(jī)械臂農(nóng)業(yè)機(jī)械化采摘[13]。在對采摘機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行選擇時，關(guān)節(jié)型農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂具有一定的作業(yè)優(yōu)勢，它能夠在采摘過程中合理避開障礙物，并能夠?qū)Φ乇砉哌M(jìn)行農(nóng)業(yè)采摘。關(guān)節(jié)型農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的智能性與機(jī)械性，能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)采摘帶來極大的便利，并能夠?yàn)槲覈r(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)步與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供良好的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。