農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)研究

趙偉冬

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)擁有了較高的自動(dòng)化水平，而農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人作為現(xiàn)代新興的機(jī)械設(shè)備仍處于研究階段[1]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人包含的部件類型多種多樣，機(jī)械臂便是其中十分重要的一種。為了使得農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人可以更好地滿足不同環(huán)境與工況下的應(yīng)用需求，國(guó)內(nèi)外許多專家、學(xué)者都針對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人進(jìn)行了深入的探究[2]。美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家學(xué)者希望通過(guò)視覺(jué)傳感器建立準(zhǔn)確、高效的農(nóng)產(chǎn)品自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，著重解決水果、蔬菜等無(wú)人化采摘問(wèn)題；我國(guó)的專家學(xué)者根據(jù)水果、蔬菜等不同農(nóng)產(chǎn)品的特征與作業(yè)要求，提出了采用機(jī)械臂完成農(nóng)業(yè)作業(yè)?；诖?，進(jìn)一步加大對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研究力度，創(chuàng)新與改進(jìn)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出更加高效的新型技術(shù)，尤為重要。

1 機(jī)械臂機(jī)構(gòu)原理

1.1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)求解

機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)分析需要從兩個(gè)方面進(jìn)行，即正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[3]。從農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析層面來(lái)看，其機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)求解的目的是希望得到機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩種運(yùn)動(dòng)的結(jié)論[4]。在機(jī)械臂實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間和機(jī)器人工作空間有著較為緊密的非線性映射關(guān)系，并且這種關(guān)聯(lián)還和機(jī)器人尾端執(zhí)行設(shè)備位姿密切相關(guān)，總的來(lái)說(shuō)，機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間和工作空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系如圖1所示。

圖1 機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間和工作空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系

機(jī)器臂結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)以相應(yīng)姿勢(shì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，正機(jī)械臂的尾端位姿與逆機(jī)器臂的尾端位姿在位置上存在一定的關(guān)聯(lián)性，和其相匹配的動(dòng)力學(xué)模型關(guān)系重點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）當(dāng)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的尾端位姿是明確的，這時(shí)結(jié)合各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)工作原理，能夠得到機(jī)械臂相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，如式（1）所示：

公式（1）中，表示齊次變化矩陣，θi表示機(jī)械臂不同關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

2）把和θ1相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化矩陣變化到運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的左側(cè)，這時(shí)能夠獲得公式（2）：

1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)建模

從數(shù)學(xué)建模層面來(lái)分析，機(jī)械臂從之前的關(guān)節(jié)空間轉(zhuǎn)化到尾端笛卡爾空間，實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)的是機(jī)械臂的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)情形[5]。基于機(jī)械臂數(shù)學(xué)坐標(biāo)系能夠獲取到不同關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在此前提下能夠獲得機(jī)械臂尾端坐標(biāo)系的準(zhǔn)確位姿。假設(shè)機(jī)械臂連桿的齊次變化用矩陣A來(lái)體現(xiàn)，這時(shí)能夠獲得如式（4）所示的代數(shù)矩陣[6]：

因?yàn)闄C(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)均是能夠任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此將其規(guī)劃成5 類變化矩陣，即A1～A5，這時(shí)可獲得機(jī)械臂尾端的齊次變化矩陣，如式（5）所示：

公式（5）中，各個(gè)不同類型r表示機(jī)械臂尾端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系X軸、Y軸以及Z軸三個(gè)方向的余弦，px、py以及pz分別代表機(jī)械臂尾端關(guān)節(jié)在X軸、Y軸、Z軸原點(diǎn)的坐標(biāo)。這時(shí)能夠獲得中各個(gè)矩陣元素的數(shù)據(jù)，如式（6）所示：

1.3 機(jī)械臂笛卡爾空間軌跡設(shè)置

在實(shí)際進(jìn)行機(jī)械臂笛卡爾空間軌跡設(shè)置過(guò)程中，選取機(jī)械臂的中間位置點(diǎn)，同時(shí)將插補(bǔ)算法應(yīng)用到該點(diǎn)坐標(biāo)核算中，這時(shí)可以獲得機(jī)械臂的位姿，之后把中間點(diǎn)機(jī)械臂的位姿變化為與之相匹配的關(guān)節(jié)角，從而在機(jī)械臂尾端處確定好關(guān)節(jié)角的控制策略，最終完成機(jī)械臂笛卡爾空間軌跡設(shè)置[7]。機(jī)械臂位姿控制流程如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂位姿控制流程

2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)

本研究中機(jī)械臂結(jié)構(gòu)使用的是雙關(guān)節(jié)串聯(lián)，總共包含了6 個(gè)自由度，涵蓋了視覺(jué)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及控制模塊等。具體來(lái)說(shuō)，控制模塊涵蓋了電機(jī)、視覺(jué)系統(tǒng)以及開(kāi)關(guān)等多種模塊[8]。采摘機(jī)器人機(jī)械臂尾端的夾持裝置處設(shè)置有兩個(gè)串聯(lián)的圓柱形橡膠塊，同時(shí)將視覺(jué)傳感器以及編碼器等放置在橡膠塊上。末端夾持裝置以伺服電機(jī)為動(dòng)力單元，帶動(dòng)夾持裝置圓桿旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將物體穩(wěn)固夾持起來(lái)。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的工作環(huán)境多為戶外，環(huán)境條件不好，為了確保采摘機(jī)器人能夠穩(wěn)定工作，可在機(jī)械臂上設(shè)計(jì)噴霧機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抓取目標(biāo)的清洗。機(jī)械臂在實(shí)際工作過(guò)程中，為了避免較大外力對(duì)其造成損傷，在其尾端夾持裝置上設(shè)計(jì)限位器。在視覺(jué)和驅(qū)動(dòng)模塊中間規(guī)劃有包含電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)的傳動(dòng)裝置；在機(jī)械臂尾端的夾持裝置和視覺(jué)模塊中間規(guī)劃有包含電動(dòng)機(jī)和油缸的傳動(dòng)裝置；為了更好地降低采摘過(guò)程中的振動(dòng)，機(jī)械臂底座和機(jī)械臂連接位置設(shè)計(jì)有減震墊。另外，由于農(nóng)業(yè)果實(shí)的硬度存在較大差異，在機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)處給予了不等的力矩，以改善果實(shí)采摘的質(zhì)量[9]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 機(jī)械臂尾端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

在進(jìn)行機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，尾端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是十分重要的參數(shù)[10]。結(jié)合機(jī)械臂尾端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間與力學(xué)性能等，選取科學(xué)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角，在此基礎(chǔ)之上得到機(jī)械臂尾端執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大運(yùn)動(dòng)位置。若機(jī)械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是800°/s，可以確保末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定地夾持住果實(shí)，并在運(yùn)動(dòng)中不會(huì)出現(xiàn)掉落情況。事實(shí)上，機(jī)械臂尾端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與相應(yīng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度之間有著緊密的聯(lián)系。當(dāng)機(jī)械臂手指轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是800°/s 時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是180°，并且需要施加的力矩大小為10.2 N·m；當(dāng)機(jī)械臂手指轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是1 200°/s 時(shí)，需要施加的力矩大小為13.5 N·m，這種設(shè)計(jì)可以滿足機(jī)械臂尾端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)需求。就農(nóng)業(yè)種植方面而言，西紅柿是最為常見(jiàn)的垂直面栽培作物。因?yàn)槲骷t柿花與葉的生長(zhǎng)規(guī)律并不統(tǒng)一，導(dǎo)致西紅柿果實(shí)通常出現(xiàn)在莖葉外側(cè)，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)這種類型作物的采摘。然而，因?yàn)槲骷t柿存在多個(gè)品種，還需要針對(duì)不同西紅柿進(jìn)行差異化設(shè)置。例如，正常西紅柿的果實(shí)數(shù)量為4 個(gè)左右，但櫻桃西紅柿的果實(shí)數(shù)量能夠達(dá)到十幾個(gè)。因此，為了能夠獲得更快的采摘速度，應(yīng)當(dāng)要注意規(guī)劃適宜的采摘方案。

3.2 機(jī)械手抓取精度

農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人通過(guò)控制機(jī)械臂動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的精準(zhǔn)抓取，當(dāng)定位誤差較大時(shí)，極易造成機(jī)械手無(wú)法準(zhǔn)確抓取到目標(biāo)。為了更好地驗(yàn)證本研究中設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械手的抓取精度，把機(jī)械臂和移動(dòng)平臺(tái)放置到離目標(biāo)物體2.5 m 位置處開(kāi)展抓取試驗(yàn)，從而驗(yàn)證機(jī)械手的實(shí)際抓取精度。本機(jī)械臂尾端的機(jī)械手是一種雙指夾持型結(jié)構(gòu)，能夠在較小工作空間內(nèi)使用，同時(shí)可以滿足不同規(guī)格目標(biāo)物體的抓取要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械手夾持裝置通過(guò)平移方式運(yùn)動(dòng)到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)，機(jī)械臂尾端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位置和理論位置之間的誤差值未超過(guò)0.01 mm。從而可以看出，本文開(kāi)發(fā)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人6 自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)實(shí)際的使用空間與運(yùn)動(dòng)范圍，擁有很高的運(yùn)動(dòng)精度，可以滿足農(nóng)作物果實(shí)采摘要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究基于動(dòng)力學(xué)原理創(chuàng)設(shè)了數(shù)學(xué)動(dòng)力模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的開(kāi)發(fā)和控制，該機(jī)械臂能夠滿足不同類型農(nóng)業(yè)果實(shí)的采摘要求。仿真結(jié)果表明，該機(jī)械臂能夠準(zhǔn)確定位待抓取目標(biāo)，并且可以順利完成抓取動(dòng)作，機(jī)械臂尾端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位置和理論位置之間的誤差值未超過(guò)0.01 mm。