攀爬式椰子采摘機(jī)設(shè)計與試驗

中圖分類號：S225.93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0001-07

Abstract：Toaddressthehighriskandlabor intensityasociatedwithcoconut harvesting，awheel-based tre-climbing harvesting robot was developed.Therationalityand functionaltyof the mechanicaldesign were verified through Adams softwaresimulations，which modeledboth vertical climbingand circular motion.Aditionally，theworkspaceof the roboticarmwas visualized toensure itmet theoperational requirements forcoconut harvesting.Theresultsof the picking test showed that within a voltage range of 12V and below，the robot's climbing speed exhibited a linear relationship with voltage，and the climbing processremained stableand met performance standards.During picking tests conducted within the voltage range of 15-24V ，the average shear time per coconut was 2.8s ，with an average picking success rate of （20 81.5% .Moreover，the picking time decreased progresively asvoltage increased.This research provides botha theoreticaland experimental validationforthedesignofcoconutharvesting machinery.Itofers practical guidance forthe future development and application of coconut harvesting robots.

Keywords：coconut；climbing picker；tree-climbing mechanism；dynamic simulation；Adams

0 引言

椰子因其營養(yǎng)豐富，口味獨特深受人們的喜愛，隨著椰子深加工的發(fā)展，椰子產(chǎn)量也在逐漸增加。目前，椰子的采摘主要依賴人工，由于其樹干高大，人工攀爬采摘難度大、危險系數(shù)高，已成為限制椰子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要障礙1。因此設(shè)計一款具有自動采摘能力的椰子采摘機(jī)十分重要。采摘椰子時需要到達(dá)椰樹頂部，再進(jìn)行剪切操作。張躍躍等2提出一種機(jī)械臂夾剪火龍果采摘機(jī)器人；鄭賢等3設(shè)計一種防墜輪式爬樹剪枝機(jī)器人。通過對不同類型的爬樹機(jī)器人4和采摘機(jī)器人5比較分析發(fā)現(xiàn)，采用環(huán)抱式結(jié)構(gòu)運動時更加穩(wěn)定，同時采用麥克納姆輪作為驅(qū)動輪，能夠?qū)崿F(xiàn)直線爬升和水平旋轉(zhuǎn)運動。

我國在椰子機(jī)械采摘領(lǐng)域的研究處于初級階段，尚未有成熟的椰子采摘機(jī)械產(chǎn)品。因此，未來椰子采摘機(jī)械應(yīng)朝著機(jī)械化、自動化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，以取代人工采摘，提高生產(chǎn)效率。為提升椰子采摘的效率和自動化程度，本文根據(jù)海南椰子特征，設(shè)計一種椰子自動采摘機(jī)，同時解決攀爬和采摘的關(guān)鍵技術(shù)問題，為椰子采摘機(jī)的制造提供理論和借鑒技術(shù)支持。

1整體設(shè)計

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

海南椰子樹的樹干直徑約 30～50cm ，果莖寬度為 1～2cm ，長度為 3～10cm ，果實直徑為 10～ 50cm 。如圖1所示，該機(jī)可攀升至椰樹的樹冠以下并實現(xiàn) 360^° 旋轉(zhuǎn)[6，有助于擴(kuò)大椰子識別范圍。

圖1整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the whole machine structure 1.固定刀片2.活動刀片3.減速電機(jī)4.關(guān)節(jié)二5.關(guān)節(jié)一 6.上左旋麥克納姆輪7.上右旋麥克納姆輪8.上連桿 9.下連桿10.下左旋麥克納姆輪11.下右旋麥克納姆輪

爬升機(jī)構(gòu)采用8個麥克納姆輪來實現(xiàn)攀爬[，分為上、下兩部分，左旋輪、右旋輪對稱布置，每個麥克納姆輪上有8個輥子。當(dāng)左旋輪、右旋輪沿 Y 軸正方向轉(zhuǎn)動時，輥子受力如圖2所示。 F_ol，F(xiàn)_o2 為麥克納姆輪與樹干接觸的輥子受到的平行于其軸線的摩擦力[8]F_y1?F_y2 為輥子受到的摩擦力沿 Y 軸方向的分力。 F_x1 、F_x2 為輥子受到的摩擦力沿 X 軸方向的分力[9]。

圖2麥克納姆輪受力示意圖Fig.2Mecanum wheel force diagram

合理的麥克納姆輪排列可以讓麥克納姆左、右旋輪運動時相互抵消某一方向的分力，從而剩下同一方向的分力來使裝置進(jìn)行預(yù)期運動。采用輥子傾角為45^° 的麥克納姆輪，并且每個輪都由1個電機(jī)控制，一共8個相同參數(shù)的電機(jī)[10]。當(dāng)裝置沿著 X 方向移動時，需保證 v_y=0m/s ，即所有麥克納姆輪正轉(zhuǎn)，以抵消Y 方向的速度分量，從而實現(xiàn)裝置的直線爬升。當(dāng)裝置繞樹干做周向旋轉(zhuǎn)運動時，需保證 v_x=0m/s ，即有4個左旋輪（右旋輪）正轉(zhuǎn)，4個右旋輪（左旋輪）反轉(zhuǎn)來抵消 X 方向的分速度，從而使裝置做周向旋轉(zhuǎn)運動[11]。

如圖3所示，直線爬升時，右旋輪A正向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向右上方的分力，同時左旋輪B正向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向左上方的分力，此時左、右方向的分力互相抵消，從而實現(xiàn)裝置直線上升[12]。需要裝置橫向運動時，以左旋為例，如圖4所示，右旋輪A反向旋轉(zhuǎn)，同時左旋輪B正向旋轉(zhuǎn)，各個輪上、下方向的分力抵消，裝置實現(xiàn)左旋運動[13]。

剪切機(jī)構(gòu)由機(jī)械臂和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械臂具有4個自由度，各關(guān)節(jié)示意圖如圖5所示，采用D—H法建立機(jī)械臂坐標(biāo)系[14]。在關(guān)節(jié)1、2、3和4處依次建立坐標(biāo)系，其中末端執(zhí)行器為坐標(biāo)系 x₄O₄y₄₀ a_i 為連桿長度， δ_i 為繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)角度， d_i 為關(guān)節(jié) i 的偏置， θ_i 為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。機(jī)械臂D—H參數(shù)如表1所示[15]

圖5機(jī)械臂關(guān)節(jié)示意圖Fig.5Schematicdiagram of roboticarm joints

表1剪切機(jī)械臂D一H參數(shù)表

Tab.1 Shear arm D一 ?H parameter table

如圖6所示，采用直流減速電機(jī)驅(qū)動，剪刀尾部采用弧型錐齒輪機(jī)構(gòu)，配合控制系統(tǒng)完成剪刀往復(fù)擺動，最大剪切直徑為 50mm ，提高剪切成功率[16]

圖6剪切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.6Schematic diagram of the shearing mechanism structure1.電機(jī)2.行星齒輪減速器3.弧型錐齒輪副4.動刀片5.定刀片

1.2末端執(zhí)行器工作空間

機(jī)械臂工作空間是指末端執(zhí)行器可以自由運動的三維空間范圍[1]。通過在關(guān)節(jié)空間內(nèi)隨機(jī)生成一個關(guān)節(jié)變量，然后通過正運動學(xué)函數(shù)計算相應(yīng)的變換矩陣，進(jìn)而得到三維坐標(biāo)。通過多次反復(fù)迭代，近似地構(gòu)建機(jī)械臂的工作空間[18]。設(shè)機(jī)械臂長度 a₂、a₃、a₄ 分別為 0.28m 、0.225m.0.2m ，由于各個關(guān)節(jié)具有機(jī)械限位，需要對各個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行限制，確保機(jī)械臂在正常范圍內(nèi)工作。使用MATLAB機(jī)器人工具箱中的Rand函數(shù)，該函數(shù)會在 0～1 之間返回1個單獨的、均勻分布的隨機(jī)數(shù)字rand，因此各個關(guān)節(jié)空間隨機(jī)變量 個關(guān)節(jié)相應(yīng)生成4個隨機(jī)變量，得到完整矩陣 通過正運動學(xué)函數(shù)得到變換矩陣，然后提取位移矩陣，賦值給 q₁～q₄ ，循環(huán)迭代10000次，最終得到機(jī)械臂工作空間視圖如圖7所示?？梢钥闯觯瑱C(jī)械臂的工作空間能夠滿足剪切要求。

1.3椰子果梗識別及剪切點定位方法

YOLACT實例分割法屬于單階段模型，計算成本低且精度高，基于實例分割的椰子果梗視覺識別方法如圖8所示。采用殘差網(wǎng)絡(luò)（ResNet—101）和特征金字塔網(wǎng)絡(luò)（FPN）作為特征提取網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練椰子串和果梗的檢測模型，殘差網(wǎng)絡(luò)基于殘差模塊允許信息在不同深度之間流動，使網(wǎng)絡(luò)能夠更好地提取圖像特征[19]，將圖像調(diào)整為550像素 ×550 像素后輸入特征提取網(wǎng)絡(luò)，提取椰子串和果梗的重要特征；預(yù)測模塊對特征提取網(wǎng)絡(luò)輸出的重要特征進(jìn)行整合與利用，由預(yù)測頭分支輸出各類候選框的類別置信度及位置信息和原型掩膜的掩膜系數(shù)，原型掩膜和相應(yīng)的掩膜系數(shù)進(jìn)行組合得到椰子和果梗的掩膜；后處理模塊通過非極大值抑制、掩膜過濾、裁剪和二值化處理得到最終的掩膜結(jié)果與感興趣區(qū)域（ROI）[20]。

對果梗掩膜進(jìn)行細(xì)化處理，提取骨骼線并計算骨骼線圖中間行（或列）中第1個像素非零點 （x_c，y_c） ，剪切點圖像坐標(biāo) （ρ_x，ρ_y） 為 （x_i+x_c，y_i+y_c） ，其中 X_i 和 y_i 分別為椰子果梗左上角頂點坐標(biāo)值，剪切點深度坐標(biāo)值 ρ_z 由相機(jī)深度圖像信息獲取。由于椰子果梗體積較小，獲取 ρ_z 點數(shù)值時誤差較大，設(shè)果梗圖像坐標(biāo)點的深度為 d_{（x，y）} ，計算果梗掩膜所有像素點深度之和，由于存在像素點識別不準(zhǔn)確的問題，因此只計算0mm（x，y）lt;800mm ，并求其平均值 d_{（x，y）} ，以此為最優(yōu) ?_z 值，極大提高剪切點深度信息的精度。如圖9所示，以剪切點O為坐標(biāo)中心，向骨骼線兩端擴(kuò)展10個非0像素點，擴(kuò)展后兩端點為 （x_a，y_a） 、（x_b，y_b） ，將椰子果梗剪切點斜率近似用兩端點斜率代替。果梗傾斜角 θ 計算如式（1）所示。

通過果梗傾斜角計算出剪切角度 α 。機(jī)械臂末端執(zhí)行器初始剪切角度 α=0^° ，與地面平行。為減小末端執(zhí)行器的容錯性，應(yīng)選擇對應(yīng)剪刀切口最大角度，即執(zhí)行剪切前末端剪切器角度與椰子果梗傾斜角度垂直。剪切角計算如式（2）所示。

獲取剪切點坐標(biāo) P=（p_x，p_y，p_z） 后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，利用張氏標(biāo)定法獲取深度相機(jī)坐標(biāo)系到機(jī)械臂坐標(biāo)系的齊次變換矩陣 T_c^R ，將點 P 由深度相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機(jī)械臂坐標(biāo)系，得到剪切點在機(jī)械臂坐標(biāo)系下的坐標(biāo) ，即

采摘過程中，獲取剪切點坐標(biāo)和椰子果梗傾斜角θ ，規(guī)劃機(jī)械臂剪切路徑，避免與椰子發(fā)生干涉并以合適姿態(tài)接近剪切點，根據(jù)剪切角 α 調(diào)整末端執(zhí)行器剪切姿態(tài)，最后完成采摘。

2 仿真分析

2.1爬樹機(jī)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)仿真

在爬升機(jī)構(gòu)攀爬過程中會與樹干直接接觸。為驗證其穩(wěn)定性是否滿足工作要求，運用Adams進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)具體工作條件，進(jìn)行直線上升和水平旋轉(zhuǎn)2種工作模式的仿真驗證分析。

裝置選用B類油淬火回火碳素彈簧鋼絲作為彈簧材料，其彈簧絲直徑為 4mm 。經(jīng)測試，該彈簧的抗拉強(qiáng)度極限達(dá) 1 520MPa ，切變模量為 7.9×10⁴MPa ，校核結(jié)果表明其滿足設(shè)計要求。驅(qū)動輪對稱分布，每個麥克納姆輪受力大小相同，建立驅(qū)動輪力矩平衡方程

T_t=F_q?r+T_n=F_q?r+F_n?μ_n?r

F_t=F_q+F_n?μ_n

F_n?μ_n+M+mg?F_t?F_n??+F_n?μ_n

式中： F_q 驅(qū)動輪的切向力， N 5M? 外負(fù)載，N；m 驅(qū)動輪自重， kg ：T_r 驅(qū)動輪的總扭矩， N?m ：r 驅(qū)動輪的半徑， m ：T_n? 摩擦力矩， N?m 5F_n 法向力，N；μ_n 靜摩擦系數(shù)；F₁ 1 -電機(jī)提供的驅(qū)動力，N；? 一 附著系數(shù)。

其中，取驅(qū)動輪與樹干接觸靜摩擦因數(shù)為0.4，附著系數(shù) ? 為0.7，樹干和驅(qū)動輪滾動摩擦系數(shù)取0.2。計算可得 F_n?83.3 N，取 F_n=150 N，計算得26.1 N?F_t?141.1 N，電機(jī)需提供驅(qū)動力矩為4.5N?m 。

將UG中建立的三維模型導(dǎo)人到Adams中，定義各個部件材料屬性以及摩擦因數(shù)。外框架以及輪架、麥克納姆輪輪轂等部件采用金屬材料，由于其材料性能以及密度相近，因此定義其密度為 2 700kg/m³ 。麥克納姆輪材料為橡膠，定義密度為 1000kg/m³ ，與樹干摩擦因數(shù)定義為0.45。重力加速度為 9.8m/s² 。添加機(jī)構(gòu)約束，共有8個輪架，每個輪架裝有1個麥克納姆輪，每個麥克納姆輪上有8個輥子，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)添加旋轉(zhuǎn)副，并將樹干與地面建立固定約束，結(jié)合實際情況，樹干設(shè)立大小兩處凸起。

由圖10可知，輪架與驅(qū)動輪連接處作用力呈現(xiàn)波動狀態(tài)，在 150N 上下波動，峰值出現(xiàn)在23s處，峰值接觸力大小為 860N 。由圖10（d）可知，大側(cè)凸起輪架與機(jī)身接觸力峰值為 350N ，均在材料承受合理范圍。圖11為在順時針旋轉(zhuǎn)時各關(guān)節(jié)的受力情況。

由圖11可以看出，在旋轉(zhuǎn)過程中，受力波動在相對穩(wěn)定范圍內(nèi)，最大作用力為 270N 。與直線爬升相比，旋轉(zhuǎn)過程中的作用力明顯較小。在直線爬升和旋轉(zhuǎn)過程中，驅(qū)動輪和輪架以及輪架和機(jī)架連接處的作用力都由于麥克納姆輪輥子與樹干的周期性動態(tài)接觸而發(fā)生周期性的穩(wěn)定波動，這屬于麥克納姆輥子的接觸特性，且均處于合理范圍。

2.2機(jī)械臂運動學(xué)仿真

給定一個關(guān)節(jié)變量，會得到一個相應(yīng)的變換矩陣， R 表示坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)狀態(tài)， p 表示當(dāng)前坐標(biāo)系相對于原坐標(biāo)系的位置關(guān)系，得到 化簡得機(jī)械臂末端執(zhí)行器的速度矢量 ，其中， J 為關(guān)節(jié)變量 q 的雅可比矩陣， 為空間中的關(guān)節(jié)速度矢量。

機(jī)械臂從初始位置（0，0，0.7）到末端位置 （-0.3 0.5，0.2）的運動過程中，采用五次多項式插值進(jìn)行控制。運動總時長為 2s 。圖12為關(guān)節(jié)變量曲線、關(guān)節(jié)角速度曲線和關(guān)節(jié)角加速度曲線的仿真結(jié)果，顯示機(jī)械臂各關(guān)節(jié)在運動過程中角度的變化情況，可以看出，各關(guān)節(jié)的角度隨著時間的推移逐漸變化，最終達(dá)到目標(biāo)位置的角度。曲線的平滑性表明機(jī)械臂的運動是連續(xù)且無突兀變化的，說明控制策略能夠有效地引導(dǎo)關(guān)節(jié)按照預(yù)期軌跡運動。關(guān)節(jié)角速度曲線顯示各關(guān)節(jié)角速度的變化情況，開始和結(jié)束時速度為0，中間階段速度逐漸增加到最大值后又減小到0，符合五次多項式插值控制的預(yù)期，即機(jī)械臂在運動初期加速，中間段以較高速度運動，接近目標(biāo)位置時減速，保證運動的平穩(wěn)性。關(guān)節(jié)角加速度曲線展現(xiàn)各關(guān)節(jié)角加速度變化情況，初期角加速度逐漸增加，中間段保持相對穩(wěn)定，后期角加速度逐漸減小到0。這種角加速度的變化與角速度曲線的變化相匹配，進(jìn)一步驗證了五次多項式插值控制的有效性，確保機(jī)械臂運動過程中加速度的連續(xù)性和無沖擊性。

圖13為末端姿態(tài)角度的仿真結(jié)果，即末端執(zhí)行器在 X，Y，Z 軸上的旋轉(zhuǎn)角度 （θ_x，θ_y，θ_z） 變化，曲線平穩(wěn)且連續(xù)，說明末端執(zhí)行器的姿態(tài)變化過程平穩(wěn)，沒有突兀的旋轉(zhuǎn)，圖14為末端平動速度的仿真結(jié)果，即末端執(zhí)行器在三維空間中沿 X，Y，Z 軸的速度 （v_x，v_y，v_z） 變化。在整個運動過程中，機(jī)械臂的初末速度均為0，曲線平滑，運動過程中沒有突變或沖擊，表現(xiàn)出良好的平穩(wěn)性。

3控制系統(tǒng)設(shè)計

椰子采摘系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)組成。雙目相機(jī)采用KinectV2相機(jī)進(jìn)行圖像采集，并在Windows系統(tǒng)下進(jìn)行圖像處理與定位。機(jī)械臂與末端執(zhí)行器采用STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行控制。圖15為下位機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。剪切控制流程如圖16所示。

單片機(jī)接收上位機(jī)的位置信息，控制機(jī)械臂末端到達(dá)指定位置并執(zhí)行剪切操作。末端剪切機(jī)構(gòu)采用直流減速電機(jī)提供動力，單片機(jī)IO輸出低電平信號時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，導(dǎo)致剪刀閉合。當(dāng)剪刀完全閉合后，霍爾位置傳感器1會由高電平信號切換為低電平信號，單片機(jī)收到這一信號并發(fā)出電機(jī)反轉(zhuǎn)指令，導(dǎo)致剪刀張開。當(dāng)剪刀完全張開后，霍爾位置傳感器2由高電平信號變?yōu)榈碗娖叫盘?，此時電機(jī)停止運動，完成一次剪切動作。

4試驗測試

根據(jù)前期建立的三維模型進(jìn)行樣機(jī)制作，該樣機(jī)采用兩片L9110S四路直流電機(jī)驅(qū)動模塊，分別驅(qū)動上下4個 JGA25-370 型直流減速電機(jī)。該電機(jī)額定電壓為 12V ，額定扭矩為 7N?m ，滿足試驗要求。使用直徑為 120cm 、長度為 1m 的PVC管，外層包裹硬質(zhì)聚乙烯，模擬椰子采摘裝置攀爬椰樹的情景如圖17所示。

圖17樣機(jī)采摘試驗

攀爬速度對椰子采摘效率產(chǎn)生顯著影響，裝置的攀爬速度與電壓相關(guān)。在 5～12V 的電壓下測試攀爬速度，試驗結(jié)果如圖18所示，電壓越高，攀爬速度越快；在電壓不超過 12V 的情況下，電壓與攀爬速度呈正相關(guān)線性關(guān)系，同時滿足穩(wěn)定攀爬的要求。

圖18電壓與攀爬速度 Fig.18 Voltage and climbing speed

對于末端執(zhí)行器進(jìn)行不同電壓下的剪切試驗，電壓范圍為 15～24V 。試驗分為4組，分別使用 15V 、18V.21V 和 24V 的電壓，每組進(jìn)行15次剪切試驗，針對果梗直徑為 25～35mm 的椰子進(jìn)行60次剪切試驗。以每組成功剪切所需時間的平均值作為該組單果剪切時間，計算成功剪切的次數(shù)與總剪切次數(shù)的比值，即采摘成功率。剪切試驗結(jié)果如表2所示。

表2剪切試驗結(jié)果Tab.2 Shear experiment results

試驗結(jié)果顯示，在 15～24V 的電壓范圍內(nèi)，單果剪切時間為 2.6～3.1s ，采摘成功率超過 80% 。單果平均剪切時間為2.8s，平均采摘成功率為 81.5% ，且隨著電壓的升高，采摘時間呈逐漸縮短的趨勢。

5 結(jié)論

1）針對椰子生長特性以及采摘要求，設(shè)計一種椰子采摘機(jī)構(gòu)，進(jìn)行運動仿真，制作樣機(jī)進(jìn)行試驗。在實驗室環(huán)境下，使用 5～12V 電壓測試攀爬機(jī)構(gòu)的垂直爬升性能。

2）試驗結(jié)果表明，當(dāng)電壓在 12V 以下時，攀爬速度與電壓呈線性關(guān)系，電壓越高，速度越快，且能夠滿足穩(wěn)定性要求。

3）分別使用 15V，18V，21V 和 24V 的電壓進(jìn)行采摘試驗。試驗結(jié)果表明，當(dāng)電壓值為 15～24V 時，單果平均剪切時間為2.8s，平均采摘成功率為81.5% ，且隨著電壓升高，剪切時間逐漸縮短。

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