果實采摘機械手的結構設計及工作能力研究

陳艷艷，申東東

(鶴壁職業(yè)技術學院 機電工程學院，河南 鶴壁 458030)

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果實采摘機械手的結構設計及工作能力研究

陳艷艷，申東東

(鶴壁職業(yè)技術學院 機電工程學院，河南 鶴壁 458030)

隨著社會經濟水平的不斷提高，我國農林業(yè)取得長足發(fā)展，果農在種植水果時開始逐漸引進機械化、自動化設備，以提高種植效率。傳統(tǒng)收獲時果農最為繁忙的季節(jié)就是成熟季，果農常需要花費大量人工采摘果實，不僅效率低，且有一定危險性，采摘機器人便在這樣的背景下誕生了。為此，針對采摘機器人的工作原理、工作空間，結合采摘作業(yè)實際需求，進行采摘機械手的結構設計及工作能力評價，旨在為相關產業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)。

果實采摘機械手；結構設計；工作能力

0 引言

隨著我國農業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷壯大，對相關技術多樣化、精準化、高效化的要求更為迫切，農業(yè)開始逐漸實現(xiàn)機械化及智能化。目前，農業(yè)機器人已經在農業(yè)生產中發(fā)揮重要作用，通過機器人可實現(xiàn)農業(yè)育苗、種植、移栽、組織培養(yǎng)及果實收獲等作業(yè)，并展現(xiàn)出廣闊的應用前景。機器人可提升果實采摘效率，降低采摘過程中造成的損傷率。統(tǒng)計表明：果實采摘占據(jù)整個農業(yè)生產費用接近50%。為降低過時采摘成本，提高農民收入，研制果實采摘機器人成為農業(yè)發(fā)展重要一環(huán)。目前，歐美發(fā)達國家已經開始使用果實采摘機器人輔助果農展開果實采摘作業(yè)。例如，荷蘭已經開始使用黃瓜采摘機器人。水果采摘機器人具有較強通用性，主要基于水果采摘方式較為類似。隨著我國水果種植量不斷增加，果園面積與日俱增，研制并使用果實采摘機器人協(xié)助生產已經成為大勢所趨。

1 果實采摘機器人研制的難點

相比于工業(yè)機器人，果實采摘機器人在工作上存在一定難度。首先，果實采摘機器人的作業(yè)對象復雜程度高。不同于工業(yè)生產，果實具有一定柔軟性，同一果樹上發(fā)育程度不同，各種物理及機械特性差異大，果實采摘機器人缺乏人類自主判斷能力，在采摘過程中要避免傷到果樹及果實有一定難度。農作物隨時間和季節(jié)變化較大，由此導致果實采摘機器人作業(yè)環(huán)境具有多變性。果實成熟時一般都是夏秋季節(jié)，果樹枝繁葉茂，很多果實重疊生長，果實采摘機器人難以發(fā)現(xiàn)被隱藏在內部的果實，且采摘機器人需要在采摘過程中識別枝葉和果實，并能夠成功避開障礙采摘果實。不同于工業(yè)機器人使用需進行專業(yè)培訓，使用果實采摘機器人的對象均為農民，文化程度較低，難以操作現(xiàn)代化程度較高的機器人，因此要求機器人操作具有一定的人性化特點，只需要進行簡單操作便可執(zhí)行相關動作。

由于果實采摘機械手在程序及感應能力上有較高要求，制造成本較高，對農民而言難以接受，因此需要研制出低成本、高效、人性化及智能化果實采摘機械手，就技術層面來看難度較大。

2 果實采摘機械手結構設計

基于果實采摘機械手需求，結合我國果實采摘實際狀況展開果實采摘機械手設計。從已有經驗來看，當前有兩種機械手結構較為實用：一是柔性撥簧式采摘工作裝置；二是直流變頻振動式采摘工作裝置。第2種機械手是目前使用較多的形式，也是本文采用的設計方式。直流變頻振動式采摘工作裝置具有穩(wěn)定性強、結構科學易操作等特點，如圖1所示。

機械手作為果實采摘機器人最關鍵部位，其結構及相關參數(shù)必須設計合理，才能夠保證采摘作業(yè)的有效完成。在進行機械手設計前必須確定相關參數(shù)，如機械手的自由度、關節(jié)數(shù)、機械配置及組成形式等。從經驗來看，其自由度一般不少于6。其中，有3個自由度是決定機械手位置的關節(jié)，可以是旋轉關節(jié)或移動關節(jié)。關節(jié)形式可多種多樣，一般有4種基本形式，分別為關節(jié)型、圓柱坐標、直角坐標及極坐標。美國在進行番茄采摘機器人研究時，主要采用仿生學原理模仿人類手臂執(zhí)行采摘作業(yè)，并可實現(xiàn)一些難度較高的作業(yè)，其結構如圖2所示。其通過手腕繞固定軸旋轉能夠實現(xiàn)多個復雜動作，真正實現(xiàn)人體仿生，將機械手臂分為手腕和手臂兩部分，結合適當驅動可做出各種復雜動作。

1.采摘手柄 2.支撐支撐座右銘 3.護罩殼 4.偏心轉軸 5.偏心輪

1.機械手末桿關節(jié) 2.末端執(zhí)行器 3.采摘目標

確定工作裝置后即可對機構進行選型。機械手基本結構為空間鏈式，相比于工業(yè)機器人作業(yè)環(huán)境，果實采摘機器人在作業(yè)環(huán)境復雜性及不確定性上更上一層，因此在進行果實采摘機械手選型時主要注重以下幾點：首先，機械手必須具備最優(yōu)工作空間；機械手需要應對不同種類果實采摘工作，因此只有具備足夠工作空間才能提高通用性。機器人作業(yè)時，其機械手臂圍繞轉動關節(jié)作業(yè)，其活動范圍如圖3所示。

圖3 機械手臂活動范圍

從圖3可以看出：機械手臂活動范圍主要為繞其關節(jié)轉動的球形幾何體范圍內。因此，當手臂關節(jié)到頂點處長度L越長，其工作范圍越大。此時，若再擁有足夠自由度，便可實現(xiàn)自由旋轉及伸縮，通用性良好。機械手臂工作空間可用公式為

Vn= V (4L3/3)

Vn為體積指標；V為工作空間的體積；L為機械手臂關節(jié)到頂點總長度；為自由度。

本文采用自由度為6的機械手臂，經計算其機械手臂長度取3.4m最佳。

機械手臂不僅要具備一定工作空間，還需要具備一定人工智能系統(tǒng)，要具備的最基本能力為自動避障。植物莖葉生長具有一定隨機性，因此機械手臂在采摘過程中需要避免傷到莖葉，同時需要避免莖葉對采摘工作帶來的不便。驅動系統(tǒng)需要結合智能控制系統(tǒng)選擇合適行進路線及手臂運動形式。本文采用傳感器結合單片機控制系統(tǒng)，從根本上改變傳統(tǒng)采摘機械手智能化低下的現(xiàn)狀。通過輸入程式控制機械手，操作人員可通過攝像頭觀測到的狀況對機器手進行調整。對一般狀況，機械手可自行做出準確判斷；對于一些突發(fā)狀況，可自動啟動緊急狀況預警系統(tǒng)，停止作業(yè)并將信號傳遞到操作人員，操作人員可現(xiàn)場判斷并做出決策。機械手作業(yè)程序較為復雜，其工作流程如圖4所示。

圖4 果實采摘機器手臂工作流程圖

機械手最為關鍵的是抓取結構，由于果實存在各種不同形狀，采摘過程中要求機械手具有較強柔性。本文結合常見果實形狀，設計出一種柔性較高可調節(jié)抓取結構的機械手，如圖5、圖6所示。

圖5 機械手結構1

圖6 機械手結構2

這兩種結構分別應對不同形狀果實，只要根據(jù)具體要求更換機械手抓取機構即可。抓取機構更換簡單，且通過通用程式調節(jié)。機械手結構1針對長條狀果實有良好采摘效果，如各種黃瓜、絲瓜等。若遇到類似球形果實，可將機械手更換為機械手結構2，四爪機構能夠有效將球狀果實抓住，保證4個接觸點具有相同受力。果實采摘機器人工作時，主要由夾持裝置抓取需要采摘對象，并由驅動裝置為其提供工作所需要的動力。壓力傳感器可控制夾持裝置夾取果實的壓力，確保果實可以被有效摘取卻不對果實外表及內部造成刮傷及夾傷。自由伸縮及切割裝置可控制末端執(zhí)行器自由伸縮，進行果實采摘及放置工作。

3 果實采摘機械手數(shù)據(jù)分析

果實采摘機械手的運動需要結合被采摘對象進行數(shù)據(jù)分析，只有通過科學的數(shù)據(jù)分析才能夠在根本上保證采摘工作順利展開。大多數(shù)果實均為橢圓形，因此本文以蘋果為例展開數(shù)據(jù)分析。

首先，分析蘋果形變時的彈性性能。蘋果收到機械手擠壓力作用會發(fā)生彈性形變，抓取過程中只要蘋果不運動，其動力勢能不變，機械手機械能轉變?yōu)樘O果形變勢能。假設空間直角坐標系為xyz，δx、δy、δz、Txz、Tyz、Tzx分別為6個應力分量，其中δx、δy、δz為3個方向正應力，γxz、γyz、γzx為切應力，ξx、ξy、ξz為線應變。由此計算應變能密度，則

vξ=1/2(δxξx+δyξy+δzξz+Txzγxz+Tyzγyz+Tzxγzx)

通過積分表示蘋果形變勢能Vξ為

Vξ=∫∫∫vξdxdydz，由此可解得

Vξ=1/2(δxξx+δyξy+δzξz+Txzγxz+Tyzγyz+Tzxγzx)dxdydz

蘋果在運動過程需要建立其微分方程，將蘋果任意位置的移動分量用u、v、w表示，加速度分量分別為ρ?2u/?t2，ρ?2v/?t2、ρ?2w/?t2，設體力分量分別為fx、fy、fz，平衡方程為

?δx/?x+?Tyx/?y+?Txz/?z+fx-ρ?2u/?t2=0

?δy/?y+?Tyz/?z+?Txy/?x+fy-ρ?2v/?t2=0

?δz/?z+?xz/?x+?Tyz/?y+fz-ρ?2w/?t2=0

于是可得基本方程為

δx=E[uθ/(1-2u)+ξx]/(1+u)

δy=E[uθ/(1-2u)+ξy]/(1+u)

δz=E[uθ/(1-2u)+ξz]/(1+u)

Tyz=Eγyz/[2(1+u)]

Tzx=Eγzx/[2(1+u)]

Txy=Eγxy/[2(1+u)]

其中，E為彈性模量。由此可得幾何方程為

ξx=?u/?x，ξy=?u/?y，ξz=?u/?z

γxz=?u/?z+?w/?x，γyz=?w/?y+?v/?z，

γxy=?v/?x+?u/?y

刪除體力分量，可重新整理運動微分方程為

?2u/?t2=E[?θ/(1-2u?x)+Δ2u)/(2ρ(1+u) ]

?2v/?t2=E[?θ/(1-2u?x)+Δ2v)/(2ρ(1+u) ]

?2w/?t2=E[?θ/(1-2u?x)+Δ2w)/(2ρ(1+u) ]

θ=?u/?x+?v/?y+?w/?z

Δ2=?2/?x2+?2/?y2+?2/?z2

蘋果采摘過程三維運動均可通過該方程表示。

蘋果采摘時需要確定其重心。首先建模，球形模型為(x-a)2+(y-b)2+(z-c)2-R2，表達形式為2ax+2by+2cx+R2-(A2-B2-C2)=x2+y2+z2。

若對于n個點，上式矩陣形式為

將該式簡化為Am=B。其中，m可利用最小二乘法算出為m=(ATA)-1ATb，由此可得球心坐標。

為保證算法計算精度及效率，可利用八點法進行目標位置求解。機械手精度范圍內矩形區(qū)域左上角點為(xmin,ymin)、右下角為(xmax,ymax)，則矩陣內部隨意一點均可表示為

x=xmin+rand()%(xmax-xmin)

y=ymin+rand()%(ymax-ymin)

其中，rand()為C++程序自動生產的均勻分布隨機函數(shù)，在0～32～767之間，%為余數(shù)識別定位流程如圖7所示。

圖7 識別定位流程圖

4 結論

本文所述的果實采摘機械手具備一定通用性，采摘果實十分理想，可用于實際生產。其通過簡單思想實現(xiàn)復雜作業(yè)，成本低廉，且果農可在經濟承受能力范圍內購進，提高了生產效率并降低成本。

[1] 方建軍.移動式采摘機器人研究現(xiàn)狀與進展[J].農業(yè)工程學報,2014(2):273-278.

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[3] 錢錫康.七自由度機器人機械結構設計[J].北京航空航天大學學報,1998,2(3)：354-357.

[4] 日本機器人協(xié)會.機器人技術手冊[K]. 北京: 科學出版社, 2012.

Study on Structure Design and Working Ability of Fruit Picking Manipulator

Chen Yanyan， Shen Dongdong

( Hebi Polytechnic,Hebi 458030,China)

With the continuous development of social economy, agriculture and forestry in China achieved rapid development, growers in fruit planting began the gradual introduction of mechanization and automation equipment to improve the efficiency of planting. The traditional out of date harvest is mainly started by artificial operation. The busy season is fruit ripening season planting fruit trees consequences of agricultural, farmers often need to spend a lot of artificial cost picking fruit. Hand picking is not only a low success rate, and there is a certain risk, mechanical picking to replace artificial picking has become an important driving force for fruit market development, the robot is born in this context of the picking robot. Picking robot research mainly from its working principle, working space combined with the actual demand of picking operation. Through the picking robot can effectively reduce the uncertainty of artificial operation, and fundamentally improve the fruit picking efficiency. In this paper, the structure design and work ability of fruit picking manipulator is studied, which provides theoretical basis for the development of related industries.

fruit picking manipulator; structural design; work ability

2016-06-15

河南省教育廳科學技術研究項目(15B520188)

陳艷艷(1984-)，女，河南新鄉(xiāng)人，實驗師,(E-mail)chenyanyan0617@163.com。

S225.93

A

1003-188X(2017)10-0137-04