果蔬自動化采摘機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗

魏國蓮,林成全

(1.青海大學(xué) 自動化系,西寧 810799; 2.青海高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院,青海 海東 810799 )

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中,成熟作物果實采摘是極其重要的環(huán)節(jié),消耗了巨大的人力和時間成本,約1/3 以上的時間和人力都投入在成熟作物的采摘中[1]。迄今為止,由于機(jī)械化程度一直處于較低水準(zhǔn),農(nóng)業(yè)作物果實采摘主要依靠人工采摘,50%以上的整體成本投入成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大負(fù)擔(dān)。快速發(fā)展中的農(nóng)業(yè)果蔬種植產(chǎn)業(yè),近年來無論是果蔬種植面積,還是年產(chǎn)量均呈現(xiàn)逐年增加的趨勢,因而對采摘成功率和完整率提出了更高的要求,而高強(qiáng)度勞動作業(yè),迫使一部分農(nóng)戶為提高采摘率而降低了采摘果實的質(zhì)量,從而直接影響了后續(xù)的果蔬儲藏、運輸和加工,以至于最終影響到銷售環(huán)節(jié),極大程度上限制了經(jīng)濟(jì)作物種植產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展?；谝陨鲜聦?為實現(xiàn)對經(jīng)濟(jì)作物果實的自動化采摘,降低采摘成本,提高采摘質(zhì)量,研制和開發(fā)果蔬自動化采摘機(jī)器人,不論是對經(jīng)濟(jì)效益還是對整體農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展都有非常高的價值[2]。

20世紀(jì),隨著工業(yè)化程度的逐年提高,應(yīng)用于農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)中的機(jī)器人開始走上農(nóng)業(yè)發(fā)展的歷史舞臺,其中果蔬采摘也成為農(nóng)業(yè)機(jī)器人主要攻克的課題之一,但由于田間環(huán)境的復(fù)雜和不確定性,其作業(yè)效果并沒有達(dá)到預(yù)期。20世紀(jì)50年代左右,種植業(yè)生產(chǎn)逐漸向智能、自動、機(jī)械化發(fā)展,機(jī)器人才開始正式引入到農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)中。對種植作物的成熟果實采摘工作,Schertz、Brown(1968)率先進(jìn)行嘗試并提出了理論設(shè)計[3]。耗時幾年時間,世界上第一臺果蔬采摘機(jī)誕生在美國;與此同時,德國、日本等國家也開始了果蔬自動化采摘機(jī)的研究工作[4-6]。到20世紀(jì)末,一些國家領(lǐng)先在果蔬采摘機(jī)研制上取得了巨大進(jìn)展。我國的果蔬采摘機(jī)研制起步較晚,進(jìn)入新世紀(jì),制約農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的主要瓶頸之一便是農(nóng)村勞動力緊缺,因而自動采摘機(jī)器人的研究已經(jīng)刻不容緩。

1 總體設(shè)計

果蔬自動化采摘機(jī)主要包含底座、結(jié)構(gòu)支撐架、采摘臂、采摘機(jī)械手,以及支持以上部件工作的電子電傳系統(tǒng)等。其中,底座作為采摘機(jī)的穩(wěn)定部分,剛性連接在結(jié)構(gòu)支撐架上,主要起到為機(jī)構(gòu)采摘臂提供動力及支持機(jī)械旋轉(zhuǎn)的作用。

采摘臂主要由主臂、連接臂和前臂關(guān)節(jié),主要作用是連接底座與采摘機(jī)械手,與機(jī)器中間的關(guān)節(jié)共同將采摘機(jī)械手移動到指定空間位置并使之完成正確的末端位姿,在給定的操作空間內(nèi),實現(xiàn)采摘范圍限制下更長的行程。

采摘機(jī)械手由夾采結(jié)構(gòu)、動作電動機(jī)及傳感器(包含壓力、識別傳感器)組成,可能在腕部帶動下于節(jié)點處切斷果實與作物本身的連接,實現(xiàn)作物果實的抓取,然后在采摘臂的動作下完成果實到果實箱的運輸。

1.1 采摘機(jī)的技術(shù)要求

采摘臂的主要結(jié)構(gòu)是多桿串聯(lián),并交接成開環(huán)結(jié)構(gòu)。工業(yè)上的機(jī)械臂,不需要應(yīng)對田間地頭的復(fù)雜環(huán)境,有較強(qiáng)的設(shè)計適應(yīng)性;而工業(yè)環(huán)境在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中并不具備,因而在技術(shù)指標(biāo)上,采摘臂技術(shù)指標(biāo)與工業(yè)用機(jī)械臂主要技術(shù)參數(shù)呈現(xiàn)一定的差異,在開發(fā)工藝需求上也會有一些具體差異化要求:

1)自動采摘機(jī)器人的采摘臂需要滿足能夠控制果實損傷率小于5%,采摘機(jī)在采摘的過程中需要避免對作物的傷害,從而使延長蔬儲存時間,提升經(jīng)濟(jì)效率。

2)增加單位時間內(nèi)采摘果實的數(shù)量,且果蔬的平均采摘時長應(yīng)進(jìn)行控制,同時在抓取和運送過程中應(yīng)注意盡可能保全果實完整,保證果實枝干不受傷害。

3)控制采摘臂的自由關(guān)節(jié)數(shù)量,不僅能減少采摘機(jī)的控制難度,同時還可以提升機(jī)械工作的穩(wěn)定性。

1.2 果蔬自動化采摘機(jī)采摘臂技術(shù)方案

1.2.1 采摘臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

在機(jī)械臂設(shè)計中,主要的結(jié)構(gòu)形式有直角、圓柱、極坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)4種結(jié)構(gòu)型式,結(jié)構(gòu)特點有如下特征:

l)機(jī)械臂直角結(jié)構(gòu)。優(yōu)點是構(gòu)造方式簡單、機(jī)械臂覆蓋范圍大、易于操控,同時也具有較高的實現(xiàn)性價比;缺點是動作能力有限,工作范圍限制在對高度較低的果實的采摘。

2)機(jī)械臂圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。優(yōu)點是形式簡單、定位便捷、機(jī)械臂覆蓋范圍大、易于控制及高性價比等;缺點是動作滯后嚴(yán)重,穩(wěn)定性有所欠缺。圖1為一個3方向可控圓柱坐標(biāo)系構(gòu)造分析。

圖1 3方向可控圓柱坐標(biāo)系構(gòu)造分析圖

3)機(jī)械臂極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。優(yōu)點是動作自由而且機(jī)械較小,但同時有避障性能薄弱的缺點。圖2為機(jī)械臂極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 機(jī)械臂極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

4)機(jī)械臂多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。這種類型的機(jī)械臂動作時最為靈活,同時有最大的作業(yè)覆蓋范圍;但相應(yīng)的機(jī)械手抓取東西的質(zhì)量受到限制,同時動作精準(zhǔn)程度有折損。圖3為高自由度多關(guān)節(jié)標(biāo)結(jié)構(gòu)。

圖3 高自由度多關(guān)節(jié)標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

對于應(yīng)用在作物采摘領(lǐng)域的機(jī)器人而言,選擇采摘臂結(jié)構(gòu),主要需要考量的特征包含:機(jī)械臂結(jié)構(gòu)是否能適應(yīng)田間有限的活動區(qū)域;結(jié)構(gòu)靈活程度能否達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)的要求;精準(zhǔn)定位特性是否符合果實生長位置的普遍特征。

與工業(yè)廠房的環(huán)境相比,田間的生產(chǎn)環(huán)境空間限制因素較多,增加了布局上的變化可能,因此采摘臂的選型除了參考工業(yè)領(lǐng)域的基本準(zhǔn)則,而更應(yīng)滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)限制下的需求?？紤]到上述因素,最終選取機(jī)械臂多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)應(yīng)用到采摘機(jī)器人的實現(xiàn)中。

1.2.2 采摘臂關(guān)節(jié)自由度

采摘臂的自由關(guān)節(jié)數(shù)目采摘機(jī)的構(gòu)造設(shè)計有決定性的作用。采摘作業(yè)的田間環(huán)境存在不對稱性,機(jī)械活動自由度的提高能夠方便機(jī)器避開障礙,因此采摘機(jī)最好具有超出要求的活動范圍。為了適應(yīng)這種設(shè)計,動力驅(qū)動需要相應(yīng)增加,受控系數(shù)也隨之減小,會進(jìn)一步導(dǎo)致成本的增加, 因此采摘臂自由度的選擇不可過多。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)采摘臂在有限活動范圍內(nèi)的最大精準(zhǔn)化,采摘臂在結(jié)構(gòu)上由3個關(guān)節(jié)連接組成,且機(jī)械臂連接部和底座能夠在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)作物果實尺寸和質(zhì)量特征,采摘動作的機(jī)械手也需要有一個開關(guān)的自由度來完成對作物果實抓取,按照上述計算,采摘機(jī)需要6個自由度。

1.3 果蔬采摘機(jī)驅(qū)動方式對比與選型

驅(qū)動裝置為機(jī)械完成采摘動作提供動力來源,電動、液動(液壓動力)、氣動(氣壓動力)是服務(wù)于田間勞動的機(jī)器人的主要動力分類,其特點對比如表1所示。

表 1 3 種機(jī)器人動力方式特征比較

由表1可知:相比于其他兩種驅(qū)動類型,電動動力驅(qū)動能夠提供更大的扭矩,操作的反應(yīng)能力也更為迅捷,且電動驅(qū)動也更為穩(wěn)定,有更好的性價比;雖然其動作較液壓有所不足,但完全能夠滿足田間環(huán)境的采摘臂動作要求。據(jù)此,本課題設(shè)計的自動采摘機(jī)器人將使用電動驅(qū)動。

2 果蔬自動化采摘機(jī)采摘臂設(shè)計

采摘機(jī)器人采摘臂以機(jī)械底座為基準(zhǔn),在底座上順次連接主臂、連接臂和前臂關(guān)節(jié)3個主要動作結(jié)構(gòu),在動作結(jié)構(gòu)末端是采摘果實的機(jī)械手,整個結(jié)構(gòu)在電動機(jī)的驅(qū)動下工作。

2.1 底座與電動機(jī)類型選擇

底座是機(jī)器人動作結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和支撐部分,底座外蒙有一層金屬薄壁,回轉(zhuǎn)軸連接在底座上為采摘臂提供轉(zhuǎn)動支持。采摘臂結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采摘臂結(jié)構(gòu)圖

圖4中,假設(shè)IG1、IG2、IG3對應(yīng)于主臂、連接臂和前臂關(guān)節(jié)環(huán)繞連接點動作的轉(zhuǎn)動慣量,測量豎直連接柱、主臂、連接臂、前臂的長度分別為L1、L2、L3、L4;豎直連接柱的可轉(zhuǎn)動角度為θ1、主臂可轉(zhuǎn)動角度為θ2、連接臂可轉(zhuǎn)動角度為θ3、前臂可轉(zhuǎn)動角度為θ4。其中,θ1=[-180°,180°],θ2=[-85°,85°],θ3=[-145°,145°],θ4=[-145°,145°]。

根據(jù)平行軸定理公式計算,第一關(guān)節(jié)軸處旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量為

(1)

測量得到主臂質(zhì)量為m1、連接臂質(zhì)量m2、前臂及末端質(zhì)量m3,數(shù)值大小分別為4 800、3 950、9 900g,l1、l2、l3為以上部件各自相對底盤的長度,測量值分別為 287、589、881mm,可略去IG1、IG2、IG3,則式(1)簡化為

(2)

根據(jù)式(2)計算轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)動量矩,即

T=I·ω

(3)

假設(shè)底座主軸的轉(zhuǎn)動速度為 145°/s,0.2s可加速到最大值,在此過程中起動力矩計算為

(4)

代入以上參數(shù)值計算T1=128.1N·m。

采摘臂到連接臂關(guān)節(jié)的質(zhì)量遞減,對動力要求逐步降低,因此以為豎直連接柱和主臂選取的電機(jī)動力為基本動力。在此要求背景下,選取LD-1501 型電動機(jī), 170N·m為其最大扭矩,符合以上計算要求。該型電動機(jī)的性能參數(shù)表2所示。

表 2 LD-1501 電動機(jī)技術(shù)性能

2.2 采摘機(jī)主臂、前臂設(shè)計和電機(jī)選擇

主臂和前臂部分是本機(jī)器人的主要動作結(jié)構(gòu),因此在滿足動作動力要求的基礎(chǔ)上,同時應(yīng)考慮實際采摘過程中的環(huán)境影響因素。

對采摘果實目標(biāo)的定位將在果實位置平面內(nèi)的xy軸方向上確定位置,至少需要兩個關(guān)節(jié)才能實現(xiàn)采摘果實的定位動作?？紤]到實際采摘過程中采摘臂結(jié)構(gòu)會受到作物枝葉的阻礙,因此在工作能力上進(jìn)行了冗余設(shè)計。將連接關(guān)節(jié)數(shù)量提升至3～4個,電機(jī)數(shù)量增加到對應(yīng)數(shù)量。因此,本研究中使用了最小數(shù)量的冗余關(guān)節(jié)數(shù),即主臂、連接臂和前臂。

前文提到在果實位置的xy軸平面內(nèi)確定位置,據(jù)此繪制出X-O-Y平面投影模型,如圖5所示。

圖5 X-0-Y 平面投影模型

采摘臂尺寸設(shè)計時最常用的方法有優(yōu)化法、解析法和圖解法。本課題采摘臂擁有6 個自由度,解析法受到較大限制。圖解法的實現(xiàn)借助了計算機(jī)模擬技術(shù)來繪制采摘臂末端的位置形態(tài),可根據(jù)整體采摘臂的活動范圍調(diào)整動作參數(shù),但計算邏輯復(fù)雜、不易優(yōu)化。對比之下,將末端姿態(tài)當(dāng)成約束條件并在此約束下計算活動范圍使之滿足要求即可進(jìn)行動作調(diào)整的優(yōu)化法則有較為靈活的改進(jìn)空間,可以將目標(biāo)函數(shù)修改為其他指標(biāo)。

假設(shè)采摘機(jī)在采摘作業(yè)時位置固定,在此情形下配合移動采摘臂,采摘臂的最大空間邊界能覆蓋作物位置1/2的剖面即可采摘。

在前臂收縮時連接臂動作范圍(見圖6)的情形下,主臂和前臂關(guān)節(jié)的角度活動范圍分別為α和β。此情形下,手臂運動范圍邊界呈現(xiàn)為4段弧形,主臂夾角最小與最大時,前臂運動范圍最大邊界分別為CD、EF;前臂和主臂夾角最小與最大時,采摘機(jī)械手運動范圍最大邊界分別為DF、CE。當(dāng)前臂繼續(xù)向外運動伸展到極限,最大運動空間邊界變成了C1E1和C1D1,如圖7所示。在以上模型基礎(chǔ)上,樹冠可以作為水平面坐標(biāo),則作業(yè)面即為平面內(nèi)的一個矩形空間,如圖8所示。

圖6 前臂收縮時連接臂動作范圍

圖7 前臂伸長極限時連接臂動作范圍

圖8 水平坐標(biāo)系下的目標(biāo)空間

由西紅柿等茄科植物果實生長特點可知:采摘臂的水平和垂直動作范圍應(yīng)在0.5～1.2m、l～1.6m;由此結(jié)合作物采摘環(huán)境計算可得采摘臂各關(guān)節(jié)尺寸,底座長度為320mm,主臂長度為320mm,連接臂長度為150mm,前臂長度為200mm。

代入式(4)計算可知;主臂扭矩大于連接臂的扭矩小于豎直連接柱的扭矩,考慮到實際采摘果實動作時,主臂、前臂在動作過程中受到作物枝葉影響,主臂選用更為靈活的 LD-20MG 型舵機(jī),前臂和采摘機(jī)械手關(guān)節(jié)也選用此舵機(jī),其性能參數(shù)如表3所示。

表3 LD-20MG型舵機(jī)技術(shù)性能

3 果蔬自動化采摘機(jī)實際環(huán)境作業(yè)試驗

3.1 試驗方法

2018年2月23日,果蔬自動化采摘機(jī)的性能試驗在鄭州市某農(nóng)場西紅柿大棚區(qū)進(jìn)行。試驗的果實收集目標(biāo)為西紅柿,種植于2017年8月,作物行距為1 210mm,株距為580mm,西紅柿整體平均高度1 320mm,平均單株果樹結(jié)果8.2 個,果實高度普遍分布在在90～820mm,果實橫向直徑約為533～841mm。在棚內(nèi)日間自然光照下,果蔬自動化采摘機(jī)進(jìn)行了采摘,并記錄作業(yè)數(shù)據(jù)。西紅柿種植場地環(huán)境如圖9所示。

圖9 西紅柿采摘環(huán)境

試驗開始,首先將試驗系統(tǒng)清空,使之完成初始化,同時對機(jī)器人動作恢復(fù)到初始位置,如圖10(a)所示;動作前,先使用雙目視覺系統(tǒng)獲取目標(biāo)西紅柿圖像并通過圖像處理定位得到空間中的坐標(biāo),通過一定放大比例計算后,得出機(jī)械動作的運動量和角度;然后開始機(jī)械動作,根據(jù)上一步中計算處的動作量,機(jī)械手準(zhǔn)確抓取到目標(biāo)果實,如圖10(b)所示。確認(rèn)抓取目標(biāo)到位后,控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)抓取命令,實時檢測機(jī)械手的壓力傳感器信號,完成一定力量的抓取,如圖10(c)所示。最后,將果實從作物枝干上分離下來,放置入果籃中完成全部采摘動作,如圖 10(d)所示。

(a) 程序機(jī)械初始化

3.2 實際環(huán)境作業(yè)試驗數(shù)據(jù)與分析

果蔬自動化采摘機(jī)實際環(huán)境作業(yè)試驗中,將試驗過程中通過自動識別并完成采摘動作采摘到西紅柿果實定義為成功采摘,其他未能完成果實采摘的定義為采摘失敗。根據(jù)以上定義,對試驗中的各項主要數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄監(jiān)測,整體采摘試驗結(jié)果如表4、表5所示。

表4 識別結(jié)果

表5 采摘效果

表4數(shù)據(jù)表明:目標(biāo)果實的整體識別率接近89%,平均識別耗時3.285s,時間消耗較短。由此得出:本圖像識別和位置算法在田間表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性,但在對受到枝葉遮擋較多的果實識別和定位效果還有很大的提升空間。

表5數(shù)據(jù)表明:采摘機(jī)對于理想無遮擋的西紅柿果實采摘表現(xiàn)較好,整體試驗采摘成功率可達(dá) 79.7%,相比之下受到遮擋的西紅柿果實則不易采摘,采摘率僅有57.1%。綜合而言,整體采摘成功率68.5%,一次性采摘成功率尚不足七成;采摘時間上,成功采摘的西紅柿,平均單個采摘時間為6.712s,采摘時間消耗在預(yù)計試驗時間內(nèi)。對于整體采摘成功率不高的問題,主要原因總結(jié)為:①采摘臂動作時造成果實晃動,從而使機(jī)械手未能準(zhǔn)確抓住果實;②機(jī)械手損傷了果實外皮,主要是機(jī)械手的壓力傳感器靈敏度反應(yīng)不穩(wěn)定,與果實外形不確定有關(guān);③機(jī)械手提前進(jìn)行了抓取動作,根據(jù)實際情況分析歸因為枝葉影響了距離傳感器的數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場試驗中凸顯的這幾類問題,對收起機(jī)器人的改進(jìn)主要從以下幾方面進(jìn)行:①改進(jìn)圖像識別和處理算法,特別是增加機(jī)械臂動作過程中的實時距離傳感器數(shù)據(jù)上報和調(diào)整,從而使機(jī)械臂能及時處理各種復(fù)雜的阻擋情況。②提升機(jī)械手抓取時的壓力傳感器數(shù)量和靈敏度,以適應(yīng)果實的不同形狀,減小對果實外表的傷害。

4 結(jié)論

針對國內(nèi)外多款采摘機(jī)器人的研究,歸納總結(jié)果蔬自動化采摘機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)、存在問題及解決問題的應(yīng)對思路,完成了采摘機(jī)的設(shè)計研制。選擇關(guān)節(jié)型機(jī)械臂作為本采摘機(jī)的機(jī)械臂類型,應(yīng)用綜合法對采摘臂尺寸進(jìn)行了設(shè)計,底座長度為320mm,主臂長度為320mm,連接臂長度為150mm,前臂長度為200mm。在此基礎(chǔ)上配置了二指采摘機(jī)械手,以 LD-1501、LD-20MG型電動舵驅(qū)動,完成整個機(jī)器人的設(shè)計。田間試驗表明:圖像抓取和識別對果實正確識別率接近89%,各種情況下的果實平均采摘率為68.5%,單個果實平均采摘消耗時間僅9.997s。但是,雙目視覺系統(tǒng)算法、自動化采摘機(jī)結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計具備一定普遍適用性,但離規(guī)模生產(chǎn)并投入實際田間作業(yè)還有距離,需要通過改進(jìn)圖像識別和處理算法,加強(qiáng)動作過程中的及時動作反應(yīng)和調(diào)整能力等方式來提升采摘效率,以完成其實際產(chǎn)品化的生產(chǎn)的要求。