基于TRIZ理论苹果采摘机器人的设计与分析_桓源.pdf

2023年 第47卷 第5期Journal of Mechanical Transmission基于TRIZ理论苹果采摘机器人的设计与分析桓 源 任工昌 孙建功 徐若萱（陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710021）摘要 针对现阶段人工采摘苹果效率低、劳动强度大、采摘设备功能单一的问题，以TRIZ理论为基础，通过发明原理的启发，对苹果采摘机器人的末端执行器、运输装置、收集箱和其他结构进行了创新设计，设计出一款集采摘、收集、分拣功能于一体的机器人。建立采摘机械臂的D-H模型，运用Matlab对机器人的工作空间进行了分析；通过Adams对机器人采摘过程进行运动仿真，并制作1 3实验样机，对各部分功能可行性进行了验证。结果表明，该机器人的各部分功能完善、设计合理、运行可靠、满足使用需求，为后续机器人的进一步研制和改进提供了理论支撑。关键词 TRIZ理论 采摘机器人 末端执行器 工作空间分析 动力学仿真Design and Analysis of Apple Picking Robots Based on TRIZHuan Yuan Ren Gongchang Sun Jiangong Xu Ruoxuan(School of Mechanical and Electrical Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xian 710021,China)Abstract Aiming at the problems of low efficiency,high labor intensity and single function of picking equipment at the current stage of manual apple picking,this study is based on the TRIZ and inspired by the principle of invention,to analyze the end effector,transport device,collection box and other structures of the apple picking robot.With innovative design,a robot integrating picking,collecting and sorting functions has been designed.The D-H model of the picking manipulator is established,the working space of the robot is analyzed by Matlab,the motion simulation of the picking process of the robot is carried out by Adams,and a 1 3 experimental prototype is made to verify the functional feasibility of each part.The results show that the functions of each part of the robot are perfect,the design is reasonable,the operation is reliable,and it meets the needs of use,which provides theoretical support for the further development and improvement of the follow-up robot.Key words TRIZ Picking robot End-effector Analysis of operating range Dynamic simulation0 引言苹果作为常见水果，在我国已有2 000多年的栽培历史，我国作为苹果生产和种植大国，种植面积和产量稳居世界第一1。苹果采摘是苹果生产阶段耗时最长、花费人力物力最多的关键环节，现阶段苹果采摘主要依靠人力完成2。随着近年来人口老龄化的影响，农业劳动力急剧下降，人工成本增加，严重影响了苹果产业的发展3。如何使用机器代替人力，高效可靠地完成苹果采摘工作是推进苹果产业进一步发展的关键问题。目前，对苹果采摘设备自动化和智能化的研究主要集中在采摘方式和末端执行器的设计上4-5，特别是针对末端执行器，众多学者做了大量研究。如苗玉彬等6设计了柔顺加持机构用于采摘苹果，可实现对苹果的无损采摘，还有欠驱动机械手7、仿生机械手8、负压机械手9等。但对于采摘、收集、分拣一体化机器人的研究较少。将采收分功能集成，进一步提高采收效率，尽可能减少人工劳动强度，是苹果采摘机器人发展的新趋势。本文通过对果园实地调研分析，运用TRIZ对苹果采摘机器人进行创新设计，为苹果产业的智能化升级提供了新的思路。1 基于TRIZ方案分析1.1TRIZTRIZ是苏联阿奇舒勒等在研究250万件高价值文章编号：1004-2539（2023）05-0051-06DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.05.00951第47卷专利基础上总结出来的发明问题解决理论10。TRIZ体系包含了技术发展进化规律以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和方法11。运用TRIZ可快速寻找技术系统中存在的矛盾，通过发明原理的启发，结合专业知识得到合理的解决方案，大大加快发明创造的步伐。1.2技术系统分析经过对苹果采摘过程实地调研后发现，苹果采摘、收集、分拣等各阶段均存在许多问题。采摘苹果时，工人需要背负收集箱，借助梯子以采摘处于不同高度的苹果。使用工具采摘通常采用前端带夹爪的长杆实现，夹爪为弧形且表面有胶套保护，但由于苹果形状各异，现有夹爪很难保证采摘过程不对苹果表皮造成损伤，影响苹果质量。在苹果收集阶段，由于苹果质地脆弱不能压碰，且为减轻工人采摘过程中的负重，收集框不能大量存放苹果，需频繁转存。现阶段机器人采摘收集主要有两种方式：一是通过机械臂和手爪配合，直接将苹果采摘后运送至后端收集箱中；二是通过手爪下端的软管使苹果在重力作用下自动落入收集箱中。这两种方式均存在不足之处：直接通过机械臂和手爪配合虽可满足功能，但整个过程中机械臂需要大范围运动，耗时较长、效率较低；通过下端软管实现收集功能，在实际采摘过程中软管容易受树枝遮挡，导致收集受阻，并且自由下落过程中容易损伤苹果。苹果销售时需根据果品成色分成不同等级，如何保证苹果表皮完整无伤且高效筛分是后续分拣作业的主要目标。在现阶段，将苹果无差别统一存放后，再通过人力或机械设备再次筛分，但是，机械设备价格昂贵且分拣过程苹果损伤率较高，人工分拣劳动强度大。因此，减少对单个苹果的作业次数，降低苹果的损伤率，是高效可靠地实现筛分功能的关键。1.3定义冲突和原理解获取根据第1.2节对技术系统的分析，结合TRIZ中39个工程参数可得出技术矛盾。在整个苹果采收作业过程中，由于工序的离散化，使得需要对单个苹果多次作业，效率低下。因此，整个技术系统的首要矛盾是如何在提高生产率的同时不再引入更高级昂贵的机械设备，即改善参数为生产率，恶化参数为自动化程度。现有末端执行器难以适应形状各异的苹果，为提高采摘质量就需要末端执行器可根据苹果尺寸自适应地调节，但在提高末端执行器适应性的同时会使结构复杂度增加，即改善参数为适应性和多用性，恶化参数为装置复杂性。在苹果收集分拣阶段，现有方式均存在效率低下和易损伤苹果的问题，通过增加机械臂或工人数量提升效率一定程度上可解决问题，但会增加系统的复杂度，即改善参数为生产率，恶化参数为装置复杂性。根据对系统中各技术矛盾分析得到的改善和恶化参数，结合表1所示可得到解决技术矛盾的发明原理。表1矛盾矩阵表Tab.1 Contradiction matrix table改善参数35（适应性或多用性）39（生产率）恶化参数36（装置复杂性）15，29，37，2812，17，28，2438（自动化程度）27，34，355，12，35，26根据矛盾矩阵推荐的解决技术矛盾的发明原理，结合专业知识优选出5号（组合原理），12号（等势原理），15号（动态特性原理），17号（多维化原理），24号（中介物原理）为苹果采摘机器人的创新设计指导原理。各发明原理内容如表2所述。表2发明原理释义Tab.2Interpretation of the principle of the invention编号512151724发明原理组合原理等势原理动态特性原理多维化原理中介物原理经典TRIZ释义A.在空间上将相同或相近的物体或操作加以组合B.在时间上将物体或操作连续化或并列进行A.在势场中改变限制位置，以减少物体的提升或下降A.调整物体或环境的性能，使其在工作的各个阶段达到最优状态B.分割物体，使其各部分可以改变相对位置C.使静止的物体可以移动或具有柔性A.将物体从一维变到二维或三维结构B.用多层结构代替单层结构C.使物体倾斜或侧面放置D.使用给定表面的另一面A.利用中介物实现所需操作B.把一个物体与另一个容易去除的物体暂时结合2 苹果采摘机器人结构设计2.1方案原理分析苹果采摘机器人的整体设计思路依据5号发明原理（组合原理）将采摘、收集、分拣功能集于一体，可使采收分作业连续化进行，大大提高机器人的工作效率。在机器人作业时，通过机械臂配合末端执行器实现苹果的采摘，采摘完成后将苹果放置在两侧传输带上，传输带运输苹果至后端的收集箱中即可完成整个作业。将采收分功能集于一体后如何使52第5期桓 源，等：基于TRIZ理论苹果采摘机器人的设计与分析各执行机构紧密配合，高效可靠完成所需功能还需进一步完善。苹果采摘机器人的整体方案原理如图1所示。图1整体方案原理图Fig.1Schematic diagram of the overall scheme2.2末端执行器设计苹果采摘机器人的末端执行器为适应不同尺寸苹果的采摘，根据15号发明原理（动态特性原理），将传统弧形夹爪各部分改为可动连接。整个末端执行器的设计原理如图 2所示。末端执行器由 9个构件、1个移动副和11个转动副组成。其自由度为F=3n-2PL-PH=3式中，n为活动构件数；PL为低副数；PH为高副数。图2中，滑块通过电动推杆驱动作为整个末端执行器的原动件，因此，末端执行器具有2个自由度。在抓取苹果时，滑块向下移动，整个末端执行器呈合拢姿态。在接触到苹果表面时，7号连杆、9号连杆和指尖受到外力作用会自主适应对苹果表面形成包覆。为更好地保护苹果，在与苹果接触处设有缓冲材料，可进一步防止采摘过程对苹果的损伤。图2末端执行器原理方案图Fig.2Schematic diagram of the end effector2.3机械臂设计现有采摘装置采用固定式机械臂实现采摘功能，使得整个采摘过程中机械臂需大范围运动，采摘效率低。依据12号发明原理（等势原理），将机械臂安装在升降平台上，在采摘过程中根据苹果生长情况从底部向顶端依次分层采摘，可减少机械臂在竖直方向上的频繁移动，大大提高采摘效率。设计的机械臂如图3所示，下端安装板固定，通过立柱安装有丝杠和滑轨，驱动电动机通过丝杠螺母机构传动带动滑块上安装的机械臂，实现竖直方向的高度调节。图3机械臂设计图Fig.3Design diagram of the robotic arm2.4运输装置设计为更好配合机械臂完成苹果收集功能，根据12号发明原理（等势原理）启发，设置可升降传输带运输苹果，使得机械手在采摘完成后只需短距离运输苹果至传输带上。该设计既避免了机械臂大范围运动造成的效率低下，又可有效防止苹果通过软管运输时产生损伤。设计的运输装置如图4所示，整个装置通过下端支架安装在底板上，在传输带下方设置由连杆组成的平行四边形剪叉机构，由升降电动机和丝杠螺母机构配合实现剪叉机构的驱动，由传输带电动机配合托辊实现传输带的运动。图4运输装置设计图Fig.4Design diagram of the transport device2.5收集分类装置设计在现阶段，通过末端执行器上摄像头配合视觉识别算法可对苹果尺寸和成熟度进行区分。为实现采收分一体化作业，对已分类苹果高效无损伤存放成为关键问题。根据17号发明原理（多维化原理）和24号发明原理（中介物原理），将收集箱设计为多层结构，并将内部设为倾斜，保证苹果在收集箱中自主有序排列。设计的收集箱如图5所示。在收集箱一侧设有进口，便于苹果从传输带上滚落进入收集箱53第47卷中；收集箱底面呈倾斜状态并设有斜隔板，苹果落入收集箱后沿倾斜隔板和斜面缓慢滚动依次有序排列。在收集箱内部各处为避免苹果碰伤均设有缓冲材料。图5收集箱设计图Fig.5Design diagram of the collection box2.6整机结构设计根据上述各部分组合完成的整体设计方案如图6所示。机器人工作时，通过履带式底盘移动，确保在非平整路面有较好的通过性。在采摘苹果时，首先通过摄像头识别大小和成熟度，通过升降平台将机械臂调整至合适高度，机械臂与末端执行器配合完成采摘动作。两侧传输带在剪叉机构的作用下升至同一采摘平面，机械臂将苹果放置在传输带上后由传输带运输至后端收集箱。机械臂可根据尺寸或成熟度选择不同传输带放置，实现苹果分类。在苹果落入收集箱后依次排列完成整个采收分过程。该机器人将苹果采摘、收集、分拣一体化集成，通过合理的结构设计使各过程紧密配合，大大提高了苹果采摘效率。图6苹果采摘机器人设计图Fig.6Design drawing of the apple picking robot3 机器人采摘空间分析3.1机械臂D-H模型建立D-H法是分析机械臂常用的建模方法12-13，建立的采摘机器人机械臂D-H坐标系如图7所示，得出的D-H参数表如表3所示。图7机械臂D-H关节坐标系Fig.7D-H joint coordinate system of the robot arm表3机械臂D-H参数表Tab.3D-H parameter table of the robot arm连杆i123456i/（）0-900-9090-90i/mm01（70）2（690）3（100）4（730）0di/mmd1（420）0000d5（250）i123456图 8所示为在 Matlab中根据 D-H参数表使用机器人工具箱建立的机械臂模型。图8机械臂仿真模型Fig.8Simulation model of the robotic arm3.2机械臂采摘范围分析机器人采摘范围由机械臂的工作空间决定，机械臂的工作空间是衡量机器人性能的重要参数。在Matlab中完成建模后，运用蒙特卡洛法可快速求得机械臂的工作空间云图14。由于苹果采摘机器人机械臂安装在升降平台上，所以，主要考虑xOy平面的工作空间是否满足设计要求即可。图9为得到的机械臂xOy平面工作云图。由图9可知，机械臂工作范围为外圆半径1.5 m的扇形。根据对果园的实地调研，大多数苹果树树54第5期桓 源，等：基于TRIZ理论苹果采摘机器人的设计与分析冠平面投影为小于半径1.5 m的圆。因此，配合履带式移动底盘，该机械臂可对整棵苹果树实现覆盖式采摘，满足设计要求。图9机械臂xOy平面工作云图Fig.9Working nephogram of the xOy plane of the robotic arm4 仿真与实验分析4.1机器人运动特性仿真分析运用Adams软件对机械臂的采摘过程进行运动特性仿真分析，有利于后续进一步改进机器人的相关参数15。在Adams软件中导入机械臂模型后，设定参数模拟机械臂采摘过程16。其仿真过程如图10所示，整个过程共4 s，01 s为末端执行器抓住苹果后模拟人工采摘过程，03 s为机械臂配合机械爪将苹果运输至传输带上的过程。图10机械臂仿真过程Fig.10Simulation process of the robotic arm仿真结果重点关注末端执行器的运动情况，分析得到末端执行器在x、y、z各轴上的位移、速度、加速度曲线分别如图11图13所示。可以看出，末端执行器的位移、速度、加速度曲线在苹果采摘运输阶段较为平稳，无较大冲击，满足设计要求。图11末端执行器位移变化曲线Fig.11Displacement changing curves of the end effector图12末端执行器速度变化曲线Fig.12 Speed changing curves of the end effector图13末端执行器加速度变化曲线Fig.13Acceleration changing curves of the end effector4.2样机制作与实验图14所示为根据设计方案制作出的苹果采摘机器人1 3实验样机。对样机进行实验，结果表明，整个样机可实现采摘、收集和分拣一体化作业，各部分执行构件运动协调，结构设计合理可靠、方案可行，为后续的进一步研制提供了实验基础。图14苹果采摘机器人样机Fig.14The prototype of the apple picking robot5 结论在充分调研现有果园实际工况的基础上，运用TRIZ中的发明原理，设计了一款将采摘、收集、分拣功能一体化集成的苹果采摘机器人。通过Matlab软件分析了机器人的采摘空间，运用Adams软件对机械臂采摘苹果过程进行了运动学分析，确定机器人的采摘作业范围合理，末端执行器运行平稳可靠。通过制作1 3实验样机对机器人各部分方案可行性进行验证，结果表明，方案设计合理，各部分功能完善，满足设计要求。该苹果采摘机器人的成功研制对苹果产业的健康发展和推进农业现代化进程具有积极意义。55第47卷参考文献1张放.2018年我国主要水果生产统计简析 J.中国果业信息，2020，37（7）：32-43.ZHANG Fang.A brief analysis of my countrys main fruit production statistics in 2018J.China Fruit Industry Information，2020，37（7）：32-43.2李国利.多末端苹果采摘机器人设计与研究 D.南京：南京农业大学，2017：1-2.LI Guoli.Design and research of multi-terminal apple picking robotD.Nanjing：Nanjing Agricultural University，2017：1-2.3刘鹏莉.苹果采摘机器人的设计与研究 D.西安：西安理工大学，2018：1-2.LIU Pengli.Design and research of apple picking robot D.Xian：Xian University of Technology，2018：1-2.4聂腾伟.机器人采摘动作解析与实验研究 D.广州：华南理工大学，2019：10-12.NIE Tengwei.Analysis and experimental 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