农业采摘机器人机械臂结构设计_张志红.pdf

2023 年 5 月下南方论坛19South Forum农业采摘机器人机械臂结构设计*张志红（晋中信息学院，山西 晋中 030801）摘要：【目的】农业采摘机器人是一种集机械、电子、传感、计算机于一体的多功能农业机械设备，被广泛应用于水果、蔬菜采摘领域。但其在对果实的识别和抓取方面仍存在很大的不足。【方法】机械臂是农业采摘机器人重要的组成部分之一，也是其主要执行机构。笔者根据机械臂结构特点与功能需求，设计了一种六自由度、关节运动灵活且可更换的采摘机器人机械臂，该机械臂通过控制系统调节3个平动关节在工作空间中的位置和角度，从而获得末端执行器能够完成采摘任务所需的最小工作空间，通过六自由度变换得出6个关节在工作空间中坐标系之间运动轨迹关系。该机械臂由视觉模块、驱动模块及控制模块构成。基于D-H参数法对采摘机器人机械臂进行运动学分析，并进行仿真验证。【结果】该机械臂具有较好的定位精度，能够满足农业采摘机器人对果实的抓取要求。关键词：机械臂；结构设计；采摘机器人；动力学建模中图分类号：TP242；S225 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.10.005当前工业机器人已经实现了一定程度的自动化，而农业采摘机器人作为一种新型机械装置还处在研发阶段。在农业机器人中，机械臂是关键技术之一。国内外学者针对不同工作环境和作业对象对农业采摘机器人进行了研究与开发。如美国、加拿大等国的学者针对水果、蔬菜等农产品提出了以视觉传感器为基础的农产品自动识别系统；而我国学者针对水果、蔬菜等农产品生产机械化需要，研制了农业机械臂进行作业。基于此，课题组认为，针对农业采摘机器人，应积极进行结构优化并开发高效节能技术。1 机械臂机构原理1.1 农业采摘机器人机械臂的运动求解农业采摘机器人机械臂的动力学分析包括两部分，分别为机械臂的正运动学分析、机械臂的逆运动学分析。而对机械臂的运动学分析目标来说，农业采摘机器人机械臂的运动求解就是为了能够获得机械臂的正、逆动力学运动结论1。在机械臂的正、逆动力学运动中，农业采摘机器人机械臂关节空间与农业采摘机器人的工作空间之间存在着一定的非线性映射关系，这种关系与机器人的末端执行器位姿密切相关，农业采摘机器人机械臂关节空间与机械臂工作空间的运动学关系如图1所示。1.2 农业采摘机器人机械臂的运动学数学建模机械臂的运动轨迹是由关节空间轨迹插值求得的。即通过对空间中6个关节的坐标系进行变换，使其映射到工作空间的直角坐标系中，然后再利用拉格朗日法，求解出6个关节在运动过程中所能承受的力，从而得到机械臂6个关节所受作用力与关节参数之间的关系2。这对确定机械臂的结构尺寸和设计制造具有重要意义。本机械臂通过控制系统调节3个平动关节在工作空间中的位置和角度，从而获得末端执行器能够完成采摘任务所需的最小工作空间，通过六自由度变换得出6个关节在工作空间中坐标系之间运动轨迹关系3。关节角量关节角量运动学正解逆解选取末端执行器位姿运动学逆解图1农业采摘机器人机械臂关节空间与机械臂工作空间的运动学关系1.3 农业采摘机器人机械臂笛卡尔空间的轨迹规划在农业采摘机器人机械臂的笛卡尔空间轨迹规划过程中，设置农业采摘机器人机械臂的中间点，并通过对中间点坐标的插补算法进行计算，能够得到农业采摘机器人机械臂的位姿，再将中间点机械臂的位姿转换成与其一一对应的关节角，则能够在机械臂的末端规划出关节角的控制路径，进而实现机械臂的笛卡尔空间轨迹规划。其中，农业采摘机器人机械臂的基金项目：山西省教育科学“十四五”规划2022年度规划课题“应用型本科机器人工程专业新工科人才培养模式研究”（GH-220338）；2021年山西省高等学校教学改革创新项目“新工科背景下 机器人技术 课程思政建设研究”（J2021954）作者简介：张志红（1985），女，山西孝义人，硕士研究生，副教授，研究方向为机械工程。南方论坛202023 年 5 月下South Forum位姿控制过程如图2所示。机械臂轨迹规划器（插补算法）机械臂轨迹运动学逆解求解机械臂关节角控制轨迹中插补点的位姿各关节角机械臂按照规划的轨迹运动轨迹上几个给定点的位姿图2农业采摘机器人机械臂的位姿控制过程2 机械臂设计与分析本设计采用双关节串联的方式，共设计6个自由度，机械臂结构主要包括视觉模块、驱动模块及控制模块。其中，控制模块包括电机控制模块、视觉系统控制模块和开关控制模块。机械臂末端夹持器由两个串联的圆柱滑块组成，两滑块上分别安装有视觉传感器和编码器。机械臂末端夹持器通过伺服电机驱动末端夹持器杆部转动，实现对果实的抓取。由于采摘机器人通常在户外工作，环境较为复杂，为解决这一问题，可采用电动喷雾装置将水雾均匀喷洒到果实表面以达到除污的目的。考虑到成本以及便于后期维护等因素，可采用尼龙绳进行悬挂搬运4。为防止机械臂因外力变形而导致损伤，在机械臂末端夹持器上设置了限位装置。在视觉模块与驱动模块之间设计有电机和减速器之间的传动机构；在机械臂末端夹持器与视觉模块之间设计有电机和液压缸之间的传动机构；并针对采摘作业时存在较大振动的特点设计了橡胶缓冲垫，作为连接底座与机械手臂的中间缓冲垫。此外，还考虑到不同果实的硬度不同，对采摘机器人关节施加不同力矩以提高采摘效果5。3 仿真分析3.1 设计方案采摘机器人机械臂的主要功能是将水果或蔬菜从一个点移动到另一个点，即抓取运动。为了使机械臂抓取物体时更加平稳、可靠，采用液压驱动方式，利用液压缸带动手臂抓取物体。该机械臂包含可移动的手臂和可移动的抓取器。可移动的手臂包括上肢、腕部两个部分。其与桌面通过销轴连接；下肢与手腕部通过杆连接，腕部与手爪相连；腕部铰接于地面，并由5个弹簧固定其位置。上肢由球形臂关节和3个半圆臂关节组成，用于抓取物体；下肢由圆柱臂关节和3个半圆臂关节组成，用于抓取物体并进行旋转和调整位置。上肢接腕、指及前臂三关节，用于抓取物体；下肢接腕部二关节及腕部三关节用于抓取物体；手腕与前、后两个旋转机构相连，进行旋转调整；末端夹持器可通过调节结构的高低来实现夹持不同形状物体的功能6。为了便于机械臂的控制、维护和清洁工作，使用具有直线运动功能的手臂来完成以上工作。3.2 仿真仿真试验中，选取典型作业目标，如果实、花朵、树枝等进行模拟采摘。以果实为例，采摘机器人机械臂末端与果实的接触位置（0）为距果实底部20 cm处，当采摘机器人机械臂末端与果实的距离大于20 cm时，对果柄的抓取不能实现；反之，则可以实现。在仿真中选择碰撞模型进行模拟，利用虚拟样机技术对采摘机器人机械臂进行运动学仿真分析。对关节分别施加0、30和60这3个不同角度的角加速度及速度，并观察仿真结果。当机械手末端与果实接触时，采摘机器人机械臂末端能在力的作用下保持平衡。根据机械臂实际作业需求及使用环境，当抓取物体时，关节速度及角加速度基本不变7。4 试验验证4.1 机械臂的自由度根据机械臂的设计要求，可将采摘机器人机械臂分解成不同的自由度，其中6个自由度（旋转、平动和回转）可由连杆参数和关节位置参数确定。根据以上设计要求，可以将采摘机器人机械臂分解成5种不同的自由度组合（旋转关节3，平动关节1，回转关节1）。而这5种不同的自由度组合在结构上又具有相同的结构特点和控制特性。因此，采用连杆参数确定这5种不同自由度组合时的运动规律是：旋转关节和平动关节在各连杆参数确定后相对独立地完成其运动过程，即6个自由度独立完成其运动过程。4.2 机械臂末端执行器的运动参数末端执行器的运动参数对采摘机器人机械臂的设计有着很大的影响。根据机器人末端执行器运动范围、刚度等因素，选择合适的关节转动角速度来确定其最大位置。当所选取的关节转动角速度为1 000/s时，可以保证手指能够抓住目标物体，且手指末端能完全夹住，不会脱落。在上述仿真模型中，根据末端执行器的转动角速度和关节转动角速度设计了其运动参数曲线，可明确当手指转动角速度为1 000/s时，所需转动的转角为200；当手指转动角速度为1 000/s时，所需转动的力矩为9.6 Nm；当手指转动角速度为1 500/s时，所需转动的力矩为12.4 Nm；该设计能够满足采摘机2023 年 5 月下南方论坛21South Forum器人机械臂对末端执行器运动参数的要求。从农业化种植的角度来说，典型的具有垂直面栽培特点的农作物是西红柿。由于西红柿的花和叶在自然环境中呈现不同方式的生长规则，这使得西红柿的水果串大都暴露在其茎叶的外面，农业采摘机器人能够很好地适应这种垂直面内栽培方式。但是，由于部分农业种植西红柿的品种不同，所以需要差异化考虑问题。例如，普通西红柿一般有35个果实，而樱桃西红柿生产的果实是普通西红柿的35倍。所以，为了提高农业采摘机器人的采摘速度，就需要采取科学合理的采摘方式8。4.3 机械臂的驱动方式和工作空间采摘机器人机械臂由电动葫芦、丝杠、连杆等驱动部件组成，根据机械臂的工作原理，电动葫芦和丝杠需要安装在水平位置上。通常情况下，丝杠为一直线，连杆为两个圆弧。当电动葫芦被使用时，升降杆和丝杠之间会有一个间隙。由于间隙存在，升降杆和丝杠之间会有一定的相互作用力导致两个圆弧的方向发生偏移，从而造成机械臂结构不稳定。为了使机械臂更好地工作并尽可能地消除间隙对其产生的影响，在设计过程中采用了两个电机同时驱动升降杆和丝杠的方式来解决机械臂工作空间问题。当机械臂升降杆运动到与水平面平行时，可使机械臂末端接触目标物体；当机械臂处于旋转位置时，可使机械手爪接触目标物体并抓取目标物体。以采摘机器人末端的机械手爪为例来分析其工作空间。由于结构原因，为了提高空间利用率，将机械臂设计成6个自由度。通常情况下，机械手爪处于水平位置时的空间利用率不高，且占用过多空间；反之，则会降低空间利用率和工作效率。因此，本文对6个自由度的机械臂进行了优化设计，使其工作空间达到最大值与最小值之间相差2倍多。4.4 机械手爪抓取精度分析当采摘机器人的机械臂对目标物体进行抓取时，若其定位精度不够，则可能导致机械手爪不能成功抓取到目标物体。为了进一步分析采摘机器人机械臂对果实的定位精度，将机械臂与移动平台在距离物体3 m处进行抓取试验，以探究该机械手爪与移动平台在距离物体3 m时的抓取误差。该机械手爪采用双指夹持型设计，能很好地适应采摘机器人的工作空间和目标物体。当机械手爪以平动方式到达旋转关节时，其末端点的实际位置与理想位置间误差小于0.01 mm；当机械手爪以平移角度到达旋转关节时，其末端点的实际位置与理想位置间误差也小于0.01 mm。这表明该六自由度机械臂能很好地适应采摘机器人工作空间和目标物体的范围，具有较好的定位精度，满足采摘机器人对果实的抓取要求9。5 结语笔者针对采摘机器人工作中果实的识别与抓取问题，设计了一种六自由度、关节运动灵活且可更换的采摘机器人机械臂。采用D-H参数法建立了机械臂的运动学模型，采用单目视觉传感器和3D工业相机对采摘机器人机械臂进行测试。结果表明：基于D-H参数法建立的运动学模型能够对采摘机器人机械臂进行运动学分析，满足工作要求，机械臂大小在可接受范围内；该机械臂能够对果实进行定位，同时能够完成抓取动作；在运动学模型基础上得到的运动学仿真结果与实测结果一致，验证了所建模型的正确性。参考文献：1 岳鹏飞.农业采摘机器人机械臂结构设计与分析J.南方农机，2022，53(22)：42-43+62.2 赵丽丽.基于视觉识别的农业采摘机器人系统研究D.镇江：江苏科技大学，2020.3 刘小宽，李斌，常健，等.枸杞采摘机器人双机械臂结构设计与分析J.高技术通讯，2019，29(2)：175-182.4 周舟，王俊.番茄采摘机器人机械臂结构设计与参数优化J.安徽农业科学，2012，40(22)：11520-11522.5 王韧.农业采摘机器人机械臂结构设计与分析D.长沙：湖南农业大学，2010.6 史云，韩伟，李会宾.基于农业智能采摘机器人的机械臂行程扩展组件：202122122187.0P.2022-04-12.7 阳涵疆.基于采样的采摘机器人机械臂避障算法研究D.长沙：中南林业科技大学，2017.8 张文翔，张兵园，贡宇，等.果蔬采摘机器人机械臂研究现状与展望J.中国农机化学报，2022，43(9)：232-237+244.9 顾宝兴，姬长英，王海青，等.智能移动水果采摘机器人设计与试验J.农业机械学报，2012，43(6)：153-160.