2600 多臂采摘機器人的初步設(shè)計——采摘手的設(shè)計

2600 多臂采摘機器人的初步設(shè)計——采摘手的設(shè)計,采摘,機器人,初步設(shè)計,設(shè)計 多臂采摘機器人——采摘手的設(shè)計摘 要：近年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正朝著規(guī)?；⒍鄻踊?、精確化方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動力的成本迅速上升，勞動力不足的現(xiàn)象日趨明顯，農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)越來越受到關(guān)注。但是，由于采摘對象的復(fù)雜性和工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化，目前國內(nèi)的采摘自動化程度仍然很低，尤其是采摘機器人的關(guān)健部位—機械手，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制繁瑣等因素，造成工作效率低、生產(chǎn)成本較高，故不能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到普遍的適用。所以對采摘機械手的設(shè)計及控制研究對于今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有深遠意義。關(guān)鍵詞:采摘機械手;抓持采摘0 引言21 世紀是農(nóng)業(yè)機械化向智能化方向發(fā)展的重要時期。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；⒍鄻踊途_化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求逐漸提高，許多作業(yè)項目（如蔬菜和水果的挑選與采摘、蔬菜的嫁接等）都是勞動密集型工作，再加上時令的要求，保證作業(yè)質(zhì)量成為關(guān)鍵問題；同時，工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)勞動力將逐漸向社會其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移；隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高，這樣大大降低了產(chǎn)品的市場競爭力。果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)。采摘作業(yè)季節(jié)性強、勞動強度大、費用高，因此保證果實適時采收、降低收獲作業(yè)費用是農(nóng)業(yè)增收的重要途徑。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘自動化程度仍然很低。目前，國內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是人工進行， 其費用約占成本的 50%~70%，并且時間較為集中。采摘機器人作為農(nóng)業(yè)機器人的重要類型，其作用在于能夠降低工人勞動強度和生產(chǎn)費用、提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實適時采收，因而具有很大發(fā)展?jié)摿Α? 采摘機器人的特點（1）采摘機器人主要工作在非結(jié)構(gòu)化的開放環(huán)境下，環(huán)境條件受季節(jié)和天氣的影響較大，因采摘機器人應(yīng)具有高水平的智能控制系統(tǒng)；（2）采摘機器人的作業(yè)對象表皮組織柔軟、易損傷，由此決定了采摘機器人的末端執(zhí)行器應(yīng)具柔軟性，避免碰傷果實；（3）果實生長位置的隨機性、個體形狀的差異性和成熟期的不一致性等，增加了機器人的視覺定位的難度。（4）采摘機械手的設(shè)計應(yīng)在考慮栽培方式的基礎(chǔ)上使果實處于其作業(yè)空間內(nèi)，并且能避免莖稈、葉子等障礙物，準確抓取到果實，這就要求機械手具有一定的避障能力，必要時可考慮采用冗余度機械手，但自由度多難于控制；（5）采摘機器人的操作者是農(nóng)民，因此要求機器人具有操作簡單的特點，另外還應(yīng)在保證高可靠性的前提下有更低的價位2 機械手機械手又稱操作機，是指具有和人手臂相似的動作功能，并使工作對象能在空間內(nèi)移動的機械裝置，是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體。在采摘機器人中，機械手的主要任務(wù)就是將末端執(zhí)行器移動到可以采摘的目標果實所處的位置，其工作空間要求機器人能夠達到任何一個目標果實。機械手一般可分為直角坐標、圓柱坐標、極坐標、球坐標和多關(guān)節(jié)等多種類型。多關(guān)節(jié)機械手又稱為擬人( 類人) 機器人，相比其它結(jié)構(gòu)比較起來，要求更加靈活和方便。機械手的自由度是衡量機器人性能的重要指標之一，它直接決定了機器人的運動靈活性和控制的復(fù)雜性。2.1 工業(yè)機械手工業(yè)機械手發(fā)展比較迅速，多指手出現(xiàn)在 20 世紀 80 年代，其中最具有代表性的是stanford/JPL 三指手(如圖 2-7)和 Utah/MIT四指手(圖 2-8 )。Salisbury 于 1982 年設(shè)計的 Stanford/JPL 手是當時乃至現(xiàn)在都很具有代表性的三指手，它首次引入了模塊化設(shè)計方法，并模仿人手的結(jié)構(gòu)特點布置手指的相對位置，具有 9 個自由度。StanfordlJPL 手對多指手的貢獻不僅僅在于多關(guān)節(jié)、多自由度的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，更重要的是它首次完整引入了位置、觸覺、力等傳感器系統(tǒng)，從而開始了多指手對外部環(huán)境的感知時代，并開創(chuàng)了多指手實際抓取操作的先河。圖 2-7 StanfordlJPLS 手圖 2-8 Utah/MIT 手1998 年德國研制的 DLR- I 多指手實現(xiàn)了當自由度的數(shù)目超過某個值時，把所有的驅(qū)動器和電路完全集成在手指、手掌或手腕里，被公認為是當時世界上最復(fù)雜、智能化和集成度最高的靈巧手，如圖 2-9。1999 年由美國宇航中心(NASA)研制的 Robonaut 手，如圖 2-10 是一種面向國際空間站應(yīng)用的多指手，其目的是為了在危險的太空環(huán)境中代替人進行艙外操作。圖 2-9DLR 手圖 2-10 NASA Robonaut 手從 20 世紀 80 年代后期開始，我國的很多研究機構(gòu)相繼開展了多指手的研究工作，其中北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面的研究很具代表性。北航對多指手的研究開展較早，并于 1993 年首先研制了我國第一只三指手，然后在此基礎(chǔ)上不斷改進，先后研制了 BUAA- II , BUAA-III 三指手和BUAA 四指手。哈工大在 HIT I 多指手的研究基礎(chǔ)上進行了大量的改進，研制了HIT/DLR 多指手。如圖 2-11 和圖 2-12圖 2 一 11 HIT I 手圖2一12HIT/DLR多指手 2.2農(nóng)業(yè)機械手農(nóng)業(yè)上最早研制的機械手為 SDOF 番茄收獲機械手(Noboru Kawamura eta1,1984) 機械手與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械完全不同，它是由許多桿件組成的空間開式鏈機構(gòu)，具有較采摘機械手的設(shè)計及其控制研究大的靈活性，但是不適合處理重量大的物體，否則會出現(xiàn)負載過重的問題。桿件越多，機械手身的重量越大，尤其用于像西瓜、甜瓜等較人果實收獲與運輸時，機械手設(shè)計必須從組成結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面使其承受較大的負載重量。機械手的控制有點位控制((PTP)和連續(xù)軌跡((CP)控制兩種類型。PTP 控制主要用于在機械手初始位置和目標點之間不存在障礙物的情況，此時不必考慮運動路徑，其路徑也是不可預(yù)測的。有時由于莖葉等障礙物的存在，必須通過控制其電機速度和預(yù)定運動軌跡到達目標位置，進行 CP 控制。末端執(zhí)行器安裝在機械手的末端，其功能類似于人手，是直接與目標物體接觸的部件。在末端執(zhí)行器設(shè)計之前，不僅需要研究工作對象的物理特性(物體大小、體積、形狀、重量)和機械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等)，還包括電特性和光學(xué)特性以及生物學(xué)特性和化學(xué)特性等。末端執(zhí)行器的形式主要有吸盤式(真空式吸盤、噴射式負壓吸盤、擴散式負壓吸盤、擠壓排氣式吸盤、電磁式吸盤等)、針式、噴嘴式、杯狀、多關(guān)節(jié)手爪式、順應(yīng)型指結(jié)構(gòu)等，通常是末端執(zhí)行器都是專用的(N. Kondo, 1998)末端執(zhí)行器所需的重要傳感器主要有觸覺傳感器和接近傳感器。觸覺傳感器包括接觸傳感器、壓力傳感器和滑覺傳感器.接近傳感器通常用來獲得位置信息，識別物體的存在，避障，測量物體的形狀，補償位置傳感器的誤差等。在完成抓取動作后，末端執(zhí)行器還需要將果實與果柄分離。分離方式為切斷或擰斷。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用剪斷果柄而不是擰斷果柄的方式，避免擰斷時給果蔬表面造成傷口，導(dǎo)致病菌侵入使果實腐爛，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但對于某些束狀生長、果柄較短的果實，采用剪斷的方式比較困難。末端執(zhí)行器中手指和關(guān)節(jié)的數(shù)量與抓取效果密切相關(guān)，數(shù)量越多，末端執(zhí)行器的自由度就越多，抓取動作更為靈活，抓取效果更好。但大多數(shù)的靈巧手系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，通用性差，仍停留在實驗室階段，更難以運用到農(nóng)業(yè)工程實踐之中。如何協(xié)調(diào)末端執(zhí)行器的通用性、靈活性和成本之間的矛盾，是果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器研究發(fā)展的方向。3 機械手的設(shè)計3.1 設(shè)計方案果蔬采摘機器人的機械手直接接觸工作對象。為了避免碰傷果實，多數(shù)收獲機器人的手指內(nèi)側(cè)接觸果實的部位采用橡膠和尼龍材料。由于果實的外形有圓形、近似方形、近似長方形等，所以末端執(zhí)行器的設(shè)計應(yīng)著重考慮手指數(shù)量、手指關(guān)節(jié)數(shù)量、尺寸方式等問題。3.2 手指數(shù)量果實的外形有規(guī)則的和不規(guī)則的。對于規(guī)則的小型果實，多數(shù)收獲機器人采用帶有吸盤的 2 個直手指的末端執(zhí)行器直接抓取果實。相對 2 個手指，3 個手指的收獲機器人也有一些研究，抓取果實的穩(wěn)固更好。而采用具有 4 個手指和一個吸盤的西紅柿收獲機器人，效果更好，但難于控制。對于大型的果實，雖然外形規(guī)則，但用 2 個手指顯然不行。西瓜收獲機器人中采用 4 個帶有橡膠的手指，指尖的滑輪沿西瓜表面向下滑動，利用橡膠與西瓜的摩擦力抓住果實。此外，還有一些特殊的手指，梳子式龍?zhí)资种缚梢詫⒐麑嵟c相臨的果實分開。手指的數(shù)量和形狀與果實的外形密切相關(guān)，一般數(shù)量越多，抓取效果越好，但控制也越難，應(yīng)在手指數(shù)量、控制難度和抓取成功率之間找到平衡點。根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求選取 3 個手指最為合適。3.3 手指關(guān)節(jié)數(shù)量對于多數(shù)形狀規(guī)則的果實，多數(shù)收獲機器人采用 1 個關(guān)節(jié)的手指。對于類人的柔性手指，由于材料和控制比較困難，研究成果不多。夏柑收獲機器人的柔性手指，手指的指尖通過細軟鋼絲與人工肌肉相連，當人工肌肉產(chǎn)生收縮力時，鋼絲產(chǎn)生拉力使指尖能夠柔和地彎曲。西紅柿收獲機器人有 4 個具有 4 個關(guān)節(jié)的手指，通過控制纜采摘機械手的設(shè)計及其控制研究繩的伸縮，使手指彎曲成不同的形狀。對于不同的果實，控制鋼絲繩的拉力、拉動的距離、人工肌肉的收縮力等的控制都比較難。鑒于關(guān)節(jié)的控制比較難，和設(shè)計要求考慮采用兩個關(guān)節(jié)的手指。3.4 尺寸的設(shè)定機械手的結(jié)構(gòu)尺寸可以參考人類手指的長度比例，并加以適當放大或縮小，或根據(jù)所設(shè)計的多指靈巧手的使用場合作適當?shù)某叽缯{(diào)整。通過對某學(xué)校的青年學(xué)生的手指長度的測量，得到了如表 1 所示的結(jié)果。表 1-1 和表 1-2 中所列出的人手的各關(guān)節(jié)（如圖3-1）長度尺寸值可以作為設(shè)計多指靈巧手的手指長度的參考。圖 3-1 擬人手指簡圖4 其他零件的設(shè)計 4.1 手掌的設(shè)計為了使手指能在手掌上旋轉(zhuǎn)運動形成不同的角度，將手掌底座設(shè)計成圓盤型如圖 4-1 所示。掌心則是長方形。兩邊形成圓角便于手指的旋轉(zhuǎn)如圖 4-2圖 4-1 手掌底座圖 4-2 掌心4.2 手指底座采摘手就兩個指節(jié)，要完成在手掌上的旋轉(zhuǎn)需要有個連接底座。一是支撐手指，二是完成旋轉(zhuǎn)運動其結(jié)構(gòu)如圖 4-3 所示 圖 4-3 手指底座在手指底座的左端連接在手掌上，并由異步電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。在右邊的結(jié)構(gòu)中來連接第一個關(guān)節(jié)，并安裝微型電機通過齒輪傳動使手指完成抓取運動。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4-4圖 4-4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.3 第一個指節(jié)第一個指節(jié)長 55mm，寬 22mm。通過一個連接件與手指底座的傳動軸過度連接，從而帶動手指的轉(zhuǎn)動。同時在一手指內(nèi)也裝有一個異步電機，來傳動第二個手指轉(zhuǎn)動。連接件如圖 5-5，手指零件如圖 4-6，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4-7圖 4-5 連接件圖 4-6 手指一零件圖 4-7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.4 第二個指節(jié)第二個指節(jié)長 40mm，它的動力來源是第一個指節(jié)上的電機。根據(jù)人機工程學(xué)理論，人手在自然狀態(tài)下手指成彎曲狀態(tài)，當手掌繃緊時指尖也與手掌自然形成一定角度。通過測量這個角度平均在 之間。所以?60~3在設(shè)計中第二個指節(jié)與第一個指節(jié)通過連接件連接時的起始位置就形成一個 角。連?45接件和指節(jié)二如圖 5-8 和 5-9 所示，手指總裝配如圖 4-10 所示。圖 4-8 連接件圖 4-9 指節(jié)二圖 4-10 手指總裝配圖5 工作形態(tài)因為果蔬的形態(tài)各有不同，采摘機械手可以變換手指位置對不同形狀的果蔬進行抓去任務(wù)。通過 Solidworks 建模進行間隙驗證推算抓取范圍。下面對主要的三種形態(tài)進行分析。5.1 形態(tài)一三指并攏狀態(tài)如圖 7-2 所示，最小抓取直徑為 16.5mm，最大抓取直徑為 60mm，長度大于 80mm 的棒狀物體，如黃瓜之類的果蔬最佳，抓取狀態(tài)如圖 5-3 和 5-4 所示。圖 5-2 形態(tài)一圖 5-3 最小抓取形態(tài)圖 5-4 最大抓取形態(tài)5.2 形態(tài)二形態(tài)二如圖 5-5 所示三指互成 120°，在這種狀態(tài)抓取球狀物體最為穩(wěn)定。抓取范圍為直徑在 70—100mm 之間球體。抓取形態(tài)如圖 5-6 和 5-7 所示。圖 5-5 形態(tài)二圖 5-6 最小抓取 圖 5-7 最大抓取5.3 形態(tài)三形態(tài)三如圖 5-8 所示，兩個活動手指平行達與固定手指對立相比形態(tài)一抓取做大直徑為 95mm。如圖 5-9 所示圖 5-8 形態(tài)三 圖 5-9 最大抓取6結(jié)束語目前，大部分果蔬采摘機器人還處于研究階段，離實用化和商品化還有一定的距離。在采摘機器人的智能化果實識別和定位、機械本體的優(yōu)化設(shè)計、路徑規(guī)劃和運動控制技術(shù)、開放式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等方面有待進一步的研究。隨著農(nóng)業(yè)工廠化經(jīng)營模式的推廣和采摘機器人成本的降低，相信采摘機器人最終會走出實驗室，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備技術(shù)精細化、自動化、智能化方向的發(fā)展。參考文獻[1] 吳宗澤,羅盛國.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊.3 版.北京:高等教育出版社 2006.5.[2] 濮良貴,紀名剛.機械設(shè)計.8 版.北京:高等教育出版社,2006.5.[3] 毛謙德,李振清.袖珍機械設(shè)計手冊.2 版.北京:機械工業(yè)出版社,2002.[4] 孫桓,陳作模,葛文杰.機械原理.7 版.北京:高等教育出版社,2006.5. 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Especially, the structure of manipulator that is the key part of harvesting robot is complicated and it is very difficult to control, which causes low in the production efficiency and high in the production cost. Therefore it is not likely to adapt this manipulator widely in agriculture. It is very important to do much research on the design and control of apple harvesting manipulator for the future agriculture.Key words:harvesting manipulator; grasping and picking