番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)概要

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1、2008年3月 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 第39卷第3期 番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)3 劉繼展李萍萍李智國(guó) 【摘要】設(shè)計(jì)的基于多傳感器信息融合和開(kāi)放式控制的智能型番茄采摘 機(jī)器人末端執(zhí)行器，其硬件主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)中真空吸盤裝置使果實(shí)從果束中分離，手指夾持機(jī)構(gòu)對(duì)番茄可靠抓持，果梗切斷裝置利用激光對(duì)果梗進(jìn)行切斷。該末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)質(zhì)量為112kg,完成一次采摘 動(dòng)作只需3s。只需更換聯(lián)接板，即可與其他機(jī)械手順利聯(lián)接。 關(guān)鍵詞:番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器多傳感器硬件設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TP24216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 1學(xué) HardwareDesign

2、oftheEnd2effectorfor2LiuJizhanLi(UAnend2effectorfortomato2harvestingrobotwasdevelopedbasedonmulti2sensorinformationfusionandopencontrol.Theend2effectoriscomposedofactuatingsystem,perceptionsystem,controlsystemandpower2supplysystem.Inactuatingsystem,thevacuumsuctionpaddeviceseparatesthefruitfromthecl

3、uster,andthenagrippergraspsthetomatofruitreliably,finallythepeduncle2cuttingdevicecutsthepedunclewithlaser.Designmassofthisend2effectoris112kg,whichneedsonly3stoperformactionsofharvesting.Bychangingaconnectingplate,theend2effectorcanbemountedondifferentmanipulators. KeywordsTomato2harvestingrobot,E

4、nd2effector,Multi2sensor,Hardware,Design 收稿日期：2007203214 3國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào):60575020劉繼展江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師博士生，212013鎮(zhèn)江市李萍萍 江蘇大學(xué)副校長(zhǎng)教授博士生導(dǎo)師李智國(guó)江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院碩士生 引言 采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)械手前端，直接與采摘目標(biāo)相接觸，以實(shí)現(xiàn)果蔬采摘所需運(yùn)動(dòng)和附加功能的裝置，是采摘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)果蔬采摘的關(guān)鍵執(zhí)行部分。與工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器相比，由于其作業(yè)對(duì)象和環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復(fù)雜多變性特征，采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有明

5、顯的特殊性和更高的智能化要求。 日本、美國(guó)、荷蘭等國(guó)曾開(kāi)發(fā)了各類末端執(zhí)行器[1?10],但智能化程度較低，對(duì)于作業(yè)對(duì)象與環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復(fù)雜多變性缺乏適應(yīng)能力，影響了果實(shí) 采摘的效率和成功率；末端執(zhí)行器的移動(dòng) 性和輕便性差，多數(shù)采摘機(jī)器人及其末端執(zhí)行器由交流供電，無(wú)法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)采摘，普普通鉛酸電池的體積、質(zhì)量和容量等則難以達(dá)到要求；采摘機(jī)器人及其末端執(zhí)行 器應(yīng)用工控機(jī)控制，輕便性差，靈活性不足。我國(guó)目前雖然在果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)器視覺(jué)、智能小車、機(jī)械手等研究上均已取得一定進(jìn)展，末端執(zhí)行器的研究卻仍是空 白。為此，提出一種基于多傳感器信息融合和開(kāi)放式控制的智能型番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)

6、行器，并進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。 1總體結(jié)構(gòu)與原理 本采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器以番茄為主要對(duì)象，具硬件由執(zhí)行系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng) 1994-2008 組成，其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)感知系統(tǒng)中距 離與接近傳感器獲取作業(yè)對(duì)象的位置、距離、形狀等信息，通過(guò)多傳感器的信息融合，控制真空吸盤前進(jìn)，當(dāng)吸住果實(shí)后拉動(dòng)其后退，使果實(shí)從果束中分離出來(lái)；手指合攏，通過(guò)力傳感器反饋夾持力與滑動(dòng)等信息，控制手指可靠夾持而又不對(duì)果實(shí)造成破壞；激光聚焦透鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，定位于果梗并由激光束將果梗切斷；機(jī)械手帶動(dòng)末端執(zhí)行器將果實(shí)放入貯藏箱，從而完成番茄的采摘 12II1098 圖1Fig.1

7、Bodyof2robot 1.手指2.3.4、8、11.直流伺服電動(dòng) 機(jī)5.6.齒條7.外殼9、10.錐齒輪12.齒輪 2執(zhí)行系統(tǒng) 番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的執(zhí)行系統(tǒng)包括真空吸盤裝置、手指夾持機(jī)構(gòu)和果梗激光切斷裝置，分 別完成果實(shí)吸附拉動(dòng)、夾持和切斷動(dòng)作。211真空吸盤裝置 番茄成束生長(zhǎng)，為了使目標(biāo)果實(shí)從果實(shí)束中脫離出來(lái)，以增加手指夾持的成功率并避免在夾持過(guò)程中手指對(duì)其他果實(shí)的損害，設(shè)置了真空吸盤裝置。該裝置包括真空系統(tǒng)和吸盤進(jìn)給機(jī)構(gòu)。 真空系統(tǒng)用于使吸盤產(chǎn)生吸力，穩(wěn)定可靠吸住果實(shí)，由真空發(fā)生設(shè)備、真空監(jiān)測(cè)控制元件、吸盤和聯(lián)接附件組成。考慮移動(dòng)式采摘機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)特點(diǎn)，采用小

8、 型壓縮氣罐為氣源，與集成了監(jiān)測(cè)控制元件、質(zhì)量?jī)H為01275kg的小型真空發(fā)生器共同作為真空發(fā)生設(shè)備；采用適應(yīng)曲面及不平整工件、具有良好緩沖性能的真空波紋吸盤，由真空軟管、接頭等附件聯(lián)接組成番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的真空系統(tǒng)。吸盤進(jìn)給機(jī)構(gòu)中，真空波紋吸盤固定于齒條的前端，由微型直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)帶動(dòng)吸盤前進(jìn)和后退，并與真空系統(tǒng)相配合，完成吸住并拉動(dòng)果實(shí)的任務(wù)。該裝置中吸盤直徑20mm，吸力和拉脫力分別為318N、1211N ,行程為110mm（圖2。 212手指夾持機(jī)構(gòu) 圖2手指尺寸及吸盤行程 Fig. 2 Fingersizeandpadstroked

9、指夾持機(jī)構(gòu)用于抓緊果實(shí),以便進(jìn)行果梗的斷開(kāi)，手指數(shù)目可以為兩指或多指。多指末端執(zhí)行器雖然夾持更為穩(wěn)定可靠，但機(jī)構(gòu) 及控制的復(fù)雜性增加，通用性變差，同時(shí)在采摘空間中與果梗、枝葉的干涉現(xiàn)象也會(huì)隨之增 多，故設(shè)計(jì)中采用了兩指 夾持方 式。手指寬為45mm，為了增強(qiáng)夾持的可靠性,面，5mm（一帶動(dòng) ,使與之,從而合攏或者松開(kāi)。兩指夾持力可達(dá)30N,可在015s內(nèi)對(duì)＜40?90mm番茄果實(shí)完成夾持。213果梗激光切斷裝置 番茄采摘機(jī)器人必須通過(guò)各種方式將梗斷開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的采摘。目前一般利用剪刀剪切或扭斷的方法，但是剪刀剪切要求具有相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，并有較大的驅(qū)動(dòng)力這會(huì)增大采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的

10、尺寸和質(zhì)量；同時(shí)，剪刀剪切會(huì)帶來(lái)植株間病菌的相互傳染和果實(shí)水分的流失。利用扭斷果梗的方法，要求對(duì)果實(shí)有較大的夾緊力，因而必須精確控制夾緊力，否則容易造成果實(shí)的破裂和損傷。 圖3果梗切斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig. 3 Schematicdiagramofpeduncle2cuttingdevice 1 .聚焦透鏡2.固定環(huán)3.止推軸承4.直流伺服電動(dòng)機(jī)5.光纖6.電壓表 7.時(shí)間繼電器8.可變電阻9.電流表10.電源開(kāi)關(guān)11.鋰電池組 為了克服現(xiàn)有果梗分離裝置的不足，設(shè)計(jì)了一種果梗激光切斷裝置（圖3,通過(guò)非接觸式的激光能夠方便地切斷果梗，并大大降低機(jī)器人末端執(zhí)行 011農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)20

11、08年 器裝置的復(fù)雜性和對(duì)夾緊力控制精度的要求。果梗激光切斷裝置由激光發(fā)生控 制單元和果梗聚焦切斷單元組成。其中激光發(fā)生控制單元由尺寸僅為92mm X86mmX20mm的小型30W高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器和保護(hù)控制電路組成，保護(hù)控制電路對(duì)激光器進(jìn)行直流供電和穩(wěn)壓保護(hù)，通過(guò)并聯(lián)的可變電阻調(diào)節(jié)激光器供電電流。果梗聚焦切斷單元由聚焦透鏡、直流伺服電動(dòng)機(jī)、聯(lián)接與支承部件組成。 激光器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SMA905型光纖連接頭與聚焦透鏡聯(lián)接。作業(yè)時(shí)由固定于機(jī)械手上的雙目視覺(jué)系統(tǒng)與末端執(zhí)行器上的距離傳感器相配合，以進(jìn)行果梗的精確定位；通過(guò)直流伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)聚焦透鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，使透鏡對(duì)準(zhǔn)果梗；由電磁閥控制激光器

12、打開(kāi)，激光束聚焦于果梗上(焦距為50mm將其切斷。聚焦透鏡的傾角可以進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同品種果實(shí)的梗長(zhǎng)需要。 3感知系統(tǒng) 、接近傳感器、指力傳感器、腕力傳感器和壓力傳感器組成，以充分感知末端 執(zhí)行器的內(nèi)部和外部信息。其中內(nèi)部感覺(jué)包括：①在直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，與直流電動(dòng)機(jī)和微型減速器集成為一體的直流伺服電動(dòng)機(jī)編碼器，用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，構(gòu)成半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，以精確控制真空吸盤、手指和激光聚焦透鏡的運(yùn)動(dòng)位置和速度。②在真空發(fā)生器中集成壓力傳感器，測(cè)量并反饋真空負(fù)壓，判斷真空波紋吸盤對(duì)果實(shí)的吸附和拉動(dòng)狀態(tài)，并為末端執(zhí)行器的下一步動(dòng)作提供信息。 番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器借助多種傳感

13、器來(lái)充分感知作業(yè)目標(biāo)及環(huán)境的距離覺(jué)、接近覺(jué)、力覺(jué)等外部信息：①在末端執(zhí)行器中部安裝有遠(yuǎn)距傳感器，可以檢測(cè)20?150cm范圍內(nèi)物體的距離；在兩手指前端分別安裝1個(gè)近距傳感器，可以檢測(cè)10?60cm范圍內(nèi)物體的距離；在兩手指前端分別安裝1個(gè)接近傳感器，用來(lái)感知10cm距離范圍內(nèi)物體的接近情況。以上1個(gè)遠(yuǎn)距傳感器、2個(gè)近距傳感器和2個(gè)接近傳感器所獲取的信息相融合，以輔助采摘機(jī)器人及其末端執(zhí)行器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、空問(wèn)定位、測(cè)定果實(shí)的表面形狀、決定抓取的姿態(tài)和動(dòng)作并避免手指對(duì)果實(shí)的碰撞。 ②在末端執(zhí)行器兩手指內(nèi)側(cè)面分別安裝了三維指力傳感器，能同時(shí)檢測(cè)三維力信息(Fx,Fy,Fz,在末端執(zhí)行器與機(jī)械手腕部連接

14、處安裝有六維腕力/力矩傳感器，可以同時(shí)檢測(cè)三維空間內(nèi)的全部力和力矩信息(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz。 2個(gè)三維指力傳感器和1個(gè)六維腕力/力矩傳感器 感知的力覺(jué)信息相融合，以檢測(cè)控制手指對(duì)果實(shí)的夾持力和滑動(dòng)摩擦力，實(shí)現(xiàn)對(duì) 果實(shí)的精確可靠抓持； 六修眼。中梅悟制 健mK計(jì)?機(jī) 同時(shí)感測(cè)末端執(zhí)行器抓取的姿態(tài)和對(duì)果實(shí)進(jìn)行稱量 ，根據(jù)果實(shí)質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)。 4控制系統(tǒng) 以便攜式計(jì)算機(jī)+多軸運(yùn)動(dòng)控制卡為上位控制單元 ，構(gòu)建開(kāi)放式控制系統(tǒng)（圖 質(zhì)量輕，無(wú)需交流電源，更 4。與工控機(jī)和臺(tái)式機(jī)相比，便攜式計(jì)算機(jī)占用空間小、 適合于移動(dòng)采摘機(jī)器人和末端執(zhí)行

15、器的控制。便攜式計(jì)算機(jī)與多軸運(yùn)動(dòng)控制卡之間以USB方式進(jìn)行通訊，方便聯(lián)接和斷開(kāi)；多軸運(yùn)動(dòng)控 制卡內(nèi)置DSP數(shù)字信號(hào)處理器,便攜式計(jì)算機(jī)，一使采摘、靈活。 圖4末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)組成框圖 Fig. ：0 4Composingofcontrolsystemfortheend2effector 末端執(zhí)行器的所有傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換 由擴(kuò)展I/O口輸入多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，同時(shí)通過(guò)多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的I/O口輸出控制信號(hào)，構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。輸出控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)放大，控制電動(dòng)機(jī)的位 置和速度，實(shí)現(xiàn)手指夾持機(jī)構(gòu)和真空吸盤機(jī)構(gòu)的力與運(yùn)動(dòng)的精確控制。同時(shí)通過(guò)電磁閥控制真空發(fā)生器的開(kāi)閉

16、，通過(guò)繼電器控制光纖耦合半導(dǎo)體激光器的開(kāi)閉，按照一定的順序執(zhí)行動(dòng)作，完成果實(shí)的采摘。 1 11第3期劉繼展等：番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的 硬件設(shè)計(jì) 該控制系統(tǒng)開(kāi)放、靈活、功能強(qiáng)大、易于擴(kuò)展，并 可與機(jī)器人本體控制器進(jìn)行通訊。 5結(jié)束語(yǔ) 番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器集一系列最新技術(shù)及元器件、設(shè)備于一體。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用瑞士Maxon微型直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，其中最小的電動(dòng)機(jī)及減速器總質(zhì)量?jī)H為9g。同時(shí)考慮采摘機(jī)器人在田間或溫室環(huán)境下的移動(dòng)作業(yè)，該末端執(zhí)行器采 用 質(zhì)量、體積僅為普通鉛酸電池的1/3?1/4,且容量大、壽命長(zhǎng)的高能鋰電池組進(jìn)行供電。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量?jī)H為112kg，末端執(zhí)

17、行器完成采摘?jiǎng)幼鞯臅r(shí)間為3s。除了應(yīng)用于 番茄采摘以外，對(duì)形狀大小相近的柑橘、蘋果等也具有一定的通用性。該末端執(zhí)行器硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中注重了末端執(zhí)行器機(jī)械主體與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有機(jī)器人本體、特別是機(jī)械手的良好匹配，同時(shí)只需更換聯(lián)接板，即可實(shí)現(xiàn)與其他機(jī)械手的順利聯(lián)接。 參 考 文 獻(xiàn) 1ShinsukeKitamura,KoichiOka.Recognitionandcuttingsystemofsweetpepperforpickingrobotingreenhousehorticulture 1 C]//ProceedingsoftheIEEEInternationalConference

18、onMechatronics&Automation,NiagaraFalls,2005. 2 BulanonetDM,KataokaT,OkamotoH,etal.Determingthe32Dlocationoftheapplefruitduring[C]//Proceed2ingsoftheASAEConference,2004. 3 AchmadIrwanSetiawan,TomonariFurukawa,AdamPreston.low 2[C]//Proceed2ingsoftheIEEEInternationalConferenceonRobotics&4SeiichiArim

19、a,NaoshiKondo,Sakae,robot;informationfromspray2ing,harvesting[C]ofIEEE/ASMEInternationalConferenceonAdvanced5GANNO,YukitsuguISHII,etal.Roboticharvestingsystemforeggplants[J].JARQ, 2002,36(:163?168. 6 VanHentenEJ,HemmingJ,VanTuijlBAJ,etal.Anautonomousrobotforharvestingcucumbersingreenhouses[J]. Au

20、tonomousRobots,2002(13:24卜258. 7 ChoSI,ChangSJ,KimYY,etal.Developmentofathree2degrees2of2freedomrobotforharvestinglettuceusingmachine visionandfuzzylogiccontrol[J].BiosystemsEngineering,2002,82(2:14?149. 8 MontaM,KondoN,TingKC.End2effectorsfortomatoharvestingrobot[J].ArtificialIntelligenceReview,

21、1998, 12(1?3:11?25. 9KondoN,TingKC.Roboticsforplantproduction[J].ArtificialIntelligenceReview,1998,12(1?3:227?243.10李芳繁，王智立.采摘柑橘果實(shí)機(jī)器手臂之研制[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)刊，1999,8(3:1?8.11方建軍.采摘機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(5:83?86. 12李明基,毛罕平,張艷誠(chéng).基于提升小波和分形的蘋果樹(shù)多源圖像融合算法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(10:91?93,121. (上接第108頁(yè) 微軟公司的VFW軟

22、件連續(xù)采集圖像，利用提出的圖像分割算法將農(nóng)作物從土壤背景中分割出來(lái)，利用Hough變換檢測(cè)出農(nóng)作物行的中心線，計(jì)算出除 草機(jī)器人的位姿。試驗(yàn)表明，光照變化、陰影對(duì)圖像分割算法的影響較小，可以適應(yīng)田間環(huán)境；除草機(jī)器人位姿計(jì)算值與測(cè)量值誤差小。 文獻(xiàn) 1楊為民，李天石，賈鴻社.農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004,20(1:160?165. 2趙穎，陳兵旗，王書茂,等.基于機(jī)器視覺(jué)的耕作機(jī)器人行走目標(biāo)直線檢測(cè)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006,37(4:83?86.3WilliamKPratt.數(shù)字圖像處理[M].鄧魯華,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005. 4張衛(wèi)，杜尚豐

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