草莓采摘機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、草莓采摘機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘要 隨著草莓種植的推廣。國內(nèi)草莓種植面積迅猛增加，收獲勞動力不足。嚴(yán)重制約草莓種植的發(fā)展，因此有必要進行智能草莓采摘機器人研究，來替代人來完成該項費時、費力的采摘工作。草莓采摘機器人要求能自動檢測成熟草莓的位置信息，然后根據(jù)這些信息控制機器人的執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)草莓采摘的自動化。 本文首先綜合敘述了草莓生產(chǎn)現(xiàn)狀以及草莓采摘機器人國內(nèi)外研究狀況，再根據(jù)國內(nèi)北方地壟式草莓種植的情況，設(shè)計出草莓采摘機器人機械本體，提出一種五自由度關(guān)節(jié)型草莓采摘機械手臂，五個自由度分別為：腰轉(zhuǎn)、肩轉(zhuǎn)、肘轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)和腕擺，并開發(fā)了一種末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式，該末端執(zhí)行器主要由伺服電機、曲

2、柄滑塊機構(gòu)、動夾、鎳鉻電熱絲組成，不以草莓果實作為抓取目標(biāo)，而是夾切草莓果柄，不傷害果實，同時采用鎳鉻電熱絲切割果柄可以防止切口感染細(xì)菌而腐爛，影響果實品質(zhì)。與此同時，還在solidworks中構(gòu)建了草莓采摘機器人、末端執(zhí)行器的三維模型，還生成了相關(guān)重要部件的工程圖，便于后期的使用。 關(guān)鍵字： 草莓采摘機器人，機械本體，五自由度草莓采摘機械手臂，末端執(zhí)行器 Strawberry picking robot mechanical structure design Abstract： With the popularization of th

3、e strawberry. The strawberry planting area increased rapidly, the harvest labor shortage. Development is restricted by the strawberry, it is necessary to carry out intelligent strawberry harvesting robot, instead of people to complete the time-consuming, laborious harvesting. Strawberry picking robo

4、t position information requirements can automatically detect ripe strawberry, then according to these information to control the robot actuator, realize the automation of picking strawberry. This paper describes comprehensively the research status at home and abroad as well as the robot strawberry

5、production status of strawberry picking, then according to the North ridge type strawberry planting conditions, calculate and design the appropriate size of the strawberry picking vehicle body, put forward a kind of five degrees of freedom articulated strawberry picking manipulator, and the developm

6、ent of the structure of an end effector. At the same time, the author constructs a 3D model, strawberry picking robot end effector in SolidWorks, also generated the end effector and the mechanical arm of the engineering drawing, convenient for later viewing and processing. Key words: Strawberry pi

7、cking robots; Mechanical body;Five degree of freedom manipulator; The end effector 目 錄 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 工作環(huán)境和作業(yè)要求 1 1.3 草莓采摘機器人國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.3.1國外研究現(xiàn)狀 2 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.4 研究的目標(biāo)和內(nèi)容 3 1.4.1 研究目標(biāo) 3 1.4.2 研究內(nèi)容 3 2 草莓采摘機器人機械本體設(shè)計 3 3 草莓采摘機器人五自由度機械手臂設(shè)計 4 3.1 采摘機器人機構(gòu)選型原則 4 3.2 機械臂的設(shè)計 5 3

8、.2.1 設(shè)計要求 5 3.2.2 機械手臂的選擇 6 3.3 機械手手腕的設(shè)計 6 3.3.1 手腕設(shè)計的基本要求 7 3.3.2 草莓采摘機械手手腕的結(jié)構(gòu)型設(shè)計 7 3.4 機械手的結(jié)構(gòu)型式 7 3.5 機械手運動學(xué)方程的建立 8 3.5.1 正運動學(xué)模型 8 3.5.2 逆運動學(xué)模型 10 4 草莓采摘機器人末端執(zhí)行器設(shè)計 13 4.1 末端執(zhí)行器介紹 13 4.2 末端執(zhí)行器的分類 13 4.2.1 兩個手爪的末端執(zhí)行器 13 4.2.2 兩個以上手爪的末端執(zhí)行器 14 4.3 夾持式末端執(zhí)行器的選型 14 4.3.1 夾持式末端執(zhí)行選擇的基本要求 14

9、 4.4 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)型式和工作原理 14 4.4.1 整體結(jié)構(gòu) 15 4.4.2 工作原理 15 4.5 主要部件設(shè)計 16 4.5.1 傳動部分設(shè)計 16 4.5.2 抓取和切斷機構(gòu)設(shè)計 17 5 結(jié)論與建議 17 5.1 結(jié)論 17 5.2 工作展望和建議 17 參考文獻 18 致謝 19 草莓采摘機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 草莓采摘機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 緒論 1.1 引言 草莓在世界絕大多數(shù)地區(qū)都有種植，因其甜美的味道及豐富的營養(yǎng)價值，頗獲大家喜歡。其中我國草莓種植面積達10萬公頃。然而為了保證草莓的外觀品質(zhì)和營養(yǎng)價值，必須在收獲季節(jié)每天早晚時刻挑選并采

10、摘草莓果實。其勞動強度之大，成本之高，約占草莓種植生產(chǎn)成本的四分之一。因此減輕勞動強度，降低生產(chǎn)成本，成了草莓收獲的重中之重。日本率先研制出以高架栽培為種植模式的草莓采摘機器人［1]，Kondo 等人于2010年研制的草莓采摘機器人單循環(huán)作業(yè)用時11.5s，采摘成功率約41.3%。國內(nèi)徐麗明、張鐵中等人針對壟作式草莓種植的自動化采摘設(shè)備進行了研究[2]。不過上述自動化采摘設(shè)備在機械手爪定位精度，采摘作業(yè)效率，果實無損采摘等方面距離實際需要還有一定不足。 本文針對地壟栽培模式下草莓的生長方式，對草莓收獲機器人的主要組成單元——采摘機器人機械本體、機械手臂和機末端執(zhí)行器進行研究并設(shè)計模型，達到對

11、一定范圍內(nèi)成熟草莓進行無損傷采摘。 1.2 工作環(huán)境和作業(yè)要求 我國大多數(shù)草莓種植是壟作栽培模式，地壟截面成等腰梯形，壟頂寬400 mm，壟底寬600 mm，高250 mm[3]。草莓植株生長于壟頂部，果實長出后伏在壟側(cè)面，成熟草莓果實上方一段果柄與壟側(cè)壁有10 ～20 mm間隙，相鄰兩壟間為寬度約500 mm 的壟溝( 圖1-1) 。 本文要求在現(xiàn)有農(nóng)藝條件下，設(shè)計出合適尺寸的車身模型，設(shè)計出可以達到壟面一定范圍的機械手，以及可以高效且少傷果實的末端執(zhí)行器。 2 1 （a） 3 5 4 (b） ( a) 草莓田實景 ( b) 地壟截

12、面 1 壟溝2 地壟3 果柄4 草莓果實5 壟側(cè)面 圖1-1壟作栽培模式下的草莓田間環(huán)境 1.3 草莓采摘機器人國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1.3.1國外研究現(xiàn)狀 國外自動化采摘設(shè)備發(fā)展十分迅速。自從1983年在美國誕生了第一臺西紅柿采摘機器人，采摘機器人的開發(fā)和研究已經(jīng)有二十多年的歷史，期間摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等機器人相繼在日本和歐美等多家研制成功。 對于草莓采摘機器人的研究，目前處于初級階段。 1） 日本Kondo等人針對草莓的不同栽培模式（高架栽培模式和傳統(tǒng)栽培模式）研制出了相應(yīng)得采摘機器人[4]。高架栽培模式由于適合機器人作業(yè)被越來越多地采用，該機器人采用5自由度采

13、摘機械手，視覺系統(tǒng)與西紅柿采摘機器人類似，機械手采用真空系統(tǒng)和切割器組成。收貨時，由視覺系統(tǒng)計算采摘目標(biāo)的空間位置，接著采摘機械手移動到預(yù)定位置，機械手向下移動直到把草莓吸入；由光電開關(guān)檢測草莓的位置，當(dāng)草莓位于合適位置時，腕關(guān)節(jié)移動，果梗進入指定位置，由切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成采摘。 2） 日本宮崎大學(xué)研制設(shè)計了高地隙跨壟作業(yè)4自由度的草莓收獲機器人[5]。該機器人采用兩個CCD照相機獲取草莓的圖像，計算出草莓的中心方向，用激光傳感器測量手爪到草莓的距離，通過采用兩個直的手指來抓取草莓果柄，避免了對果實的傷害。采用切刀切斷果柄。 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1） 草莓選果機[6]。栃木縣

14、農(nóng)業(yè)試驗場開發(fā)了非常實用的草莓選果機。該設(shè)備可根據(jù)每一個草莓的含糖量和果實大小進行選擇，并可以把選好的草莓裝入塑料袋內(nèi)，整個過程是全自動作業(yè)，每小時可分選草莓5300多公斤。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)運用雙目立體視覺技術(shù)，對圖像的二維直方圖進行腐蝕、膨脹、去除小團塊，用擬合曲線實現(xiàn)彩色圖像的分割，既而分離果實，并將二維圖像恢復(fù)成三維坐標(biāo)，實現(xiàn)了果實定位[7]。 2） 浙江大學(xué)梁喜鳳等人對采摘機器人的機械手做了一定的研究，提出了評價采摘機械手工作性能的性能指標(biāo)；工作空間、可操作度、避障能力、冗余空間與姿態(tài)多樣性。 3） 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用草莓圖像的彩色模型中的特定通道信息，對成熟草莓進行了識別，并初步建立了

15、橋架式直角坐標(biāo)機器人，還在水果采摘機器人三維視覺系統(tǒng)的過程中，提出了一種基于果實表面顏色色彩空間參照表的果實目標(biāo)識別新方法，使計算機系統(tǒng)適用多種果實[8]。 目前，草莓采摘機器人的智能水平還很有限，不管是國內(nèi)還是國外的草莓采摘機器人，離商品化和實用化還有一定的差距。差距如下： 1） 沒有設(shè)計出合理的末端執(zhí)行器，抓取過程中容易損傷草莓的果皮； 2） 沒有設(shè)計出理想的機械手，很難達到有效的采摘范圍； 3） 采摘效率不高，誤差大。 1.4 研究的目標(biāo)和內(nèi)容 1.4.1 研究目標(biāo) 目前研制草莓采摘機器人用于國內(nèi)棚載草莓的收獲，使其具有使用價值，需要在以下兩個方面進行努力： 1） 研究結(jié)

16、構(gòu)合理，柔韌度高，不傷果皮的末端執(zhí)行器； 2） 研究結(jié)構(gòu)簡單，覆蓋范圍廣的機械手臂； 3） 制定出高效的采摘方案，使采摘效率要高于人工采摘效率。 針對以上三點，本文將選擇產(chǎn)量高、規(guī)模大的北方溫室大棚壟作栽培的草莓為研究對象，對草莓采摘機器人進行設(shè)計和研究。 1.4.2 研究內(nèi)容 本文對草莓采摘機器人的設(shè)計和研究包括以下幾個方面： 1） 機械本體設(shè)計； 2） 五自由度機械手臂設(shè)計； 3） 末端執(zhí)行器設(shè)計。 2 草莓采摘機器人機械本體設(shè)計 根據(jù)上述工作環(huán)境和作業(yè)要求，草莓栽培溫室具有溫度高、溝壟窄而面不平整、壟面低矮等特點，標(biāo)準(zhǔn)溫室溝壟略寬且平整，壟面也略高一些?；谶@些特點，

17、草莓采摘機器人要求做到以下幾點： 1) 溫室大棚中農(nóng)民行走的路面較窄，若采用氣動或液動作為動力源，氣泵或液壓缸個體較大，不宜搬移；同時氣動、液壓成本高，不符合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀。因此，使用電動裝置成為最佳選擇。 2) 為了提高生產(chǎn)效率，溫室的草莓種植情況，如壟面寬、壟溝寬、溝深并非采取標(biāo)準(zhǔn)尺寸，且可能比標(biāo)準(zhǔn)尺寸更??；同時溝面不平整。因此，在溝面不平整的溫室中采用跨壟式或者懸掛式移動機構(gòu)，而在比較標(biāo)準(zhǔn)的溫室中可以采用四輪驅(qū)動行走機構(gòu)。 本設(shè)計采用跨壟四輪行走機構(gòu)，其實物如圖2-1所示。本體設(shè)計以步進電機作為動力裝置，根據(jù)驅(qū)動器發(fā)出的脈沖信號驅(qū)動機器人沿溝壟前進。在機身的上方是

18、五自由度機械手臂，用伺服電機作為動力源，根據(jù)驅(qū)動器發(fā)出的脈沖信號，使機械手臂達到指定位置。同時在機械手下方安裝一個小框，用于放置草莓果實，在設(shè)定好的時間內(nèi)裝滿后，由工作人員更換小框。整個執(zhí)行機構(gòu)都安裝在小車上，可以進行固定距離的移動。 圖2-1 草莓采摘機器人三維模型 3 草莓采摘機器人五自由度機械臂設(shè)計 采摘機器人既要遵循工業(yè)機器人的機械臂機構(gòu)，又要依據(jù)不同的采摘對象做出合理的選擇。因此本文將機械手分兩個模塊來進行選型和設(shè)計，即手臂和手腕。手臂是支撐末端執(zhí)行器的重要器件，使其可以在固定的范圍內(nèi)移動，并可以將采摘到的草莓送到小框[9]。手腕的作用是在機械手臂運動的基礎(chǔ)上進一步改變

19、末端執(zhí)行器在空間的方位，使機械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強。 3.1 采摘機器人機構(gòu)選型原則 由于草莓種植環(huán)境的復(fù)雜性，不確定性和果實分布的無規(guī)則，采摘機械手在選型上既要遵循工業(yè)機械手的基本原則，又要考慮其作物的特殊性。從而得出如下選型原則： 1）遵循工業(yè)機械臂的基本選型原則，工業(yè)機械臂主要有四種形式（圖3-1），其具體功能特點如下[10—12]： （1） 直角坐標(biāo)型：其外形輪廓與數(shù)控鏜銑床相似，3個關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直。這種形式的主要特點是剛性好、精度高，缺點是占地面積大，工作空間小。 （2） 圓柱坐標(biāo)型：選型機械臂前三個關(guān)節(jié)為兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。這種形式的機器

20、人占用空間，結(jié)構(gòu)簡單。 （3） 極坐標(biāo)型：具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。改型機器人的有點是，靈活性好，占地面積小，但剛度、精度教差。 （4） 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 ：前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點是動作靈活，工作空間大，占地面積小，缺點是剛度精度差。 圖3-1 工業(yè)機械臂形式 2) 基于具體的采摘要求，機械手要具有較好的采摘能力。包括： （1） 最優(yōu)的工作空間。工作空間越大，采摘范圍越廣，通用性也就越好。 （2） 具有較好額避障能力。果實采摘過程中，機械手能避開障礙物。 （3） 機械手設(shè)計合理。若機構(gòu)設(shè)計不合理，可能會出現(xiàn)運動干涉或驅(qū)動裝置無法設(shè)置，機構(gòu)不能運動等問題。在滿足要求

21、的前提下，盡量采用特殊機構(gòu)的機械手機構(gòu)，使相鄰運動副的軸線相互平行或正交。 （4） 農(nóng)業(yè)機器人要求操作簡單，成本低廉，因此盡量采用冗余度少，機構(gòu)簡單的形式。 3.2 機械臂的設(shè)計 3.2.1 設(shè)計要求 機械手的手臂是采摘機器人的主要執(zhí)行元件，其作用是支撐末端執(zhí)行器和腕部并改變末端執(zhí)行器在空間的位置。由于機械手臂的重量比較大，受力比較復(fù)雜，在采摘草莓時受到腕部、手爪和草莓的靜（動）載荷，引起電位準(zhǔn)確性。機械手手臂的機構(gòu)形式的設(shè)計要根據(jù)機器人的運動形式、抓取草莓的重量，自由度以及運動精度來決定。因此設(shè)計機械手手臂是應(yīng)該考慮一下幾個要點的[13]： 1) 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)該滿足采摘

22、草莓時作業(yè)空間的要求。作業(yè)空間的形狀和大小與手臂的長度、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的范圍密切相關(guān)： 2) 根據(jù)手臂承受的載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇手臂的材料； 3) 機械手手臂的運動速度要高，慣性要小。 草莓采摘機械手的設(shè)計一方面要考慮機器人本身的價值和使用者的經(jīng)驗和教育水平，另一方面還要考慮草莓的生長特性。 3.2.2 機械手臂的選擇 采摘機器人機械手的手臂用來決定末端執(zhí)行器的位置，同時它對物體的姿態(tài)也有一定的影響。針對草莓的生物學(xué)特性、栽培的方式和機械手機構(gòu)選型的原則及工作特性，本文選擇的是多關(guān)節(jié)機械手臂。由于機械手采摘草莓的形狀近似為圓柱體或球體，那么四個自由度的機器人就可以完成機器人的采摘

23、任務(wù)。為使采摘機器人有更好的作業(yè)能力，本文設(shè)計的機械手具有五個自由度，其中機器人的機械化手臂具有三個旋轉(zhuǎn)的自由度，手腕具有兩個自由度。三個轉(zhuǎn)動自由度機械手臂結(jié)構(gòu)緊湊，靈活度大大的提高，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干擾比較小，機械手臂的工作空間范圍也會加大。但這種類型的機械手臂在進行控制時計算量大，位置精度不高及確定末端執(zhí)行器的位置和位姿時不直觀等缺點。而且這種類型的機械手手臂執(zhí)行元件多，質(zhì)量重。所以在設(shè)計的時候，要充分考慮機械手作業(yè)對象的特點和作業(yè)目的，確保機械手在作業(yè)時的合理性。圖3-2是這種機械手手臂的關(guān)節(jié)構(gòu)成。 圖3-2 三自由關(guān)節(jié)型機械手手臂 3.3 機械手手腕的設(shè)計 機械手手腕是連接

24、機械手手臂和末端執(zhí)行器的裝置，它的作用主要是在機械手手臂運動的基礎(chǔ)上進一步改變末端執(zhí)行器在空間的方位，在擴大機械手動作的范圍的同時，使機械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強。通過機械接口，連接并支撐末端執(zhí)行器。 3.3.1 手腕設(shè)計的基本要求 1） 結(jié)構(gòu)要緊湊、重量要輕 手腕位于機械手手臂的末端，手腕的設(shè)計直接會影響到手臂的機構(gòu)和運轉(zhuǎn)性能。為使得手臂的承受載荷減輕，應(yīng)該要求手腕的部分結(jié)構(gòu)緊湊，重量要輕以及體積較小。 2） 轉(zhuǎn)動靈活、合理選擇自由度 手腕的自由度越多，末端執(zhí)行器的動作靈活性越高，整個采摘機器人對采摘的適應(yīng)性越好。但是自由度的增加會導(dǎo)致手腕的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制也相應(yīng)的困難。因此，在設(shè)計手腕

25、結(jié)構(gòu)的時候，只要能夠達到工作的要求就可以，不要過多增加手腕的自由度。 3） 合理布局,手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的機構(gòu)，它同時也起到了支撐兩者的作用。所以設(shè)計手腕的時候，除了保證力和運動的要求以外還應(yīng)綜合考慮，合理布局[11]。 3.3.2 草莓采摘機械手手腕的結(jié)構(gòu)型設(shè)計 機械手的腕部直接連接末端執(zhí)行器和手臂，起支撐作用，為使得末端執(zhí)行器能夠達到空間的任意位置，理論上腕部實現(xiàn)對空間三坐標(biāo)軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動，即具有沿XY平面回轉(zhuǎn)和YZ平面的回轉(zhuǎn)。也就是說手腕部具有獨立的自由度。在實際設(shè)計的過程中，基于草莓的物理特性，在機械手采摘草莓的時候，末端執(zhí)行器首先旋轉(zhuǎn)為合適的角度，再前進抓住果柄，同

26、時有一個鎳鉻電熱絲切割果柄。這一系列的動作需要手腕有兩個自由度，即手腕繞i軸和繞j軸的兩個回轉(zhuǎn)運動。即手腕有腕轉(zhuǎn)和腕擺兩個自由度。 3.4 機械手的結(jié)構(gòu)型式 通過機械手手臂和手腕的型式說明，選取3個自由度的機械手的手臂和兩個自由度的手腕進行配合，得到草莓采摘機械手的機構(gòu)型式。這種型式的機械手在避障、工作的空間以及采摘的工作效率方面都是比較好的。選擇5個自由度的機械手，會讓末端執(zhí)行器的動作更加靈活，使得它能夠繞開障礙物進行采摘作業(yè)。具體結(jié)構(gòu)型式見圖3-3. 圖3-3 草莓采摘機械手結(jié)構(gòu)型式 3.5 機械手運動學(xué)方程的建立 機械手運動學(xué)主要是研究末端執(zhí)行器、各個運動構(gòu)件的位置

27、姿態(tài)和各個關(guān)節(jié)變量之間的聯(lián)系。因此考慮機械手的運動要從兩個方面說明，即正運動學(xué)和逆運動學(xué)。正運動學(xué)是指先給定機械手各個關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度然后求解各個桿件和末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。逆運動學(xué)指的是先給定桿件和手爪的位置然后求解所需要的關(guān)節(jié)變量的位置、速度和加速度等。求解這兩種運動學(xué)問題多采用齊次變化法和向量法等。本文以設(shè)計五個自由度機械手為例，簡單說明正運動和逆運動學(xué)解析方法[12]。 3.5.1 正運動學(xué)模型 為了描述草莓采摘機械手各個連桿的特征參數(shù)以及相互之間的運動關(guān)系，采用Denavit-Hartenberg （簡稱D-H矩陣：笛卡爾坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換矩陣）方法設(shè)定桿件的坐標(biāo)系，

28、圖3-4為草莓采摘機器人機械手的結(jié)構(gòu)以及各個連桿的坐標(biāo)系。各個連桿的編號是從底座到末端執(zhí)行器依次為0，1，2，3，4，5。 X1 Z1 Z2 X2 X3 Z3 X4 Z4 Z5 X5 3-4 草莓采摘連桿坐標(biāo)系 表3-1 草莓采摘機器人連桿參數(shù) i 1 0 90° 0 2 0 0 3 0 0 4 0 90° 5 0 0 4 在建立草莓采摘機械手正運動學(xué)模型的時候，可以把草莓采摘機器人機械手手臂看成是由一系列關(guān)節(jié)連接起來的連桿構(gòu)成的。為每一個連桿建立

29、一個三維坐標(biāo)系，并用齊次變換來描述這些坐標(biāo)之間的相對位置和姿態(tài)。用矩陣來描述第i號連桿相對于第i-1號連桿的位姿關(guān)系，通過齊次變換得到相鄰各個連桿之間的齊次變換矩陣為： （i=1,2……5） 式中: ： ： ： ：連桿坐標(biāo)系{i}相對于{i-1}的變化矩陣 ：從到繞旋轉(zhuǎn)的角度（逆時針為正） ：從到沿測量的距離 ：從到沿測量的距離 ：從到繞旋轉(zhuǎn)的角度（逆時針為正） 由圖3-4和表3-1可知 則草莓采摘機器人機械手運動學(xué)方程為： 其中 設(shè)草莓在基座坐標(biāo)系中的位置矢量，方向向量n,o,a分別為，則草

30、莓在基座坐標(biāo)系中的位姿可以用下面的矩陣表示： 從而： 上式就是草莓采摘機械手的正運動學(xué)模型。 3.5.2 逆運動學(xué)模型 圖3-5是本文設(shè)計的垂直多關(guān)節(jié)型5自由度的采摘機器手連桿的幾何關(guān)系。此機械手上下臂等長，設(shè)為。手爪中心位置P的坐標(biāo)設(shè)為(PX,PY.PZ)，腕部旋轉(zhuǎn)中心B的坐標(biāo)設(shè)為（QX,QY,QZ）。由圖3-5可知下面的幾何關(guān)系式。 O 圖3-5 機械手連桿幾何關(guān)系 設(shè)Z軸與BP的夾角是，則存在下面的關(guān)系式： 到的值由下面的計算公式可以得出： 上面得出機械手各個關(guān)節(jié)位置

31、的各式是基于采摘機械手的上下臂相等的情況得到的，基于草莓的生長特性以及草莓采摘機器人工作的具體情況，參考相關(guān)的文獻，以及草莓采摘機械手設(shè)計時的一些約束條件，本文選取機械手的上下臂長度為510mm，上下臂的回轉(zhuǎn)角度的取值為。機械手腰關(guān)節(jié)長度取為100mm。在機器人工作時，機械手要采摘地壟左右側(cè)的草莓，因此腰關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度取值為。為保證末端執(zhí)行器可以采摘到最低的草莓，手腕部分的長度應(yīng)盡量的大些，因此手腕的長度定位850mm,手腕結(jié)構(gòu)參數(shù)用于調(diào)整末端執(zhí)行器的位姿，使得末端執(zhí)行器以不同的位姿接近果實，腕關(guān)節(jié)實現(xiàn)手腕的俯仰動作，因此將手腕的參數(shù)定為：。跟據(jù)設(shè)計的采摘機器人機械手機構(gòu)參數(shù)，從而構(gòu)建機械手的

32、三維結(jié)構(gòu)模型，如圖3-6所示。從而得到機械手的重量為24.884kg,可以達到以腰關(guān)節(jié)為圓心，半徑為1713mm的半圓為采摘范圍。同時也展示了機械手張開采摘與折疊收縮放入框中的位姿，如圖3-7和3-8所示。 圖3-6 機械手三維機構(gòu)模型 圖3-7 機械手張開采摘草莓的位姿 圖3-8 機械手折疊收縮放草莓入框的位姿 4 草莓采摘機器人末端執(zhí)行器設(shè)計 4.1 末端執(zhí)行器介紹 為了提高機械手的采摘效率，機械手的機構(gòu)設(shè)計要合理并能有效的控制，但是要順利并且高效的采摘到草莓，機械手手爪設(shè)計是十分重要的。所以一般

33、將裝在機械手前端并直接與采摘對象基礎(chǔ)的部分稱為末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器安裝在機械手的末端，其功能類似與人手，是直接與目標(biāo)物接觸。但末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)完全不同于人手，其基本結(jié)構(gòu)取決于具體工作對象的特性與工作方式。對于采摘草莓的末端執(zhí)行器來說，因為各個草莓之間存在不同的個體之間的差異，在設(shè)計末端執(zhí)行器時要考慮諸多因素。 末端執(zhí)決于工作對象的特性及工作行器的基本結(jié)構(gòu)取方式。大多數(shù)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸是根據(jù)其不同的作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計的，因而末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)多種多樣。到目前為止，末端執(zhí)行器都是專用的。在設(shè)計末端執(zhí)行器的時候，應(yīng)該考慮手指數(shù)量、手指關(guān)節(jié)數(shù)量、以及摘取果實時的方式等等。末端執(zhí)行器是直接接觸果

34、實的一個很重要部件，所以在采摘果實時，為避免碰傷果實，大多采摘機器人的手指內(nèi)側(cè)接觸果實的部位采用尼龍或橡膠材料[14]。 4.2 末端執(zhí)行器的分類 草莓采摘機器人的末端執(zhí)行器有多種類型[15—16]，根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同可以將末端執(zhí)行器分為機械式夾持器和吸附式夾持器；按手爪的運動方式可以分為平移型和回轉(zhuǎn)型。回裝型手爪又分為單支點回轉(zhuǎn)型和雙支點回轉(zhuǎn)型。按夾持方式分為外夾式和內(nèi)撐式；按驅(qū)動方式又可以分為電動、液壓和氣動三種；按手爪個數(shù)又可以分為雙指和多指。 4.2.1 兩個手爪的末端執(zhí)行器 最初，用于草莓采摘的機器人末端執(zhí)行器有兩個平行的手指，由于草莓成束成長，這種末端執(zhí)行器在收獲果實時

35、容易損壞鄰近的果實和莖干，為解決上述問題，可以讓手爪直接夾持草莓果柄。兩個手爪的末端執(zhí)行器具有采摘成功率高，但是對于一些隱藏在花梗、葉子、果實等后面的成熟果實，末端執(zhí)行器還不能進行有效的避障。 4.2.2 兩個以上手爪的末端執(zhí)行器 相對于兩個手爪的末端執(zhí)行器，多爪的末端執(zhí)行器在抓取草莓的時候穩(wěn)固性有所提高。如固定式草莓采摘機器人的末端執(zhí)行器有四個平行且彎曲的手指，這種末端執(zhí)行器可以采摘各種形狀和大小的草莓，同時也適合采摘別的水果。雖然手爪的數(shù)量越多抓取效果越好，但是手爪的控制也越復(fù)雜。末端執(zhí)行器有三個手爪，手指內(nèi)各有一條線連接指間的鋼絲繩，指尖圍成一個圓形，三個手指內(nèi)側(cè)有橡膠。在采摘果實的

36、時候，鋼絲繩拉緊，三個手指向中心彎曲，抓住果實后用剪刀剪切下來；鋼絲繩松開的時候，三指在彈簧的作用下張開，所以在末端執(zhí)行器不工作的時候處于張開狀態(tài)。 4.3 夾持式末端執(zhí)行器的選型 夾持式末端執(zhí)行器也稱之為夾持式手部，它是直接用于草莓接觸的部件，執(zhí)行人手的功能。夾持式手部是由手指、傳動結(jié)構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成的，它可以抓取各種形狀和大小的果實。一般情況下，這種手指采用兩指。驅(qū)動裝置多采用傳動機構(gòu)，驅(qū)動源有液壓式、氣動式和電動的幾種形式。傳動裝置通過滑槽、斜楔、齒輪齒條和連桿機構(gòu)實現(xiàn)加緊和松開。夾持式手部一般是由轉(zhuǎn)動副和移動副組成的機構(gòu)，它可以實現(xiàn)手爪的單純回轉(zhuǎn)、單純的平移。因此夾持式手部分

37、平移型和回轉(zhuǎn)型兩種方式。 4.3.1 夾持式末端執(zhí)行選擇的基本要求 1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力 機器人手部機構(gòu)靠手爪夾緊作業(yè)對象并進行采摘，最后將采摘對象移送到目標(biāo)位置。由于草莓本身的重量以及在機械手動作過程中產(chǎn)生的慣性力和振動等，機器人的手爪必須要有足夠的夾緊力，才能防止在作業(yè)過程中草莓不會滑落。因此末端執(zhí)行器手爪的夾緊力大小要合適。末端執(zhí)行器的驅(qū)動裝置應(yīng)該有足夠的驅(qū)動力。一般情況下，機械手爪的夾緊力為作業(yè)對象的兩到三倍。在一定的夾持力的情況下，機構(gòu)傳動比不同，所需要的驅(qū)動力的大小也是不同的。 2） 手指要有一定的開閉范圍 手指具有足夠的開閉角度或開閉距離，以便在采摘

38、果實的時候能夠順利的采摘和松開果實；另外手爪夾持草莓中心位置變化要小。 3） 保證果實在末端執(zhí)行器手爪中的夾持的精度 為使采摘對象和采摘機器人的手爪保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)作業(yè)對象的形狀選擇相應(yīng)的手爪形狀進行定位。 4） 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)要求緊湊、重量輕、采摘的效率高，并且要確保本身的剛度和強度。 4.4 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)型式和工作原理 4.4.1 整體結(jié)構(gòu) 整體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，末端執(zhí)行器全長309mm（機械手爪頂端到回轉(zhuǎn)底座），主要包括一個伺服電機，一套曲柄滑塊機構(gòu)，一個鎳鉻電熱絲，二個機械手爪，二個橡膠墊片。 1 2 5 4 3

39、 1 曲柄滑塊機構(gòu) 2 伺服電機 3 鎳鉻電熱絲 4 橡膠掉片 5 機械手爪 圖4-1 末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu) 4.4.2 工作原理 由機器人本體上的視覺定位系統(tǒng)定位果實，機械臂帶動末端執(zhí)行器運動到指定位置采摘果實。 1） 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對將要采摘的水果尺寸、成熟度和表面有無損傷進行識別，將檢測信號反饋給上位機，上位機根據(jù)信號啟動末端執(zhí)行器電機。 3 2 4 1 放松 右移 夾緊 左移 2） 由曲柄連桿機構(gòu)[17]，把電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動，當(dāng)滑塊1向右運動時，銷3在兩個杠桿4的滑槽中移動，使得與支架2相連的兩個手指實現(xiàn)松開動作；反之，當(dāng)滑塊1向左運動

40、時，手指夾緊，如圖4-2所示。 1 滑塊 2 銷 3 手爪 4 支架 圖4-2 滑塊工作說明圖 4.5 主要部件設(shè)計 設(shè)計的整體思路就是在很好達到預(yù)期效果的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)盡量簡單，操作容易，運動靈活，安全可靠且成本低廉。整個末端執(zhí)行器只采用一個動力源—伺服電機。 4.1 2 3 4 5 6 7 8 5.1 傳動部分設(shè)計 此部分由基座，伺服電機，傳動軸，曲柄，連桿，滑塊，U型槽，銷組成。如圖4-3所示。 1 曲柄 2 傳動軸 3 伺服電機 4 基座 5 銷 6 U型槽 7 滑塊8

41、連桿 4-3 末端執(zhí)行器的傳動機構(gòu)示意圖 電機主軸通過聯(lián)軸器帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，然后由曲柄滑塊機構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的往復(fù)運動[17]，當(dāng)連桿在初始位置時（如圖4-4所示），手爪松開。當(dāng)連桿逆時針轉(zhuǎn)動，滑塊左移，使銷在滑槽中移動，手爪夾緊（如圖4-5所示）。當(dāng)連桿順時針轉(zhuǎn)動，滑塊左移，手爪夾緊，恢復(fù)初始位置[18]。 4-4 末端執(zhí)行器連桿初始位置 4-5 末端執(zhí)行器連桿夾緊位置 4.5.2 抓取和切斷機構(gòu)設(shè)計 此部分由兩個個機械手爪（具體尺寸見手爪工程圖），兩個橡膠墊片組成和一根鎳鉻電熱絲組成。抓取時不以草莓果實作為抓取目標(biāo)，而是夾切草莓果柄，不傷害果實，同

42、時采用鎳鉻電熱絲切割果柄可以防止切口感染細(xì)菌而腐爛，影響果實品質(zhì)。 5 結(jié)論與建議 5.1 結(jié)論 本文研制的草莓采摘機器人用于國內(nèi)棚載草莓的收獲，具有使用價值。得出如下結(jié)論： 1、本文重點設(shè)計了一臺草莓采摘機器人，并且制作了三維模型圖，適合國內(nèi)草莓的種植環(huán)境。根據(jù)查閱不同渠道的資料以及實地勘察的數(shù)據(jù)，以電動裝置作為驅(qū)動源，降低了生產(chǎn)成本，符合國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行情。采用該機構(gòu)，可以在較窄且不平坦的壟溝中行走。 2、本文還將重點放在研究了一種結(jié)構(gòu)簡單、高效、不傷果實的草莓采摘機械手，并且制作了三維模型圖。針對目前國內(nèi)外市場草莓采摘機械手爪在設(shè)計上還沒有實質(zhì)性突破，實用性差，無法應(yīng)用于實際草莓

43、采摘作業(yè)環(huán)境的情況，巧妙地設(shè)計并研制了一種動力單一、外形小巧、簡單實用、操作方便的機械手爪[19]。 5.2 工作展望和建議 草莓的自動采摘是一個非常復(fù)雜的過程，它包含了多個任務(wù)，需要對環(huán)境進行動態(tài)實時分析解析。筆者在本文的研究中，重點放在了草莓采摘機械本體、機械手和末端執(zhí)行器上，但是對于視覺系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)等方面的內(nèi)容并未做深入研究，建議后續(xù)研究。 19 參考文獻 [1] 梁麗娟. 草莓采摘機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和實驗[碩士論文]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué). 2007.5 [2] 馮青春，鄭文剛，姜凱，等. 高架栽培草莓采摘機器人系統(tǒng)設(shè)計. 農(nóng)機化研究，2012:123—124 [3

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