草莓采摘機器人機械結構設計

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1、草莓米摘機器人機械結構設計 摘要 隨著草莓種植的推廣。國內草莓種植面積迅猛增加，收獲勞動力不足。嚴重制約草莓 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現(xiàn)狀以及草莓采摘機器人國內外研究狀況，再根據(jù)國內 北方地壟式草莓種植的情況，設計出草莓采摘機器人機械本體，提出一種五自由度關節(jié)型 草莓采摘機械手臂，五個自由度分別為：腰轉、肩轉、肘轉、腕轉和腕擺，并開發(fā)了一種 末端執(zhí)行器的結構形式，該末端執(zhí)行器主要由

2、伺服電機、曲柄滑塊機構、動夾、鎳鉻電熱 絲組成，不以草莓果實作為抓取目標，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菌而腐爛，影響果實品質。與此同時，還在 solidworks 中構建了草莓采摘機器人、末端執(zhí)行器的三維模型，還生成了相關重要部件的工程圖，便 于后期的使用。 關鍵字： 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 popularizati on of the strawberr

3、y. The strawberry pla nti ng area in creased rapidly, the harvest labor shortage. Developme nt is restricted by the strawberry, it is n ecessary to carry out in tellige nt strawberry harvest ing robot, in stead of people to complete the time-c onsuming, laborious harvesting. Strawberry picking robot

4、 position information requirements can automatically detect ripe strawberry, then according to these information to control the robot actuator, realize the automati on of picki ng strawberry. This paper describes comprehe nsively the research status at home and abroad as well as the robot strawberr

5、y producti on status of strawberry pick ing, the n accordi ng 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 pick ing man ipulator, and the

6、developme nt of the structure of an end effector. At the same time, the author con structs a 3D model, strawberry picki ng robot end effector in SolidWorks, also gen erated the end effector and the mecha ni cal arm of the engin eeri ng draw ing, convenient for later view ing and process ing. Key wo

7、rds: Strawberry pick ing robots; Mecha ni cal body;Five degree of freedom mani pulator; The end effector 1緒論 1 1.1弓I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外發(fā)展狀況 2 1.3.1國外研究現(xiàn)狀 2 1.3.2國內研究現(xiàn)狀 2 1.4研究的目標和內容 3 1.4.1研究目標 3 1.4.2研究內容 3 2草莓采摘機器人機械本體設計 3 3草莓采摘機器人五自由度機械手臂設計 4 3.1采摘機器人機構選型原貝U 4 3.2機械

8、臂的設計 5 3.2.1設計要求 5 3.2.2機械手臂的選擇 6 3.3機械手手腕的設計 6 3.3.1手腕設計的基本要求 7 3.3.2草莓采摘機械手手腕的結構型設計 7 3.4機械手的結構型式 7 3.5機械手運動學方程的建立 8 3.5.1正運動學模型 8 3.5.2逆運動學模型 10 4草莓采摘機器人末端執(zhí)行器設計 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)行器的結構型式和工作原理 14 4.4.1整體結構 14 4.4.2工作原理 15 4.5主要部件設計 16 4.5.1傳動部分設計 16 4.5.2抓取和切斷機構設計 17 5結論與建議 17 5.1結論 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構設計 草莓米摘機器人機械結構設計 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和營養(yǎng)價值，必 須在收獲季節(jié)每天早晚時刻挑選并采摘草莓果實

10、。其勞動強度之大，成本之高，約占草莓 種植生產成本的四分之一。因此減輕勞動強度，降低生產成本，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%。國內徐麗明、張鐵中等人 針對壟作式草莓種植的自動化采摘設備進行了研究 ［2］。不過上述自動化采摘設備在機械手 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 一一采 摘機器人機械本體、機械手臂和機末端執(zhí)行器進行研究并設計模

11、型，達到對一定范圍內成 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 mm⑶。草莓植株生長于壟頂部，果實長出后伏在壟側面，成熟草莓果 實上方一段果柄與壟側壁有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)有農藝條件下，設計出合適尺寸的車身模型，設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。 (a) (b) （a）草莓田實景 （b）地壟截面 1壟溝2地壟3果柄4草莓果實5壟側面 圖

12、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外發(fā)展狀況 1.3.1國外研究現(xiàn)狀 國外自動化采摘設備發(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

13、統(tǒng)和 切割器組成。收貨時，由視覺系統(tǒng)計算采摘目標的空間位置，接著采摘機械手移動到預定 位置，機械手向下移動直到把草莓吸入；由光電開關檢測草莓的位置，當草莓位于合適位 置時，腕關節(jié)移動，果梗進入指定位置，由切割器旋轉切斷果梗，完成采摘。 2） 日本宮崎大學研制設計了高地隙跨壟作業(yè) 4自由度的草莓收獲機器人⑸。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國內研究現(xiàn)狀 1）草莓選果機⑹。栃木縣農業(yè)試驗場開發(fā)了非常實用的草莓選果機。該設備可根據(jù) 每

14、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，整個過程 是全自動作業(yè)，每小時可分選草莓5300多公斤。南京農業(yè)大學運用雙目立體視覺技術，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，并將二維圖像恢復成三維坐標，實現(xiàn)了果實定位 ⑺。 2） 浙江大學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；工作空間、可操作度、避障能力、冗余空間與姿態(tài)多樣性。 3） 中國農業(yè)大學應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，并初步建立了橋架式直角坐標機器人，還在水果采摘機器人三

15、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研究的目標和內容 1.4.1研究目標 目前研制草莓采摘機器人用于國內棚載草莓的收獲，使其具有使用價值，需要在以下 兩個方面進行努力： 1） 研究結構合理，柔韌度高，不傷果皮的末端執(zhí)行

16、器； 2） 研究結構簡單，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計和研究。 1.4.2研究內容 本文對草莓采摘機器人的設計和研究包括以下幾個方面: 1） 機械本體設計； 2） 五自由度機械手臂設計； 3） 末端執(zhí)行器設計。 2草莓米摘機器人機械本體設計 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，標準溫室溝壟略寬且平整，壟面也略高一些。基于這些特點，草莓采摘機器 人要求做到以下幾點：

17、 1）溫室大棚中農民行走的路面較窄，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，不符合我國農業(yè)生產現(xiàn)狀。因此，使用電動 裝置成為最佳選擇。 2）為了提高生產效率，溫室的草莓種植情況，如壟面寬、壟溝寬、溝深并非采取標準 尺寸，且可能比標準尺寸更?。煌瑫r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，而在比較標準的溫室中可以采用四輪驅動行走機構。 本設計采用跨壟四輪行走機構，其實物如圖 2-1所示。本體設計以步進電機作為動力 裝置，根據(jù)驅動器發(fā)出的脈沖信號驅動機器人沿溝壟前進。在機身的上方是五自由度機械 手臂，用伺服電機作為動力源，

18、根據(jù)驅動器發(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，在設定好的時間內裝滿后，由工作 人員更換小框。整個執(zhí)行機構都安裝在小車上，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計 采摘機器人既要遵循工業(yè)機器人的機械臂機構，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移動，并可以將采摘到的草莓送到小框 手腕的作用是在機械手臂運動的基礎上進一步改變末端執(zhí)行器在空間的方位，使機械手變 得更靈

19、巧，適應性更強。 3.1采摘機器人機構選型原則 由于草莓種植環(huán)境的復雜性，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） 直角坐標型：其外形輪廓與數(shù)控鏜銑床相似， 3個關節(jié)都是移動關節(jié)，關節(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） 圓柱坐標型：選型機械臂前三個關節(jié)為兩個移動關節(jié)和一個轉動關節(jié)。這種形 式的機器人占用空間，結構簡單。 （

20、3） 極坐標型：具有兩個轉動關節(jié)和一個移動關節(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） 關節(jié)坐標系：前三個關節(jié)都是回轉關節(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。 (a)直角坐標壁 (a) Rectangular coordinates type (b)風柱坐標理 (b) Cylindrical coord instr type (c)械坐標型 (c) Polar coordinates type (d)關節(jié)坐柿理 (d) Joint coordinales type 圖3-1工業(yè)機械臂形式 2）基于具

21、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） 機械手設計合理。若機構設計不合理，可能會出現(xiàn)運動干涉或驅動裝置無法設 置，機構不能運動等問題。在滿足要求的前提下，盡量采用特殊機構的機械手機構， 使相鄰運動副的軸線相互平行或正交。 （4） 農業(yè)機器人要求操作簡單，成本低廉，因此盡量采用冗余度少，機構簡單的形 式。 3.2機械臂的設計 3.2.1設計要求 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

22、空間的位置。由于機械手臂的重量比較大，受力比較復雜，在采摘草莓時受 到腕部、手爪和草莓的靜（動）載荷，弓I起電位準確性。機械手手臂的機構形式的設計要 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。因此設計機械手 手臂是應該考慮一下幾個要點的何： 1） 手臂的結構和尺寸應該滿足采摘草莓時作業(yè)空間的要求。作業(yè)空間的形狀和大小 與手臂的長度、關節(jié)轉角的范圍密切相關： 2） 根據(jù)手臂承受的載荷和結構的特點，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計一方面要考慮機器人本身的價值和使用者的經驗和教育水平， 另一方面還要考慮草莓的生長特性

23、。 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。針對草莓的生物學特性、栽培的方式和機械手機構選型的原則及工作特性，本文 選擇的是多關節(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任務。為使采摘機器人有更好的作業(yè)能力，本文設 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的自由度，手腕具有 兩個自由度。三個轉動自由度機械手臂結構緊湊，靈活度大大的提高，在作業(yè)空間內手臂 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，

24、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，質量重。所以在設計的時候，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節(jié)構成。 77T7H77 圖3-2三自由關節(jié)型機械手手臂 3.3機械手手腕的設計 機械手手腕是連接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手腕設計的基本要求 1） 結構要緊湊、重量要

25、輕 手腕位于機械手手臂的末端，手腕的設計直接會影響到手 臂的機構和運轉性能。為使得手臂的承受載荷減輕，應該要求手腕的部分結構緊湊，重量 要輕以及體積較小。 2） 轉動靈活、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性越好。但是自由度的增加會導致手腕的結構復雜，控制也 相應的困難。因此，在設計手腕結構的時候，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，它同時也起到了支撐兩者的作 用。所以設計手腕的時候，除了保證力和運動的要求以外還應綜合考慮，合理布局 [11]。 3.3.2草

26、莓采摘機械手手腕的結構型設計 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)對空間三坐標軸 X、Y、Z的轉動，即具有沿XY平面回 轉和YZ平面的回轉。也就是說手腕部具有獨立的自由度。在實際設計的過程中，基于草 莓的物理特性，在機械手采摘草莓的時候，末端執(zhí)行器首先旋轉為合適的角度，再前進抓 住果柄，同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軸的兩個回轉運動。即手腕有腕轉和腕擺兩個自由度。 3.4機械手的結構型式 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

27、度的 手腕進行配合，得到草莓采摘機械手的機構型式。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)。具體結構型式見圖 3-3. //////// 圖3-3草莓采摘機械手結構型式 3.5機械手運動學方程的建立 機械手運動學主要是研究末端執(zhí)行器、各個運動構件的位置姿態(tài)和各個關節(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，即正運動學和逆運動學。正運動學是 指先給定機械手各個關節(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)。逆運動學指

28、的是先給定桿件和手爪的位置然后求解所需要的關節(jié)變量的位置、速度 和加速度等。求解這兩種運動學問題多采用齊次變化法和向量法等。本文以設計五個自由 度機械手為例，簡單說明正運動和逆運動學解析方法 [12]。 3.5.1正運動學模型 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系，采用 Denavit-Hartenberg （簡稱D-H矩陣：笛卡爾坐標系的齊次坐標變換矩陣）方法設定桿件 的坐標系，圖3-4為草莓采摘機器人機械手的結構以及各個連桿的坐標系。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。 X5 Z5 Z3 Z4 X3 X4 Z2

29、X2 Z1 a& X1 3-4草莓采摘連桿坐標系 表3-1草莓采摘機器人連桿參數(shù) i ai丄 di 1 0 90 0 2 0 0 I1 =2 3 0 0 l 2 4 0 90 l3 - 5 0 0 |44 ‘5 10 草莓采摘機器人機械結構設計 在建立草莓采摘機械手正運動學模型的時候，可以把草莓采摘機器人機械手手臂看成 是由一系列關節(jié)連接起來的連桿構成的。為每一個連桿建立一個三維坐標系，并用齊次變 換來描述這些坐標之間的相對位置和姿態(tài)。用矩陣iJT來描述第i號連桿相對于第i-1號連 桿的位姿關系，通

30、過齊次變換得到相鄰各個連桿之間的齊次變換矩陣為: I C 缶 —SQ i -diS；id i j diS〉i d (i=1,2 ……5) 1 11 草莓采摘機器人機械結構設計 1 # 草莓采摘機器人機械結構設計 式中Ce： COS》 Sr： Sin》 C、；i : COS、 i」 S、 i d : sin、 1 # 草莓采摘機器人機械結構設計 1 # 草莓采摘機器人機械結構設計 i和：連桿坐標系｛i｝相對于｛i-1｝的變化矩陣 :-iJ :從Zi丄到乙繞Xi」旋轉的角度（逆時針為正） a」從Zi

31、」到乙沿Xi」測量的距離 di :從Xi丄到X i沿乙測量的距離 ?。簭腦」到Xi繞乙旋轉的角度（逆時針為正） 由圖3-4和表3-1可知 - cos 日 1 -sin 日 1 0 0_ T — siny cos 日 1 0 0 11 — 0 0 1 0 0 0 0 1 - cos 日 3 0 sin 日 3 0 一 3 = 0 1 0 0 —sin 0 3 0 cos 日 3 l 2 0 0 0 1 - cos85 -怖5 0 0 4t = sin 日 5 cos日 5

32、 0 0 51 0 0 1 丨4 0 0 0 1 cos85 —sin05 0 0 sin 日 5 cos日 5 0 0 0 0 1 l4 0 0 0 1 c o(s2 0 s i n2 0 一 0 1 0 0 —si n 2 0 c o(s2 l1 0 0 0 1 c o4 0 sin4 0 一 0 1 0 0 —si n4 0 c o4 l 3 0 0 0 1 1 # 草莓采摘機器人機械結構設計 1 # 草莓

33、采摘機器人機械結構設計 則草莓采摘機器人機械手運動學方程為: C 1 C 234 C 5 -S1 S5 燈彳/即丹卽=S1C234C^C1S5 —S234 C 5 0 _CQ 234 5 1C234 S5 _CQ5 234 S5 0 C1 S234 S1 S234 C 234 0 l 2C1 S2 J3C1S23 bC1S234 I2S1S2 |3SS23 |4SS l 1 l 2C2 l 3C 23 l 3C34 l 3C 234 1 # 草莓采摘機器人機械結構設計 1 # 草莓采摘機器人機械結構設計 其中 C1 ^O

34、^1,C2 =CO^2,C^CO^5,C234 二8^2=3 =3) 其 S =sin日 1$ Kin日 2，S5=sin日 5S234 Fn(日 2+日 3十日3) 1 # 草莓采摘機器人機械結構設計 設草莓在基座坐標系 Xo,Yo，Zo沖的位置矢量p」Px，Py，PzI，方向向量n,o,a分別為 n=hx，nY，nzT，o =0x，oy，ozT，a =kx，aY，azT，則草莓在基座坐標系中的位姿可以用下面的矩 Ox Oy Oz 0 陣表示: C1C234C5 —S1S5 "C 1 C234 S5 -S1S5 C1S234 I2C1S2 +I3C1S23

35、+| 4C1S234 SQ 234C5 CS5 -SQ234 S5 ~C1C5 S1S234 12S1S2 +I3S1S23 +| 4S1S234 —S234 C5 S234 S5 C234 11 +l 2 C2 +| 3C23 +l 3C 34 +l 3C234 0 0 0 1 - nx Ox ax Px — nY Oy aY Py nz Oz az Pz 0 0 0 1 ax aY az 0 Px Py Pz 1 上式就是草莓采摘機

36、械手的正運動學模型 3.5.2逆運動學模型 圖3-5是本文設計的垂直多關節(jié)型5自由度的采摘機器手連桿的幾何關系。此機械手 上下臂等長，設為丨。手爪中心位置P的坐標設為（Px，Py.Pz）,腕部旋轉中心B的坐標設為 （Qx，Qy,Qz）。由圖3-5可知下面的幾何關系式。 12 草莓采摘機器人機械結構設計 13 草莓采摘機器人機械結構設計 L 二 4 圖3-5機械手連桿幾何關系 tg + px Py OB Wlcos^ = Q： Q： Q； QZ =l【cosd2 asG2 = 3）】 日3 丄日3 =21 cos 3 cos（

37、 r v ） 2 2 2 設；軸與BP的夾角是「貝U存在下面的關系式： 匕=3 Q： =p： -BPcos（ ： —pcosH Q： = p： _BPcos（ ；! -；）sin v 1 Q；二p； BPsinj -；） 宀到二4的值由下面的計算公式可以得出： 二 1 -arctg 衛(wèi)■: 二 2arccos 2 2 Qx Qx Q Px 2l -arc cos 2lcos 3 2 上面得出機械手各個關節(jié)位置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，參考相關的文獻，以及草莓采 摘機械手設計時的一些約

38、束條件， 本文選取機械手的上下臂長度為510mm，上下臂的回轉 角度的取值為-45與2叩10，乞*叩20。機械手腰關節(jié)長度取為100mm。在機器人工作時, 機械手要采摘地壟左右側的草莓，因此腰關節(jié)的旋轉角度 r取值為-180㈡廠乞佗。。為保證 末端執(zhí)行器可以采摘到最低的草莓，手腕部分的長度應盡量的大些，因此手腕的長度定位 850mm,手腕結構參數(shù)寸4用于調整末端執(zhí)行器的位姿，使得末端執(zhí)行器以不同的位姿接近 果實，腕關節(jié) 陰實現(xiàn)手腕的俯仰動作，因此將手腕的參數(shù)定為： 034叮20,-180 45叮80。 跟據(jù)設計的采摘機器人機械手機構參數(shù)， 從而構建機械手的三維結構模型，如圖3-6所示。

39、 從而得到機械手的重量為24.884kg,可以達到以腰關節(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，機械手的機構設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，機械手手爪設計是十分重要的。所以一般將裝在機械手前端并直 接與采摘對象基礎的部分稱為末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器安裝在機械手的末端，其功能類似

40、 與人手，是直接與目標物接觸。但末端執(zhí)行器的結構完全不同于人手，其基本結構取決于 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構取方式。大多數(shù)末端執(zhí)行器的結構 和尺寸是根據(jù)其不同的作業(yè)任務要求來設計的，因而末端執(zhí)行器的結構多種多樣。到目前 為止，末端執(zhí)行器都是專用的。在設計末端執(zhí)行器的時候，應該考慮手指數(shù)量、手指關節(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側接觸果

41、實的部位采用尼龍或 橡膠材料［14］ 0 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)其用途和結構的不同可以將末端 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型。 回裝型手爪又分為單支點回轉型和雙支點回轉型。按夾持方式分為外夾式和內撐式；按驅 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

42、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。 422兩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雜。末端執(zhí)行器有三個手爪，手指內各有一條線連接指間的 鋼絲繩，指尖圍成一個圓形，三個手指內側有橡膠。在采摘果實的時候，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

43、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、傳動結構和驅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。驅動裝置多采用傳動機構，驅動源有液壓 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實現(xiàn)加緊 和松開。夾持式手部一般是由轉動副和移動副組成的機構，它可以實現(xiàn)手爪的單純回轉、 單純的平移。因此夾持式手部分平移型和回轉型兩種方式。 4.3.1夾持式末端執(zhí)行選擇

44、的基本要求 1） 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力 機器人手部機構靠手爪夾緊作業(yè)對象并進行采摘，最后將采摘對象移送到目標位置。 由于草莓本身的重量以及在機械手動作過程中產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)行器的驅動裝置應該有足夠的驅動力。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，機構傳動比不同，所需要的驅動力 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

45、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確的相對位置，必須根據(jù)作業(yè)對象的形狀選 擇相應的手爪形狀進行定位。 4） 末端執(zhí)行器的結構要求緊湊、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)行器的結構型式和工作原理 4.4.1整體結構 16 草莓采摘機器人機械結構設計 整體結構如圖4-1所示，末端執(zhí)行器全長309m（機械手爪頂端到回轉底座），主要包 括一個伺服電機，一套曲柄滑塊機構，一個鎳鉻電熱絲，二個機械手爪，二個橡膠墊片。 1 5 1曲柄滑塊機構 2伺服電機3鎳鉻電熱絲 4橡膠掉片5機械

46、手爪 2 2 17 草莓采摘機器人機械結構設計 2 # 草莓采摘機器人機械結構設計 1 4 3 右移 -?放松 左移 圖4-1末端執(zhí)行器整體結構 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)標準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。 2）由曲柄連桿機構［17］，把電機的轉動轉換為直線運動，當滑塊 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

47、，當滑塊 1向左運動時，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 2 # 草莓采摘機器人機械結構設計 4.5主要部件設計 設計的整體思路就是在很好達到預期效果的基礎上，結構盡量簡單，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一伺服電機。 4.5.1傳動部分設計 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。 8 7 1 2 \ 3 4 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連桿 4-3末端執(zhí)行器的傳動機構示意圖 電機主軸通過聯(lián)

48、軸器帶動曲柄旋轉，然后由曲柄滑塊機構把旋轉運動轉換為滑塊的往 復運動［17］，當連桿在初始位置時（如圖4-4所示），手爪松開。當連桿逆時針轉動，滑塊 左移，使銷在滑槽中移動，手爪夾緊（如圖 4-5所示）。當連桿順時針轉動，滑塊左移， 手爪夾緊，恢復初始位置［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抓取和切斷機構設計 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，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菌而腐爛，影響果實品質。

49、 5結論與建議 5.1結論 本文研制的草莓采摘機器人用于國內棚載草莓的收獲， 具有使用價值。得出如下結論: 1、 本文重點設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)，以電動裝置作為驅動源，降低 了生產成本，符合國內農業(yè)生產行情。采用該機構，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構簡單、高效、不傷果實的草莓采摘機械手，并 且制作了三維模型圖。針對目前國內外市場草莓采摘機械手爪在設計上還沒有實質性突 破，實用性差，無法應用于實際草莓采摘作業(yè)環(huán)境的情況，巧妙地設計并研制了一種動力 單一、外

50、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雜的過程，它包含了多個任務，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)，驅動系統(tǒng)等方面的內容并未做深入研究，建議后續(xù)研 究。 19 草莓采摘機器人機械結構設計 參考文獻 [1] 梁麗娟.草莓采摘機器人結構設計和實驗 [碩士論文].中國農業(yè)大學.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)設計 .農機化研究，2012:123 —124 [3] 重慶蔬菜信息.農

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53、Seiichi Arima，Naoshi Kondo，Mitsuji Monta，etal. Strawberry Harvesting Robot on Table — top Culture] C ]/ /2004 ASAE /CSAE Annual International Meeting ，2004， Paper Number: 043089. Naoshi Kondo， Kazunori Ninomiya， Shigehiko Hayashi， etal. A New Challenge of Robot for Harvesting Strawberry Grown on Table Top Culture [C] / /2005 ASAE Annual International Meeting ，2005 . 20 草莓采摘機器人機械結構設計 致謝 本論文是在老師的精心指導下完成。從選題、論證、設計、到畢業(yè)論文的撰寫無不滲 透著恩師的心血。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的知識、對問題的敏銳的洞察力、精益求精 的務實學風讓我受益良多；同時，老師在生活和學習上對我給予了無微不至的關懷和教誨 最后，再次表示衷心的感謝。 21