農作物表型快速檢測移動機器人系統及其主梁有限元分析

閆法領，史景飛，王大慶，高理富

（1.中國科學院合肥智能機械研究所，合肥 230031；2.中國科學技術大學自動化系，合肥 230027）

農作物表型快速檢測移動機器人系統及其主梁有限元分析

閆法領1,2，史景飛1,2，王大慶1,2，高理富1

（1.中國科學院合肥智能機械研究所，合肥 230031；2.中國科學技術大學自動化系，合肥 230027）

針對育種領域對農作物表型快速檢測移動機器人的迫切需求，介紹了一種育種表型快速檢測移動機器人的主要系統構成。通過三維移動平臺重復定位精度實驗，驗證了移動平臺的重復定位性能，并給出了主梁的有限元分析，驗證了主梁設計的合理性，為機載設備快速檢測農作物的表型特征參數提供移動作業平臺，解決快速采集大量農作物表型參數所需的移動平臺問題。

快速檢測；三維移動平臺；重復定位精度；有限元分析

0 引言

農作物表型檢測是育種過程中的一項重要任務，主要檢測農作物的表型特征參數，如農作物株型、株高、葉綠素及其成分含量等，具有采樣點數多、數據量大等特點。目前的檢測方式主要是人工完成，工作效率低，工人勞動強度大[1]。由于農作物生長具有季節性，致使人工檢測的數據偏少，不能全面反映農作物表型的總體水平，給育種專家全面掌握種子的性能造成了困難，因此植物表型自動檢測技術在農業研究和作物育種的過程中將發揮重要作用[2]。

農作物表型快速檢測移動機器人系統就是利用機器人技術，為農作物表型參數檢測儀器提供移動作業平臺，解決快速檢測的平臺問題，這也是21世紀農業機械化的重要發展趨勢[3]。本文介紹了育種表型快速檢測移動機器人的系統構成，分析了主梁的有限元特性，并通過實驗，驗證了系統設計的合理性。

1 農作物表型快速檢測移動機器人系統介紹

1.1 總體結構

表型快速檢測移動機器人本體由大范圍三維移動平臺和數據采樣系統兩部分組成。大范圍三維移動平臺主要包括門架、升降移動平臺、運行機構和電氣系統等四個主要部分，數據采樣系統主要由六自由度操作機器人和攝像機系統構成，如圖1所示。

圖1 表型快速檢測移動機器人本體

1.2 工作原理

當育種專家需要獲取表型特征參數時，若這些參數是非接觸式（如農作物株高、株型、病蟲害情況等）獲取，只需將所需儀器掛載在移動平臺上，將移動平臺移動至所需檢測農作物上方，然后通過對農作物株高、株型檢測儀、病蟲害檢測儀的讀取，即可獲得所需參數，若所需檢測參數是接觸式的（如農作物葉綠素含量、光合作用情況等），此時需要通過安裝在六自由度機器人上的攝像頭，對農作物的葉片先進行定位，然后再通過機械臂上的末端夾持器進行采樣，然后再檢測，獲取所需參數。

1.3 主要技術參數

根據安徽龍亢農場育種用地的實際情況和基金設計任務要求，大范圍三維移動平臺采用門式結構，分段式設計，尺寸為20m*30m，移動平臺具有200Kg負載能力，可以搭載多種檢測設備（多光譜成像儀、葉綠素檢測儀，病蟲害檢測儀等），其控制系統具有手工和自動行走兩種工作模式，有良好的用戶操作接口。設計性能參數及指標如表1所示。

表1 大范圍三維移動平臺設計參數

2 主要工作部件

2.1 升降移動平臺

升降移動平臺的作用是將檢測儀器定位到感興趣的檢測點，可以精確定位到指定的位置坐標。移動平臺上面裝有小車運行機構,可沿主梁行走，也可進行上下移動，升降移動平臺的末端是一安裝平臺，在平臺上可以安裝用以進行農作物表型快速檢測的各種儀器以及機械臂，用以進行植物表型參數的快速檢測。

2.2 大車運行機構

大車運行機構的作用是使升降系統整體沿軌道運行。其由電機、減速器、制動器、聯軸器和車輪組組成，車輪組在門機兩側對稱布置。大車運行機構采用“三合一”驅動裝置，電機、制動器和減速器作成一體。

2.3 電氣系統

電氣系統控制電機按照預期目標運行，設有短路、失壓、過流等安全保護裝置。系統運行、起升機構均裝有行程限位開關，以限制各機構的運動行程。當限位開關斷開后，相應的電路被切斷，機構停止運轉。兩次接通電源時，機構只能向相反方向運轉，從而保障了安全。

2.4 六自由度操作機器人

本實驗所使用的六自由度操作機器人系埃夫特智能裝備有限公司的ER6C60的通用型6R工業機器人。前三個關節確定手腕的位置，后三個關節確定手腕的方位。通過上位機將攝像頭獲得葉片的位置信息發送給機械臂控制器，然后機械臂通過末端夾持器，進行農作物的快速取樣與檢測。

3 大范圍三維移動平臺重復定位精度實驗

由于本實驗平臺主要用于精準農業中農作物表型快速檢測，而對于同一顆植物的采樣，需要在不同時間進行多次采樣，因此能夠準確、快速找到需要重復采樣的植物，對于實驗，有著很重要的作用。其中六自由度機械臂的重復定位精度是0.02mm，移動平臺誤差主要來源于三維移動平臺，因此我們實驗所做的重復定位精度主要做的是大范圍三維移動平臺的重復定位精度實驗。

實驗時，我們移動平臺沿x，y，z軸各運行2000mm，3000mm，1000mm。每組數據采樣5次。

?

理論運行距離（m m）實際測量距離（m m）3 0 0 0 2 9 8 9 3 0 0 0 3 0 1 8 3 0 0 0 3 0 2 3 3 0 0 0 2 9 8 5 3 0 0 0 3 0 1 1沿y軸重復定位精度實驗

理論運行距離（mm）實際測量距離（mm）1500 1512 1500 1488 1500 1513 1500 1509 1500 1490沿z軸重復定位精度實驗

由重復定位實驗數據，在x，y，z，三方向上，最大移動誤差為32mm，在我們設計表型參數快速檢測定位機構時，要求其粗定位精度小于40mm，實驗數據表明滿足設計要求。

4 主梁設計合理性的有限元驗證

4.1 主梁三維模型的建立

根據主梁的設計圖紙，采用pro/e建立三維模型。其中主梁各板材之間連接均為焊接。材料為Q235B，其楊氏模量2.1 e11，泊松比0.3。

圖2 主梁三維模型圖

4.2 主梁工況分析

主梁在進行靜力學分析時，應選取梁在實際工況中有可能面臨最不利的工況，來分析各結構的應變和應力, 以檢驗主梁的剛度和強度是否滿足設計要求[4,5]。主梁由于是兩端固定，其最壞工況就是當升降平臺運行到梁的跨中位[6]置且負載最大時，此時主梁變形與受力最大。因此本文選用當運行平臺在梁的跨中時進行有限元分析驗證。

主梁設計參考鋼結構設計規范[7]，根據結構鋼設計規范，主梁垂直靜撓度f與主梁跨度L間的關系為：

4.3 主梁的有限元分析

有限元分析采用ANSYS workbench進行，Workbench 利用ANSYS 計算內核，具有裝配體自動分析、自動網格劃分、快捷的參數優化工具，為設計者提供了極大的便利[8]。

首先進行主梁的網格劃分，采用自動劃分法對裝配體進行網格劃分。自動劃分法就是自動設置四面體或掃掠網格劃分，如果幾何體不能被掃掠，程序自動生成四面體，反之則產生六面體[9]。網格劃分的優劣直接影響著分析的結果，節點30464個，基本單元15992個。

圖3 主梁網格劃分圖

完成主梁的邊界條件設置，力施加后，對主梁進行靜力分析。梁為有限元分析的主體，因此在后處理過程中只顯示主梁的變形和應力云圖這樣能夠簡化分析結果，突出重點[10]。主梁的變形圖如圖4所示，應力圖如圖5所示。

圖4 主梁應變形圖

由圖可知，撓度最大處于跨中處，此時主梁撓度大約為2.4311mm，遠小于設計規范的12.5mm，因此完全符合設計要求。

圖5 主梁應力圖

由應力圖，可以看出，梁所受最大應力約52.524MPa，小于Q235B鋼的屈服極限應力235MPa，完全符合設計要求。

這里撓度和應力都有較大的安全余量，主要是因為我們在進行主梁設計時，考慮到移動平臺主要用于實驗，在以后的試驗中可能會采用別的升降方式，使主梁受到更大的力，因此在主梁設計時，預留了很大的安全余量。

5 結論

本文介紹了我們研制的育種表型快速檢測移動機器人的系統構成，該系統的研制是為了滿足育種過程中農作物表型快速檢測的需求，解決快速采集大量農作物表型參數的自動化平臺問題。在系統介紹的基礎上，通過實驗和有限元分析，驗證了系統設計的合理性。

[1] 段凌鳳,楊萬能.水稻表型組學研究概況和展望[J].生命科學,2016,28(10):1129-1137.

[2] 方偉,馮慧,楊萬能,劉謙,表型檢測中用于小麥株型研究的快速三維重建方 法[J].中國農業科技導報,2016,18(2):95-101.

[3] 李玉林,崔振德,張園,李明福,羅文楊,葛暢,中國農業機器人的應用及發展現狀[J].熱帶農業工程,2014,38(4):30-33.

[4] 王偉璋,起重機金屬結構加勁薄板承載能力的試驗研究與仿真分析[D].上海:上海海事大學物流工程學院,2005.

[5] 周平槐,大跨度箱形變截面鋼拱結構的受力性能研究[D].杭州:浙江大學機械與能源工程學院,2005.

[6] 劉金萍,龍門吊結構有限元分析[J].山西電子技術,2014,6;18-19.

[7] 《鋼結構設計規范》編制組, 鋼結構設計規范應用講解[M].北京:中國計劃出版社,2003.

[8] 查太東,楊萍,基于ANSYS Workbench 的固定支架優化設計[J].煤礦機械2012,33(2):28-30.

[9] 張海波,張瑞軍,常影.基于ANSYS的汽車懸架控制臂有限元分析[J].組合機床與自動化加工技術,2014,3:151-155.

[10] 周孜亮,王貴飛,叢明.基于ANSYS Workbench 的主軸箱有限元分析及優 化設計[J].組合機床與自動化加工技術,2014,3:17-20.

A robot system for crop phenotype detection and the analysis of the main beam

YAN Fa-ling1,2, SHI Jing-fei1,2, WANG Da-qing1,2, GAO Li-fu1

TP242.2

：A

：1009-0134(2017)08-0067-04

2017-06-20

高通量育種作物本體與環境快速檢測裝置（Y622A21291）；中國科學院戰略性先導科技專項基金（XDA08040109）；安徽省對外科技合作項目（1503062026）

閆法領（1989 -），男，安徽阜陽人，碩士，研究方向為機器人。