擊打式松果采摘機器人設計與試驗

王克奇 張維昊 羅 澤 張怡卓

(東北林業大學機電工程學院， 哈爾濱 150040)

0 引言

松果是一種成簇生長的林木球果，成熟后具有極高的營養價值和藥用價值。松果采摘主要依賴人工，存在危險系數高、勞動強度大和采摘效率低等問題，不能滿足行業發展需要，故實現松果機械化、自動化采摘具有重要意義。由于作業環境的非結構性和作業路徑復雜等原因[1-3]，松果采摘機器人研究大多停留在實驗室階段。目前，簇生長果實機器人采摘主要采用吸附、抓取、剪斷或折斷等方式，可將其分為2類：第1類采用真空抽吸法使果實與果梗分離。如文獻[4-5]研究了真空吸盤式果實采摘機器人，但松果表面不規則，不利于真空吸附。第2類通過夾持果實、切斷或折斷果梗使果實分離。如文獻[6-8]提出旋擰方法實現獼猴桃和菠蘿果實采摘，該方法采摘時易與相鄰果實發生碰撞，且未討論簇生獼猴桃的采摘問題。文獻[9-11]對荔枝和番茄果梗切斷特性進行研究，由于機械結構復雜，該方法不便深入植株內部采摘。松樹高15～20 m、冠幅2～5 m，松果生長在松樹樹梢位置；松果果柄木質化程度高，果實分離力大；松果存在枝葉遮擋與重疊現象，這些都是研究松果采摘機器人的難題。

結合松果生長特征和針對現有采摘方式的不足，本文設計一種擊打式松果采摘機器人。采用旋轉擊打的方式實現松果采摘，應用Matlab和ADAMS仿真對機械臂結構進行分析，探討設計的合理性與實用性，應用ANSYS Workbench對結構進行優化設計，并求解結構安全系數與最大變形量，探討設計的穩定性與有效性。

1 結構設計

1.1 總體結構設計

擊打式松果采摘機器人由電機驅動模塊、主控模塊、視覺模塊、夾持模塊、采摘模塊組成，其結構示意圖如圖1所示。

圖2 關鍵組件結構簡圖Fig.2 Structural diagrams of important component1.夾持機械臂 2.夾持機械手 3.齒輪 4.齒條 5.軸承蓋 6.蝸桿 7.步進電機 8.渦輪軸 9.渦輪

圖1 擊打式松果采摘機器人結構簡圖Fig.1 Structure diagram of hitting pine cone picking robot1.底座 2.支撐臂 3.夾持機構 4.傳感器 5.升降臂桿 6.旋轉機構 7.驅動模塊 8.攀爬機械臂 9.視覺模塊 10.采摘機械臂 11.步進電機 12.擊打臂桿

松果采摘機器人通過視覺模塊進行松果識別與定位，實時反饋給主控模塊，并通過電機驅動模塊控制夾持模塊和采摘模塊，由采摘模塊的擊打臂桿對松果所在樹枝進行擊打，實現松果采摘。驅動模塊均采用步進電機(57BYG250H/86BYG250D型)進行閉環控制調節。設計松果采摘機器人過程中在滿足強度和剛度要求的基礎上，應滿足最小質量要求，降低采摘工作的能量損耗。故松果采摘機器人的工作方式設計為：支撐臂伸長至升降臂桿與底座垂直位置，采摘機器人由初始狀態轉換為工作狀態，夾持機構完成對松樹主干的夾持，升降臂桿通過視覺模塊捕捉松果高度信息進行升降，旋轉機構和采摘機械臂根據松果位置信息進行調整，擊打臂桿完成對松果所在目標樹枝的擊打。根據工作環境和實際要求，采摘機器人的夾持機構和擊打臂桿在工作過程中會損傷樹木的表面細胞組織，所以在與樹干和樹枝接觸的位置采用軟質橡膠進行包裹，以減小對樹木表面組織的傷害。

1.2 關鍵組件設計

夾持模塊由視覺傳感器、夾持機械臂、夾持機械手以及連接件組成，如圖2a所示。夾持機構在采摘工作中任務為夾持松樹主干以保證采摘機器人在工作過程中的穩定性，起到夾持和平衡力矩的雙重作用。考慮到夾持過程中應避免夾持機械手與枝條共面而導致夾持失敗的情況，設計二自由度夾持機構，通過圖像識別與處理保證夾持機構穩定夾持。

采摘模塊由旋轉機構、擊打機構、視覺模塊、傳感器以及連接件組成。采摘模塊通過渦輪蝸桿、齒輪傳動和電機傳動實現不同方向、小范圍不同高度和不同距離松果的采摘。旋轉機構采用渦輪蝸桿的傳動方式可有效提高傳動比，減小結構質量，其設計參數為模數5，減速比30，擊打機構和旋轉機構如圖2b、2c所示；利用視覺傳感器和激光范圍傳感器對松果進行雙重識別與定位，實現采摘。

2 運動學仿真與分析

機器人運動學分析主要是末端執行器的位姿與機械臂關節變量之間的關系。采用D-H參數法建立擊打式松果采摘機器人運動學方程，其連桿坐標系如圖3所示，坐標系{O}為基坐標系。

圖3 機械臂連桿坐標系Fig.3 Link coordinate system of manipulator

2.1 正運動學求解

根據各連桿參數以及所建立坐標系的關系可得各關節的D-H參數，如表1所示。表中θ1、d2、θ3、θ4、d5和θ6為關節變量，αi、ai、di、θi分別為連桿扭轉角、連桿長度、連桿偏移量、關節角。

表1 D-H參數Tab.1 Parameters of D-H

關節i(i=2，6)為移動關節變換矩陣

(1)

關節i(i=1，3，4，5)為旋轉關節變換矩陣

(2)

式中 Trans()——坐標系繞軸平移函數

Rot()——坐標系繞軸旋轉函數

(3)

為簡化書寫，令cosθi=Ci，sinθi=Si，cosθicosθj=Cij，sinθisinθj=Sij，cosθicosθjcosθk=Cijk，sinθisinθjsinθk=Sijk。

位置向量p為

(4)

姿態矩陣為

(5)

其中

2.2 正運動學仿真與驗證

基于Matlab平臺Robotics Toolbox中改進型D-H參數法，根據表1數據設初始位置的機械臂姿態q0=(0°,400 mm,0°,0°,400 mm,0°),機械臂坐標軸為松果采摘機器人末端執行器位姿，則建立的機械臂模型如圖4a所示。

圖4 機械臂位姿Fig.4 Position of manipulator

在機械臂各關節變量運動范圍內，輸入3組關節變量q1=(0°,400 mm,60°,-60°,400 mm,0°)，q2=(0°,500 mm,30°,45°,600 mm,0°)，q3=(0°,400 mm,90°,30°,400 mm,60°)，可得到機械臂位姿如圖4b、4c、4d所示。為驗證推導的正運動學方程的正確性和搭建模型的合理性，將關節變量q1、q2、q3分別代入式(3)。結果對比如表2所示。

表2 結果對比Tab.2 Comparison of results

對比Matlab仿真結果和理論計算結果可知：輸入相同的關節變量，輸出的位姿是一致的，驗證了正運動學模型及運動學方程的正確性。

2.3 逆運動學求解

運動學逆解用于機械臂末端執行器的精確定位和運動規劃，其本質是將末端執行器的空間矢量信息轉換為可供驅動電機識別的參數信息。逆運動學分析為已知機械臂末端執行器的位姿來求解各關節的關節變量，逆運動學的方法可以分為解析法、幾何法和迭代法[12-14]。試驗采用矩陣逆乘解析法求解運動學逆解

(6)

其中

記(i,j)L為式(6)左邊矩陣第i行第j列元素，(i,j)R為式(6)右邊矩陣第i行第j列元素。根據式(6)，(3,4)L=(3,4)R、(3,3)L=(3,3)R，可得

(7)

由式(7)可得

(8)

根據式(6)，(2,3)L=(2,3)R，可得

-C1C6oz+C6S1ox-S6C1nz+S1S6nx=0

(9)

化簡式(9)可得

C1(C6oz+S6nz)-S1(C6ox+S6nx)=0

(10)

令

m=C6oz+S6nzn=C6ox+S6nx

則式(10)可改寫為

mC1-nS1=0

(11)

由式(11)可得

(12)

根據式(6)，(1,4)L=(1,4)R、(2,4)L=(2,4)R、(2,1)L=(2,1)R，可得

(13)

由式(13)可得

其中

B=C6C1nz-C6S1nx-S6C1oz+S1S6ox

(14)

2.4 工作空間分析

工作空間是指機器人在采摘過程中，末端執行器所能達到空間點的集合，機械臂的工作空間是評價其完成任務能力的一個重要運動學指標。試驗采用蒙特卡洛法[15-16]計算松果采摘機器人的工作空間。結合表1數據得到機械臂工作空間及XOY、XOZ、YOZ平面投影如圖5所示。

由圖5可知，機械臂工作空間連續、工作點分布密集，其形狀可近似為直徑4.5 m的球體，由于松果生長于松樹樹梢位置，其工作空間中心空洞為連接兩關節連桿造成，采摘機器人位于松樹0.5 m處，對比分析可知，理論求解空間滿足實際采摘要求。

圖5 機械臂工作空間Fig.5 Workspace of manipulator

3 動力學分析與采摘試驗

3.1 動力學分析

機器人動力學是研究物體運動與作用力之間的關系，針對松果采摘機器人在目標捕捉和采摘過程的碰撞問題，采用第一類拉格朗日法[17-18]和沖量原理[19-21]建立機械臂的動力學方程和碰撞動力學模型。拉格朗日公式是一種基于能量的動力學方法，對于任何機械系統，拉格朗日方程為

L=Ek-Ep

(15)

式中L——拉格朗日函數

Ek——系統總動能，J

Ep——系統總勢能，J

系統動力學帶拉格朗日乘子的拉格朗日方程的能量形式為

(16)

式中qj——廣義坐標，描述系統位形所需要的獨立參數

λi——拉格朗日乘子

在ADAMS中建立虛擬樣機模型，通過動態分析確定機器人的結構、響應時間等參數，完成對機器人動力學性能的評估。

動力學仿真模型如圖6所示，碰撞發生瞬時各關節產生剛性沖擊，碰撞后各機械臂運動狀態和力學性能均發生變化，對機械臂運行過程中碰撞問題進行研究可為機械臂軌跡規劃和實時控制提供理論依據。

圖6 動力學仿真模型Fig.6 Model of dynamics simulation

3.2 動力學仿真分析

ADAMS中設置仿真時間8 s，仿真步長500步，仿真方式為腳本仿真，重力加速度方向沿X軸正方向。根據經典碰撞理論[22]，假定系統碰撞接觸時間無限小，碰撞是點接觸，碰撞過程中桿的形狀和慣量不變。設定松果采摘機器人擊打臂桿在6.3 s第1次擊打松果所在樹枝，擊打臂桿輸入轉矩3.6 N·m,輸入轉速500 r/min。試驗結果如圖7、8所示。

圖7 樹枝受力與位移曲線Fig.7 Curves of branch force and displacement

由圖7可知，樹枝在0～1 s內由于受到重力作用位移和力曲線均產生小范圍波動；在6.3～8 s內受到機械臂多次擊打產生位移和力的改變。通過受力分析可得到使松果掉落最小力矩。

由圖8可知，機械臂受到沖擊時導致系統速度突變，6.3～8 s機械臂與樹枝產生3次碰撞，其碰撞發生瞬間各關節產生剛性沖擊，t=6.3 s時產生第1次碰撞，其峰值轉矩為1.2×105N·mm。若為保證機械臂碰撞后保持原有運動規律，需對各關節驅動力矩進行控制調節。

3.3 支撐關節靜力學分析

支撐關節如圖1所示，由支撐鉸鏈和升降臂桿組成。松果采摘機器人的支撐關節在工作過程中不僅承受整個系統的重力和力矩，而且承受采摘過程中的交變載荷，是整個系統受力最為集中的關節，故對其進行靜力學分析。由動力學仿真可知，支撐關節在6.3 s時受力最大，峰值6 400 N,利用ANSYS Workbench軟件建立有限元分析模型，材料選擇鋁合金，如圖9a所示。結構靜力學用于計算在固定不變載荷作用下結構的效應，它不考慮慣性和阻尼的影響，靜力分析方程為

Kx=F

(17)

圖9 有限元分析Fig.9 Finite element analysis

式中K——剛度矩陣

x——位移矢量

F——靜態加載節點力

極限載荷情況下，支撐關節最大變形量為4.148 4 mm，滿足設計要求。

由圖9c可知，應力集中區域出現在鉸點處，安全系數最低為0.019 468，此處采用鋁合金材料不能滿足工作需要。故采用力學性能更好的鎂合金作為支撐鉸鏈材料，并采用雙鉸鏈和增加臂桿底座的方式對其進行加固，其仿真圖像如圖9d所示。其安全系數最低為1.577 1，可滿足采摘需求。

3.4 松果采摘試驗

圖10 采摘試驗Fig.10 Picking test

基于仿真結果，通過調整機械臂的尺寸參數、安裝位置對結構進行優化，并搭建擊打式松果采摘機器人樣機，在實驗室環境下進行松果采摘試驗。仿真松樹樹高4 m，冠幅3 m，松果采摘機器人初始狀態尺寸1 000 mm×1 200 mm×1 100 mm，質量45 kg，擊打臂桿輸入轉速500 r/min。采摘試驗如圖10所示。姿態傳感器(JY901型)實時監測機械臂運動位姿，并與理論位姿進行對比，利用控制系統負反饋調節可確保機械臂運動至指定位置。

試驗表明：采摘時間22 min/棵，機械臂工作過程中角加速度曲線如圖11所示。由圖11可知，機械臂0～13 s運行平穩，各軸小范圍波動是由于各機械臂運動所產生的耦合運動，擊打臂桿13 s和35 s時分別擊打松果所在樹枝，導致角加速度發生突變，擊打后機械臂恢復平穩運行狀態，驗證了機械臂具有較好的動態響應，其實際工作空間與理論分析基本一致。

圖11 角加速度曲線Fig.11 Angular acceleration curves

3.5 實用化分析

松樹樹高15～20 m，冠幅2～5 m，實際工作過程中各臂桿運動將產生較大慣性力矩和耦合運動，通過降低機械結構垂直方向的重心確保采摘過程運行平穩；由于擊打臂桿在碰撞過程中產生較大扭轉力矩，通過增加夾持機構和振動控制技術減小碰撞后機械結構的速度突變和抖動情況；林間樹木間隔狹小、地勢凹凸不平，通過視覺模塊和激光范圍傳感器實現松果的準確識別和定位，采用高冗余自由度機械臂提高松果采摘機器人的避障能力。

人工紅松林松果采摘過程中，將擊打式松果采摘機器人安裝于全地形履帶車(SJ2000型，浙江省勝德電器有限公司)，用以適應復雜的林間環境，履帶車由柴油機提供動力，采用遠程操控的方式進行林間行走，行駛至目標樹下，采摘機器人通過視覺模塊進行松果識別與定位，機械臂通過主控模塊自適應調整實現松果采摘。

4 結論

(1)設計了一種擊打式松果采摘機器人，可實現在復雜林間環境下的精準采摘。其結構設計緊湊，可完成松果識別、定位和采摘等一系列工序。

(2)建立了采摘機器人運動學方程，基于Matlab Robotics Toolbox得出機械臂運動位姿，采用蒙特卡洛法求解出機械臂工作空間為直徑4.5 m球體；基于ADAMS建立了碰撞動力學模型，分析得出采摘機器人最小擊打力矩和碰撞后保持原有運動規律所需的驅動力矩，驗證了結構設計的合理性與實用性。

(3)進行有限元分析，并搭建物理樣機模型，運用ANSYS Workbench對受力集中組件進行安全系數和總變形分析，并對應力集中構件進行優化設計。結果表明：該機器人安全系數最低為1.577 1，支撐關節最大變形4.148 4 mm，應力分布合理；在實驗室環境下進行了采摘試驗，結果表明，其采摘空間、采摘過程樹木受力情況與理論分析基本一致，驗證了結構設計的穩定性與有效性。