一種自動(dòng)化柑橘采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

張晨宇,聶淑萍,張洪震,趙勝雪

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

我國(guó)是柑橘重要原產(chǎn)地之一,柑橘栽培面積超過(guò)300萬(wàn)hm2,但目前我國(guó)柑橘采摘方式多為人工采摘,采摘作業(yè)效率低、成本高(采摘費(fèi)用占成本比例50%～70%)[1],且采摘作業(yè)的質(zhì)量難以保證。如今我國(guó)面臨人口老齡化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力短缺等問(wèn)題。柑橘采摘機(jī)器人可減少人工成本、提高采摘效率和作業(yè)質(zhì)量,具有很大的發(fā)展?jié)摿?因此研發(fā)柑橘采摘機(jī)器人對(duì)提高柑橘生產(chǎn)效率具有重要意義。

早在20世紀(jì)80年代初,國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)始研發(fā)果蔬采摘機(jī)器人,一款由西班牙工業(yè)自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)的柑橘采摘機(jī)器人Agribot[2],基于人機(jī)協(xié)作思想,可通過(guò)激光測(cè)距儀和控制系統(tǒng)規(guī)劃最優(yōu)采集路徑實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)采摘,具有采摘效率高、系統(tǒng)成本低的特點(diǎn),但對(duì)質(zhì)地較軟的果實(shí)采摘存在機(jī)械損傷的風(fēng)險(xiǎn)。王順溈等[3]設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)式采摘機(jī)械臂,其外形模仿雨傘來(lái)進(jìn)行果實(shí)收納,但在收集過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致果實(shí)碰撞而造成損壞,影響果實(shí)的采收率和損傷率。魏博等[4]設(shè)計(jì)了一種欠驅(qū)動(dòng)式的柑橘采摘末端執(zhí)行器,可穩(wěn)定采摘不同大小橢圓度的柑橘,具有抓取穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但該機(jī)使用旋擰分離方式采摘果實(shí),會(huì)對(duì)果蒂處造成損傷,縮短果實(shí)保質(zhì)期。

針對(duì)目前柑橘采摘機(jī)器人存在果實(shí)采摘損傷率過(guò)高的問(wèn)題,本文對(duì)柑橘采摘過(guò)程進(jìn)行實(shí)際分析,設(shè)計(jì)了一款柑橘采摘機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)柑橘全自動(dòng)無(wú)損采摘。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

柑橘采摘機(jī)器人主要由機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、儲(chǔ)存箱、行走裝置等部分組成,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.機(jī)械臂;2.末端執(zhí)行器;3.輸送軟管;4.儲(chǔ)存箱;5.行走裝置

機(jī)器人的工作流程如下:

1)采摘機(jī)器人沿著橘林道路向前移動(dòng);

2)識(shí)別、定位系統(tǒng)采集圖像,以此獲取柑橘果實(shí)的坐標(biāo),控制系統(tǒng)再將位置坐標(biāo)信息發(fā)送至行走裝置并驅(qū)動(dòng),使采摘機(jī)器人到達(dá)預(yù)定位置;

3)采摘機(jī)械臂開(kāi)始工作,使末端執(zhí)行器靠近并抓取果實(shí),切斷果梗,實(shí)現(xiàn)柑橘果實(shí)采摘;

4)采摘后,果實(shí)隨著重力作用掉落,通過(guò)輸送軟管,無(wú)傷輸送至儲(chǔ)存箱中。

重復(fù)上述操作,直至完成柑橘果實(shí)采摘作業(yè)。

1.2 行走裝置與支撐框架設(shè)計(jì)

根據(jù)柑橘實(shí)際種植地形條件及機(jī)器人載荷需求,設(shè)計(jì)行走裝置與支撐框架。行走裝置由直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、輔助輪、橡膠履帶、渦輪減速機(jī)等部分組成。支撐框架與行走裝置直連,框架上連接負(fù)責(zé)搭載機(jī)械臂與儲(chǔ)存箱的平臺(tái),行走裝置與支撐框架整體如圖2所示。

1.直流電機(jī);2.驅(qū)動(dòng)輪 ;3.輔助輪;4.橡膠履帶;5.支撐框架;6.渦輪減速機(jī)

采摘機(jī)器人使用場(chǎng)景多為丘陵、山地,土壤多為土層深厚、松軟且透氣性較強(qiáng)的壤土和沙土,且具有一定的坡度。于是,選用橡膠質(zhì)地的履帶作為機(jī)器人行走裝置,具有較好的緩沖性,可減少振動(dòng)對(duì)上裝設(shè)備的影響,在機(jī)器人應(yīng)用地形上具備良好的運(yùn)載能力和行走能力[5]。

行走裝置由直流電機(jī)、RV025-090型渦輪減速機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪間采用螺栓緊固相連,并與橡膠履帶嚙合。驅(qū)動(dòng)輪位于履帶結(jié)構(gòu)頂端,傳遞驅(qū)動(dòng)力矩或制動(dòng)力矩,使得履帶轉(zhuǎn)動(dòng)或停止。履帶中設(shè)有6組輔助輪,使履帶在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與地面更加貼合,以此增加抓地力和附著性能,同時(shí)能有效避免發(fā)生軸向移動(dòng)而造成的脫軌。

考慮滿載情形,機(jī)器人的支撐框架所需承受載荷為整個(gè)機(jī)械臂重量與滿載柑橘時(shí)儲(chǔ)存箱重量之和(經(jīng)計(jì)算約為700 kg)。因此,設(shè)計(jì)的機(jī)器人支撐框架應(yīng)符合安全使用要求。結(jié)合成本、工藝等因素,選用了碳鋼作為支撐框架及其所搭載的平臺(tái)的材料。

1.3 采摘機(jī)械臂設(shè)計(jì)

針對(duì)機(jī)械采摘果實(shí)時(shí)靈活性的需求,關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂相比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有著更高的靈活性,并且結(jié)構(gòu)緊湊。因此,該機(jī)器人采用了關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)來(lái)展開(kāi)設(shè)計(jì)。自由度直接影響機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)性能和靈活度,選擇合適的自由度對(duì)于綜合優(yōu)化柑橘采摘機(jī)械臂具有重要指引作用。為了保證機(jī)械臂能夠有效避開(kāi)樹(shù)枝障礙,深入枝葉間隙,實(shí)現(xiàn)柑橘的精準(zhǔn)采摘,經(jīng)考察,該機(jī)器人采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為四自由度的機(jī)械臂,以地面為參考系,x0y0平面與地面平行,機(jī)械臂坐標(biāo)系示意如圖3。

圖3 機(jī)械臂坐標(biāo)系示意圖

設(shè)計(jì)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要包括腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、大臂、小臂關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器等。根據(jù)柑橘果實(shí)高度分布情況,設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手臂的尺寸如下:底座底部(x0y0平面)中心到腰關(guān)節(jié)所在平面即底座整體高度為500 mm,底座底部中心到肩關(guān)節(jié)軸線(z2軸)高度為535 mm,肩關(guān)節(jié)軸線(z2軸)到小臂關(guān)節(jié)軸線(z3軸)的距離即大臂連桿為660 mm,小臂關(guān)節(jié)軸線(z3軸)到腕關(guān)節(jié)軸線(z4軸)的距離即小臂連桿為580 mm,腕關(guān)節(jié)軸線(z4軸)到末端執(zhí)行器末端的距離為348 mm。考慮到果實(shí)采摘的精準(zhǔn),因此機(jī)械臂對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和精度有較高要求,各關(guān)節(jié)的電機(jī)均采用伺服電機(jī)并配備相應(yīng)的減速器來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)。

1.腰關(guān)節(jié);2.肩關(guān)節(jié);3.大臂;4.小臂關(guān)節(jié);5.小臂;6.腕關(guān)節(jié);7.末端執(zhí)行器

1.4 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器是安裝于機(jī)械臂前端用于采摘柑橘的重要部件,與采摘機(jī)器人的工作效率和果實(shí)在采摘過(guò)程中的機(jī)械受損率密切相關(guān)。現(xiàn)已研發(fā)的機(jī)器人末端執(zhí)行器難以做到像人手那樣靈巧敏捷的抓取。所以本研究設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器需要具有普適性和經(jīng)濟(jì)可行性。

實(shí)現(xiàn)機(jī)器采摘果實(shí)的關(guān)鍵步驟為果實(shí)固定、果與樹(shù)分離。果實(shí)固定的方法有兩種。一種為吸盤(pán)吸附果實(shí)將其固定。另一種是使用多手指夾爪固定果實(shí)。果實(shí)與果樹(shù)分離方式有旋轉(zhuǎn)扭斷果梗或使用剪切機(jī)構(gòu)切斷果梗兩種[6-7]。考慮到柑橘的果梗木質(zhì)化程度較高,扭轉(zhuǎn)分離的方式會(huì)造成果蒂處損傷,不易儲(chǔ)存;夾持機(jī)構(gòu)的方式易造成果皮細(xì)胞破損,縮短果實(shí)保質(zhì)期。所以,本設(shè)計(jì)采用吸盤(pán)吸附固定果實(shí),后切斷果梗實(shí)現(xiàn)采摘。

以紅美人柑橘為研究對(duì)象,在柑橘果園中進(jìn)行采樣,取100個(gè)成熟程度、大小不同的柑橘。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量果實(shí)的橫徑、縱徑和果梗直徑,再用電子秤測(cè)量質(zhì)量,統(tǒng)計(jì)最大質(zhì)量和最小質(zhì)量,測(cè)得的柑橘橫徑、縱徑、直徑及果實(shí)質(zhì)量等數(shù)據(jù)如表1。

表1 柑橘特性參數(shù)

根據(jù)測(cè)量到的橫徑、縱徑,為吸盤(pán)進(jìn)行選型,并設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器內(nèi)部空間大小,末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.高速轉(zhuǎn)動(dòng)輪;2.鋸刀片;3.吸盤(pán)傳動(dòng)齒輪;4.吸盤(pán);5.拉簧;6.搬果環(huán);7.固定座;8.螺紋吸管;9.搬果環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī);10.皮帶輪;11.出果桶;12.拉繩;13.圓筒;14.電機(jī)板;15.切割電機(jī);16.鋸刀座;17.伸縮電機(jī);18.連接桿

工作時(shí),吸盤(pán)將遠(yuǎn)處的柑橘吸住固定,伸縮電機(jī)通過(guò)齒輪副帶動(dòng)螺紋吸管將其引向圓筒中,當(dāng)柑橘接近圓筒時(shí),搬果環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)拉簧將柑橘整體搬入圓筒,同時(shí)將果梗推向鋸刀片,切割電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)輪和皮帶帶動(dòng)鋸刀片高速旋轉(zhuǎn),將果梗切斷,切下的果實(shí)落入出果桶,出果桶外接收集囊,果實(shí)進(jìn)入收集囊并滑落至儲(chǔ)存箱中,順利完成柑橘的采摘。

2 采摘機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 模型建立與齊次變換矩陣

機(jī)械臂通常是由轉(zhuǎn)動(dòng)(移動(dòng))關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)成,每個(gè)關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度。關(guān)節(jié)的作用是控制兩個(gè)連桿間的相對(duì)位置和姿態(tài);連桿的功能在于保持其兩端的關(guān)節(jié)軸線具有固定的幾何關(guān)系。因此,連桿參數(shù)的設(shè)定是機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的重要組成部分。操作臂的連桿參數(shù)和連桿坐標(biāo)系示意圖(圖6)。

圖6 連桿參數(shù)和連桿坐標(biāo)系示意圖

如圖6所示,相鄰兩連桿i和i-1由關(guān)節(jié)i相連,因此關(guān)節(jié)軸線i有兩條公法線(ai-1和ai)與它垂直,每條公法線代表一條連桿:ai-1代表連桿i-1;ai代表連桿i。兩連桿之間的距離di由ai-1與軸線i的交點(diǎn)到ai與軸線i的交點(diǎn)間的距離表示,沿軸線i測(cè)量;兩條連桿之間的夾角θi由αi-1和αi之間的夾角表示,繞軸線i由ai-1到αi測(cè)量。di和θi都帶正負(fù)號(hào),連桿長(zhǎng)度ai-1恒為正,但兩關(guān)節(jié)軸線之間的夾角αi-1可正、可負(fù)。

每個(gè)連桿由ai-1、αi-1、di、θi來(lái)描述,這四個(gè)參數(shù)常被稱為D-H參數(shù)。ai-1、αi-1描述連桿i-1 本身的特征;di、θi描述連桿i-1與連桿i之間的聯(lián)系。對(duì)于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)i,θi僅是關(guān)節(jié)變量,其他3個(gè)參數(shù)不變。本文采摘機(jī)械臂的4個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

D-H坐標(biāo)表示法是一種通用的機(jī)械臂建模方法,通過(guò)在每個(gè)連桿上固定一個(gè)坐標(biāo)系,用4×4的齊次變換矩陣來(lái)描述相鄰兩個(gè)連桿之間的空間關(guān)系。通過(guò)將各個(gè)關(guān)節(jié)的變換矩陣依次相乘,可以得到機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于固定坐標(biāo)系的位姿,進(jìn)而得出機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[8]。通過(guò)對(duì)上述機(jī)械臂各關(guān)節(jié)和連桿結(jié)構(gòu)分析,確定機(jī)械臂的D-H參數(shù)(表2)。

表2 D-H參數(shù)表

變換矩陣也可以依次從連桿上的四種特征參數(shù),即D-H函數(shù)中得到,再通過(guò)右乘上述四個(gè)變換矩陣即可得出一種可以用于描述相鄰關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系之間聯(lián)系的齊次變化矩陣,其代表了坐標(biāo)系{n}相對(duì)上一坐標(biāo)系{n-1}的位姿改變[8]。齊次變換矩陣如下式所示。

nTn+1=An+1=Trans(an,0,0)×Rot(xn,αn)×Trans(0,0,dn+1)×Rot(zn+1,θn+1)

(1)

其中,dn+1為連桿偏距,mm,θn+1為關(guān)節(jié)角度,(°);an為連桿長(zhǎng)度,mm,αn為連桿扭角,(°),即D-H參數(shù)。

2.2 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

根據(jù)D-H參數(shù)表所示連桿特征參數(shù)和坐標(biāo)變換矩陣表達(dá)式,得出各連桿的變換矩陣如下

(2)

(3)

(4)

(5)

其中,a1=170 mm,a2=660 mm,a3=185 mm;d1=380 mm,d2=155 mm。將上述4個(gè)變換矩陣相乘,得到機(jī)械臂的總的變換矩陣如(6)式,它表示的是坐標(biāo)系{4}相對(duì)于坐標(biāo)系{0}的位姿變換,即為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正解

(6)

其中,a為機(jī)械臂末端坐標(biāo)系(即坐標(biāo)系{4})的接近矢量;o為姿態(tài)矢量;n為法向矢量;P為末端坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置。

式中:

nx=c234c1;ox=-s234c1;ax=-s1;

ny=c234s1;oy=-s234s1;ay=-c1;

nz=-s234;oz=-c234;az=0;

Px=a1c1-d2s1+a3c1c2c3-c1s2s3+a2c1c2;

Py=d2c1-a3(s1s2s3-c2c3s1)+a1s1+a2c2s1;

Pz=d1-a3s23-a2s2。

2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)Matlab仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證正運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的準(zhǔn)確性,結(jié)合Matlab-Robotic Toolbox進(jìn)行實(shí)例仿真驗(yàn)證[9-10]。

根據(jù)該采摘機(jī)械臂D-H參數(shù),同時(shí),對(duì)關(guān)節(jié)角θi(i=1～4)任意給定一個(gè)角度初始值:θ1=π/2,θ2=θ3=-2π/3,θ4=2π/3,把以上D-H參數(shù)及角度值代入到方程(6)中,就可以得到機(jī)器人末端的位姿矩陣(7)。

(7)

通過(guò)Matlab-Robotic Toolbox工具箱可以輕松求解機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿。給出機(jī)器人關(guān)節(jié)空間矩陣q=[pi/2,-2*pi/3,-2*pi/3,2*pi/3],利用Matlab-Robotic Toolbox自帶的“T=fkine(r,q)”求出操作空間的位姿矩陣[10]。通過(guò)Matlab仿真得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解結(jié)果與解析法求得的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解結(jié)果完全一致。同時(shí)可以利用Matlab仿真軟件得到機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)三維仿真演示模型(圖7),在示教上可以通過(guò)控制滑塊以此改變關(guān)節(jié)角度,從而可以很直觀地看到機(jī)械臂末端的位姿變化。

圖7 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)三維仿真演示

仿真結(jié)果驗(yàn)證了采摘機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的科學(xué)性、合理性,為機(jī)械臂的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、定位和柑橘果實(shí)識(shí)別,通過(guò)控制關(guān)節(jié)伺服電機(jī)進(jìn)而控制各個(gè)采摘機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)采摘。

該機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32F407為控制核心,輸入與輸出信號(hào)指令在上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行通信。

圖8 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上位機(jī)采用基于圖形化編程思想的LabView軟件進(jìn)行編程。主控芯片發(fā)送信號(hào)給行走裝置,以此驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。識(shí)別系統(tǒng)利用攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù),再使用OpenCV對(duì)采集的圖像進(jìn)行初步處理,隨即將處理完畢的圖像數(shù)據(jù)在TensorFlow下運(yùn)行YOLO v3算法,輸出目標(biāo)果實(shí)在圖像中的具體位置及大小至樹(shù)莓派,樹(shù)莓派接收到數(shù)據(jù)后再將其輸出至主控芯片[11]。考慮精度和速度的要求,定位系統(tǒng)采用了激光雷達(dá)來(lái)進(jìn)行定位避障。

基于機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,主控芯片通過(guò)連接4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)控制電機(jī),實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械臂各關(guān)節(jié)位姿變化以此使末端執(zhí)行器接近果實(shí);采摘裝置收到指令切斷果梗,果實(shí)滑落進(jìn)輸送軟管,儲(chǔ)存箱中的傳感器感受到果實(shí)的進(jìn)入,就完成一次采摘作業(yè),機(jī)器人復(fù)位開(kāi)始下一次采摘作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于果蔬采摘裝置關(guān)鍵部件的研制取得的成果較少,在智能化、高效化、整機(jī)高適應(yīng)化及協(xié)調(diào)能力等方面還有很大的提升空間。根據(jù)柑橘采摘的實(shí)際需求,該文研究設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)柑橘采摘機(jī)器人,并針對(duì)目前柑橘采摘機(jī)器人存在果實(shí)采摘損傷率過(guò)高的問(wèn)題,對(duì)采摘裝置進(jìn)行了深入研究設(shè)計(jì),利用D-H法建立了采摘機(jī)械臂坐標(biāo)變換矩陣,給出運(yùn)動(dòng)學(xué)正解并進(jìn)行了仿真,結(jié)果驗(yàn)證了采摘機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。此研究設(shè)計(jì)對(duì)提高柑橘采摘自動(dòng)化、智能化程度和柑橘農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大意義。