（化学工程专业论文）番茄采摘机械手的研究与设计.pdf

番茄采摘机械丁的研究j 设计 摘要 农业机器人作为机器人的一种类型，是精准农业、微电子、计算机和自动控 制等技术在农业生产中应用的集中体现，是农业生产过程自动化、智能化的重要 标志。 果实收获是农业生产过程的罩要环节，为提高劳动生产率和作业质量，降低 劳动强度，改善工作环境，实现收获作业机械化、自动化和智能化，基于果实生 物学特性与栽培方式的收获机械人得到了发展。目前，日本、美国、荷兰等国家 已研制了多种收获机器人，主要用于收获番茄、黄瓜、葡萄、西瓜、节果、柑橘 等蔬菜和水果。 本文首先根据番茄生物学特性、栽培方式及番茄收获机器人机构型综合原 则，确定了番茄收获机器人是7 d o f 自由度的番茄采摘机械手，并根据实际工作 方式确定了机械手的结构，设计了传动机构、机械手臂、末端执行器、手腕与基 座的外形及尺寸。在选择驱动装置时对几种驱动方式做了详细比较最终确定为电 机驱动；手臂部分采用内骨架式设计，减轻了手臂重量；手腕部分设计了螺旋传 动式平行央持器，并添加吸盘，使其具有良好的央持性能。本课题理论研究与实 际参数有机结合，研究结果办可应用于其它果实的采摘。 关键字：采摘机器人；机械手臂；手腕；基座 人连理t 人学专业学位硕j j 学位论文 ab s t r a c t t h ea g r i c u l t u r a lr o b o tc o n c e n t r a t e si nt h ea g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n a p p l i c a t i o n m a n i f e s t sa sak i n do fr o b o tt y p ei nt h ef i n ea c c u r a t ea g r i c u l t u r e ，m i c r oe l e c t r o n ， c o m p u t e ra n da u t o m a t i c c o n t r o la n ds oo n t h a ti sa l s oa ni m p o r t a n ts y m b o li nt h e a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o np r o c e s sa u t o m a t i o na n dt h e i n t e l l e c t u a l i z e d h a r v e s t i n gi sa ni m p o r t a n ts t e pi nt h ep r o c e s so fa g r i c u l t u r a ly i e l d i n gp r o c e s s i n o r d e rt oe n h a n c et h ep r o d u c t i v i t ya n di m p r o v et h eq u a l i t y , t or e d u c et h e l a b o r i n g i n t e n s i t y , t oi m p r o v ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，t or e a l i z em e c h a n i z e d ，a u t o m a t i z e da n d i n t e l l i g e n t i z e dh a r v e s t i n g ，t h eh a r v e s t i n gr o b o tb a s e do nb i o l o g i cc h a r a c t e r i s t i ca n d p l a n t i n gm o d eo ff r u i ti sd e v e l o p i n g a tp r e s e n t ，j a p a n ，u s ，h o l l a n da n do t h e rc o u n t r y h a sd e v e l o p e dt h em a n yk i n d so fh a r v e s t i n gr o b o t s t h em a i n l yu s e si st oh a r v e s t v e g e t a b l e sa n dt h ef r u i ts u c ha st o m a t o ，c u c u m b e lg r a p e ，w a t e r m e l o n ，a p p l e ，c i t r u s f r u i t sa n ds oo n t h i sa r t i c l ef i r s ta c c o r d i n gt ot h et o m a t ob i o l o g yc h a r a c t e r i s t i c ，t h ec u l t i v a t i o n w a ya n dt h et o m a t oh a r v e s tm a c h i n ec o n f i g u r a t i o nc o m p r e h e n s i v ep r i n c i p l e h a d d e t e r m i n e dt h et o m a t oh a r v e s tr o b o ti st h e7 d o fd e g r e eo ff r e ed o m t o m a t op i c k st h e m a n i p u l a t o r w ed e t e r m i n i n gt h es t r u c t u r eo far o b o ta c c o r d i n gt ot h er e a l i t y t h ed r i v e d e s i g n ，m e c h a n i c a la r m ，t h ee n do ft h ea c t u a t o r ，w r i s ta n dt h eb a s eo fs h a p ea n ds i z e i t sd o n ead e t a i l e da n a l y s i s i nt h ed e s i g nw eh a v ed o n ead e t a i l e dc o m p a r i s o nw i t h s e v e r a lw a y so fd r i v i n g ，f i n a l l yt h em o t o rd r i v ew a sc o n f i r m e d i no r d e rt or e d u c i n gt h e w e i g h to ft h ea r m ，s i m p l i f i e dt h ej o i n td e s i g na n dr e d u c e st h em a n i p u l a t o rc e n t e ro f g r a v i t yw eu s e dt h eb o n ep o s t u r ed e s i g ni nt h ea r mp a r t i a l l y w r i s ti sd e s i g n e dp a r a l l e l d r i v es c r e wc l a m p i n gd e v i c e t h i sd e s i g na l s oa d das u c k e rt om a k et h ec l i pp e r f o r m w e l l t h i st o p i ci st h et h e o r e t i c a ls t u d ya n dp r a c t i c a lp a r a m e t e r so fo r g a n i ci n t e g r a t i o n a n dt h ef i n d i n g sa l s oa p p l yt oo t h e rf r u i t s p i c k i n g k e y w o r d s ：p i c k i n gr o b o t ；m e c h a n i c a la r mt r a n s m i s s i o n ；w r i s t ；f o u n d a t i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 人连理i ：人学专业学f 节硕i ：学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 炙工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 果留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 和、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 隘论文题目： 者签名： 师签名： 人迕理r 入学专业学位硕l j 学位论文 1 绪论 机器人是新兴的跨学科综合性高新技术，是力学、机构学、机械设 计学、自动控制、传感技术、电液气驱动技术、计算机、人工智能、仿 生学等多个学科的综合与交叉。自从l9 6 2 年，世界上第一台工业机器人 在美国问世以来，随着科学技术的发展和社会的进步以及机械电子技术 的紧密结合，机器人技术已经广泛应用于工业、农业、国防、科技、建 设、生活等各个领域，具有广阔的研究开发和应用前景。 农业机器人作为机器人的一种类型，是精确农业、微电子、计算机 和自动控制等技术在农! 眦生产中应用的集中表现。目前，世乔各国均致 力于农业机器人的丁发展研究。一些农业机器人已研制成功并在育苗、 嫁接、农产品收获等方面小批量的投入生产中。 1 1 研究目的与意义 随着电子技术和计算机技术的发展，智能机器人己在许多领域得到 日益广泛的应用。在农业生产中，由于作业对象的复杂、多样，使得新 概念农业机械一一农业机器人的丌发具有了巨大经济效益和广阔的市场 前景，符合社会发展的需求。 目前，在我国农业增长中农业科技进步对农业增长的贡献率已达到 4 5 以上，超过了土地、劳动力以及物资投入要素的贡献份额。新阶段“科 教兴农的目标是力求通过5 8 年的不懈努力，农业科技进步贡献率达到 5 5 以上，科学技术成为农业和农业经济发展的主要推动力。但是，我国 农业机械化对农业生产的贡献率仅为l7 ，与发达国家存在很大的差距， 加速农业现代化进程，实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，以 提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代 农业发展的必然趋势。同时，国内的水果采摘作业基本上都是手工进行 的。而2l 世纪，农业劳动力将逐渐向社会其它产业转移，世界各国面临 着人口老龄问题，劳动力不足将逐渐变为现实。随着老龄化和劳动力的 减少，农业生产成本也相应的提高，更重要的是温室作业环境下劳动舒 适度较差，收获作业劳动强度大，研究农业机器人特别是果实收获机器 人具有重要意义。 番茄内含有糖、有机酸、矿物质和多种维生素等营养成分，属于营 养丰富的“水果蔬菜”，是广泛栽培的重要果菜种类。据2 0 世纪9 0 年代 中期统计，世界番茄的总产量为4 9 0 0 万吨年，其中美国7 5 0 万吨年，中 国6 8 0 力吨年 2 1 。随着设施农业的发展和作业机械化的要求，对番茄种 植模式要求也越来越高，尤其是在可控环境的温室中种植面积迅速增长， 番茄采摘机械r 的研究j 设汁 因此种植、管理和收获的劳动量也越大，研究丌发果实收获机器人，实 现机械化、自动化与智能化收获是现代农业工程的重要课题。 据统计，番茄的机械化采收与人工采收相比，具有很强的优越性。 表1 1 列举了机械化采收与人工采收在费用，速度，损失等方面的对比 情况。 表1 1 侨茄机械化采收与人i ：采收对比 t a b1 1t h ec o n t r a s tw i t hm e c h a n i z a t i o n sa n da r t i f i c i a lo fp i c k i n g t o m a t o 注：优异一：莠别很小 表中我们可以明显的看到番茄机械化采收与人工采收在各方面对比 的优势，我们只要设计合理的木端执行器，尽量降低采收损失，番茄采 收机械化必将具有广阔的发展前景。 1 2 相关领域国内外研究现状 农业机器人是在农业生产过程中以农作物、家畜等动植物为对象， 对生物体进行操作的智能机器人。其逐步渗透到农业生产中，特别在设 施农业生产过程，是农业向自动化、智能化发展的重要标志。 1 2 1 国外研究现状 从l9 8 3 年第一台番茄采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研 究和丌发已经历经了近2 0 年pj 。同本和欧美等发达国家相继立项研究用 于采摘苹果、番茄、葡萄等水果的智能机器人。到19 9 7 年，国外开发的 一系列果品蔬菜收摘机器人均研制出了样机。在农业机器人的研究方面， 法国是最早研究水果收获机器人的国家之一。荷兰收获机器人的研究工 作也走在很多国家的自仃面，但研究的果蔬种类并不多。同本于2 0 世纪8 0 年代初期已丌始农业领域的机器入研究，19 8 4 年k y o t o 大学研究番茄收获 机械手以来，同本在农业机器人研究方面一直居各国之首。农业机器人 在同本、美国、荷兰等发达国家己经应用于农业生产过程，其中嫁接机 器人已在同本一些公司商品化，以动物为作业对象的机器人都已分别在 澳大利亚和荷兰一些公司商品化，机械手类型的机器人在同本的几个农 机公司和电气公司进入到商品化生产前的最后研发阶段。 琏月t 凡学专n 学位碗i 学位论女 表1 2 为部分国家果蔬收获机器人的研究进展统计情况。番茄收获机 器人属于机械手系列。番茄收获机器人是多用途机器人，通过改变末端 执行器与控制程序，不仅可以采摘普通大番茄，还可以采摘樱桃番茄 4 1 。 表i2 国内外果蔬收获机器人研展统计【5 】 t a b12s t a t i s t i c st a b l ea b o u tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h er o b o to np i c k i n gf r u i t a n dv e g e t a b l e si nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l 如图1 1 是同本的n k o n d o 等人研制的番茄收获机器人由机械手、 末端执行器、视觉传感器、移动机构和控制部分组成。用彩色摄像机作 为传感器寻找和识别成熟果实。利用7 自由度的工业机器人。为了不损 伤果实，机械手的末端执行器是带有软衬挚的吸引器，中间有压力传感 器，把果实吸住后，利用机械手的腕关节把果实拧下。行走机构有4 个 车轮，能在阿间自动行走，利用机器人的光传感器和设置在地头土埂的 反射扳，可检测是否到达土埂，到达后自动停止，转动后再继续前进。 图1 2 所示为番茄采摘机械手。 麓满 p 哆鐾搏 图ii 番茄采摘机器人 刮1 2 前茄采摘机槭手 p i g iit o m a t oh a r v e s t i n gr o b o t f i g l2t o m a t o p i c k i n gr o b o t sh a n d 图1 3 为r 本的n k o n d o 等人研制的黄瓜收获机器人，采用三菱六自 出度工业机器人，利用c c d 摄像机，根据黄瓜比其叶茎对红外光的反射率 高的原理柬识别黄瓜和叶茎。收获时，先把黄瓜抓住，用接触传感器找 出柄，然后剪断。 备拍采摘# l 槭t 的 “j & h 图1 4 为西瓜采摘机器人，闩本k y o t o 大学研制出一个5 自由度液压驱 动的机器人用于收获西瓜，它包括机器手、术端执行器、视觉传感器和行 走装最。 幽l3 黄瓜采摘机器人 f i g 1 3c u c u m b e rh a r v e s t i n gr o b o t 1 2 2 国内研究现状 幽14 州瓜采摘机械手 f i g 1 4w a t e r m e l o nh a r v e s t i n gr o b o t 在中国，农业机器人研究也逐渐起步。中国农业大学率先在我国研 制出自动嫁接机器人，并先后研制成功了自动嫁接法、自动旋切贴合法 等嫁接技术。并获得发明专利，填补了我四自动化嫁接技术的空白，形 成了我国具有自主知识产权的自动化嫁接技术。嫁接机器人能够完成砧 术、穗木取苗、接合、固定、排苗等嫁接过程的自动化作业，大大提高 了作业效率和质量，减轻了劳动强度，可用于黄瓜、西瓜、甜瓜苗的自 动嫁接1 6 。 吉林工业大学与吉林农业研究所研制的锄草机器人，装有摄像机和 图像处理计算机能快速准确地分辨出蔬菜苗、杂草和土壤之间的差别， 还能在种植行间自动行走。上海交通大学的曹其新等人开发了草莓拣选 机器人样机。该样机具有学习功能，作业时可根据示教拣选对象的标准 样本，改变或调整机器人拣选草位的种类，并可一机多用，即使是没有 专业知识的操作人员，也能很容易地掌握其操作方法门i 。 东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，主要由5 自由度 机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成，如图12 所示。 采摘时，机器人停在距离母树3 5 m 处操纵机械手回转马达对准母树。 然后，单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高序， 采摘爪张开并摆动，对准要采集的树枝大小臂同时运动，使采摘爪沿 着树枝生长方向趋近15 2 m ，然后采摘爪的梳齿央拢果枝，大小臂带动 采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。这种机器人效 太连理工人学专n 学位硬士学位论文 率是5 0 0k g 天，是人工的3 0 5 0 倍。而且，采摘时对母树的破坏较小， 采挣率高i ”。另外，我国一些科研院所也正在对移动机器人定位、导航 等方面进行研究。但均处于研究开发阶段。 淫 一 。 jj 纳? 粪。；，露? ：土 圈l2 林术球果采摘机器人 f i g1 2p i c k i n g - c o n e sr o b o t 分析国内外农业机器人研究进展与应用现状可知，国外已经研制了 各种农业机器人，技术比较成熟，部分农业机器人己有初步应用，但我 国农业机器人技术研究处于起步阶段与口本、美国等发达国家差距较 大。开发各类农业机器人，适应农业生产过程智能化发展的趋势，是当 代农业工程领域的重要研究课题。 1 3 本课慝研究的主要内容 本文的主要研究内容为番茄采摘机器人机械手部分的设计研究，具 体可以分述如下： 1 确定基本设计参数：为了便于设计，应首先研究番茄采摘机器人 的一些初步设计参数，包括：工作机能、额定负载、工作空间、额定速 度、驱动方式等。 2 机器人的机构综合：根据温室番茄的生长环境，设计一个机器人 机械系统的结构形式及其相关尺寸，满足番茄采摘的蔽障、空日j 位置等 要求。 3 手腕、手臂与机座的设计研究：通过机构综台部分得到的基本结 论，为手腕、手臂与机座设计合理的机械传动结构，并进行理论计算。 4 吸盘、末端执行器( 手部) 的设计研究：添加一个吸盘，补偿一 定的位置误差和形状误差：设计个末端执行器，保证央持果实时不损 坏果实。 番茄采摘机械手的研究与设计 基本技术参数的选定 2 1 机器人作业动作要求 本次设计的动作要求如下框图： 图2 1 动作要求框图 f i g u r e2 1a c t i o n sr e q u e s tt h ed i a g r a m ( 1 ) 调整机械手采摘姿态 一 当检测到成熟果实，机械手移近目标，在适当位置通过手腕的俯仰 运动来调整手臂采摘时的姿态。 ( 2 ) 夹持功能 人连理t 人学专业学位硕i j 学位论义 ( 2 ) 夹持功能 由于番茄属于软质果实，央持器要保证能稳定抓取的同时不弄坏果 实，有的番茄成簇生长，央持器抓取目标果实的时候要不损伤其茎、叶， 以免损坏其他果实的成长。 ( 3 ) 折断功能 在夹持稳定后，通过机械手腕的旋转运动，将目标果实从茎节处折 断。 2 2 初估番茄果实夹持力 表2 1 为对不同成熟度番茄果实进行力学性能分析得到的不同成熟 度番茄果实压缩特性指标，表2 2 为对樱桃圣女果进行力学性能分析的 得到番茄最大破裂力的部分实验结果，横轴直径为3 2 3 7 m m ，纵轴直 径为2 5 2 9 m m 。 表2 1 不同成熟度界茄果实压缩特性指标【9 j t a b 2 1d i f f e r e n tp e r i o dt o m a t o s ，c o m p r e s sc h a r a c t e r i s t i c l 9 】 成熟等 级 弹性模量m p a 破坏力n破坏应力m p a 10 6 9 6 36 0 5 5 0 0o 2 2 9 0 1 10 6 0 3 54 1 4 7 0 0 0 2 0 6 2 1 1 10 4 6 5 43 6 0 6 0 00 1 5 4 6 0 3 1 0 94 3 5 2 0 0 0 1 2 0 4 表2 2 界茄的最人破裂鹿力( i o i t a b l e2 2t o m a t o s b i g g e s tb l o w o u t sa r ei nr e 卵o n s et ot h ed i n t ( 1 2 】 试样 。( ) 7 名。( n ) 13 0 5 63 0 5 9 23 0 3 0 。3 0 4 0 横向 33 7 0 93 6 9 8 42 8 6 62 9 2 7 5 3 7 2 2 3 7 4 1 l3 8 4 23 8 7 6 23 8 3 缈3 8 4 5 纵向317 无1 7 6 3 429 ，6 22 9 4 0 52 3 4 42 5 4 0 注：。、一实验值时的最大破裂力：戤一拟合值 确定番茄最大破裂力的平均值： 爵煽采摘机械r 的 井究，敬汁 矿 f：复!：(3095+3040+36,98+2927+3741)：3293 月5 为了保证木端执行器能够有足够的强度，取安全系数：= 1 2 ，于 是初估末端执行器的兴持力为： f = ，x k = 3 2 9 3 x 1 2 = 3 9 5 2 n ，将结果圆整为：f = 4 0 n 2 3 初估额定速度 机械手的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个 动作的时| 白j ，就能进一步确定各动作的运动速度，用m s 表示，各动 作的时问分配要考虑多方面的因素。例如总的循环时刚的长短，各动作 之间顺序是依序进行还足同时进行等。应试作各动作时间的分配方案表， 逍行比较。分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行 程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度要求。 为保证水果的质量必须限制采摘速度及加速度，初步定在小于l 米 秒。此数值由各关节电机保证。确定各参数如下： ( 1 ) 每个采摘周期约耗费15 s ，这个过程包括：成熟番茄的检测，水果的采 摘及放哦、到达下一植株1 。这一数据是基于工程和经济两方面进行权 衡而得到的； ( 2 ) 每个机械手能够达到一天工作l8 小时的能力： ( 3 机械手可以很f = 如地在温室中移动： ( 4 ) f 机械手的移动速度定为约0 8 m s ： ( 5 ) 机械手每行进约o 3 n ? 应停止酶进并进行水果的采摘与收集； ( 6 ) 用于收集番茄的容器成弋机械臂一样也置于移动平台上，以方便水 果的放置； ( 7 ) 机械手应适应温室内恶劣的采摘环境，如较大的相对湿度，变化剧 烈的光照条件，与自然环境不生温度等； ( 8 、为保证水果的质量必须限制渌摘速度及加速度。 2 4 确定位姿准确度和定位料；度 机械手多次执行同一位姿指怠，实到位姿与指令位姿之间不一致程 度称位姿准确度。机械接口中心跟驴指令运动轨迹的不一致程度，称为 轨迹准确度。机械手中准确度、定位械妻要求是根据其使用要求确定的， 而机械手本身所能达到的精度则取决于馨乍机结构的刚度，运动速度控 制和驱动方式、定位和缓冲方法等因素： 此机械手主要用于采摘番茄，因此不需j 特别高的定位精度。一般的 人连理1 _ 人学专业学位颁l j 学位论义 位姿准确度即可满足采摘的要求。因此，在番茄采摘机械手零件的设计 制造时，一般选用6 至7 级制造精度即可。 2 5 选择驱动方式 2 5 1 各种驱动方式比较 农业采摘机器人的驱动装置是带动机器人各运动臂的动力源，目前 在机器人行业所采用的驱动方式中，按动力来源不同可分为：气压、液 压和电动机驱动三种基本类型。这三种基本驱动方式性能特点的比较列 于表2 。3 中。 表2 3 驱动系统的主要特点 t a b 2 3t h ed r i v i n gs y s t e m sm a i nc h a r a c t e r i s t i c s 驱动方式 内奔 液压驱动气压驱动电机驱动 ： 输出很人，压力范嗣为人压力涠耥- - - 6 0n a l l 2 ， 较人 功率5 0 14 0 n c m 2 最人可达l ( ) ( n c i i l 2 利州液体的不叮压气体压缩性人，精度低，控制精度高，功率较 缩性，控制精度较阻尼效果筹，低速不易控犬，能精确定位，反 控制高，输出功率人。制，雉以实现高速、高精应灵敏。可实现高 性能可无级调速，反应度的连续轨迹控制速、高精度的程续轨 灵敏，可实现连续迹控制。伺服特性 轨迹控制好，控制系统复杂 响应速度很高较高很高 结构适当，执行机 结构适当，执行机构可标 伺服电动机易丁标 构可标准化、模拟 准 准化，结构性能好， 结构性能 化，易实现商接驱化、模拟化，易实现直接噪声低，电动机一般 动。功率质鼙比驱动。需配置减速装置，除 及体积 人，体积小，结构功率质量比人，体积小，d d 电动机外，难以 紧凑，密封问题较结直接驱动，结构紧 人构紧凑，密封问题较小凑，无密封问题 防爆性能较好，川防爆性能好，高丁殴备白身无爆炸和 液压油作传动介 10 0 0 k p a ( 1 0 个人气压) 火灾危险，直流有刷i 安全性 质，在一定条什卜_时戍注意没备的抗乐性 电动机换向时有套 有火火危险花，对环境的防爆性 能较差 液乐系统易漏油， 环保 排气时有睬卢 无 有污染 成本液压元什成本较高成本低?成本高 维修及 方便，但油液对环方便 较复杂 使用境温度有一定要求 吾怕采摘机械r 的研究，设计 2 5 2 驱动方式的选用原则 番茄采摘机械手驱动系统的选用，应根据其性能要求、控制功能、 运行韵功耗、应用环境及作业要求、性能价格比以及其他因素综合加以 考虑【眩1 。并在充分考虑各种驱动系统特点的基础上，保证机械手性能规 范、可行性和可靠性的前提下做出决定。 2 5 3 确定驱动方式 决定采用如下驱动方案： ( 1 ) 由于手部结构复杂，体积紧凑，手部开合自由度的运动位置精度 相对各关节束说要求不高。因此，手部采用丌环控制。由于腕部关节需 要输出一定扭矩，驱动俯仰动作的电机还要保证断电时实现自锁，所以 选择步进电机。 ( 2 ) 由于各关节所需要的扭矩从腕部到腰部依次增大，相应的要求驱 动关节的电机有较大的输出功率。因此，选择直流伺服电机。 ( 3 ) 此外，由于机械臂属于丌链式机械结构，在运动中工件及机械臂 的重力始终会作用到关节上，因此关节的电机在断电后需有制动装置。 人连理r 人学专业学位颂l ：学位论文 3 番茄收获机械手机构设计 机械手机构设计也称机构综合，主要包括型综合与尺寸综合。在机 器人研究领域，机械手机构设计是一项很重要的工作，机械手机构型式 和结构尺寸决定了机械手的操作特性和术端执行器的位姿1 。 果实收获机械手设计一方面要考虑机器人本身价格和使用者经验和 教育水平，另一方面要考虑工作对象的生物学特性。对于机械手构形， 几何要求是其重要的设计依据，即必须根据作业要求的末杆位姿图选择 一种合适的机型，并且使其具有适当数量的自由度和结构尺寸。收获机 械手多为空间丌式链机构，设计的关键是根据实际的作业对象特性和工 作方式来选择机械手结构尺寸，使其满足一定的性能要求，如工作空间、 奇异性、逆运动学存在解析解以及作业的负荷要求、精度要求、速度要 求、环境要求，同时要考虑抓取运动流形和末端执行器的形式【1 3 】，以满 足姿态要求，降低机械手作业过程中的掉果率、损伤率、分离率，以提 高品质特性。 本章基于番茄生物学特性与栽培方式，遵循机构设计原则，将番茄 收获机械手分为手臂和手腕两部分分别进行选型，然后以工作空问和结 构尺寸为主要目标，采用优化算法进行结构参数优化设计。 3 1 番茄生物学特性与栽培技术 番茄生物学特性、栽培方式、管理方法、季节和种植位置等因素是 机构选型的依据和前提，决定着机器人机械手的结构形式和工作方式。 生物学指标主要包括株高、茎粗、根长、主根粗等。本章通过番茄的株 高、果实生长位置、果实特点等生物学特性与行距、株距等栽培方式数 据分析果实生长范围与番茄收获作业特点，作为机械手设计的依据。 根据分枝特点，番茄可分为无限生长型和有限生长型两类【l 引。无限 生长型( 非自封顶类型) 番茄上位侧芽能够连续不断地向上生长，茎高 2 - 2 5 m ，长势强，产量高，可以长季节高产栽培。 有限生长型( 自封顶类型) 番茄上位侧芽连续生长3 - 5 次后1 ，其上位侧 芽不再分化茎叶向上生长而直接分化成为花芽，茎高0 5 - 2 m ，主茎一般 生4 6 个花序，具有早熟特性，以早熟栽培为主。有限生长型番茄株高较 小如早魁5 5 “- 6 5 c m 。株高较大的如夏星10 0 - l2 0 c m ，大部分品种番茄的株 高为8 0 1 2 0 c m 之间。 普通大番茄每个花序一般有3 - 5 个果实，每个果实的花梗上有一茎 节，如图3 1 。樱桃番茄每束大约l5 个左右，单个果实的平均直径为 帚埔采摘机槭下的 究，议汁 2 6 9 m m ，大多数品种的果实在花梗上也有一茎节。成熟的番茄果实一般 呈红色，其识别过程主要根据果实颜色特征、波长特性与周围环境的差 异来实现的。由于同一花束上的番茄果实并不同时成熟，因此在人工或 机器人采摘时都不能损伤未成热果实以及茎叶等。 花橱 花萼7 ：趟 美节 l 实 图3 i 僻茄粜买缔杓 f 嘻3lt o m a t oc o m p o s i t i o n 番茄的栽培方式主要有两种：地面栽培和逆向悬挂栽培( s t t p ) 。地 面栽培是目前普遍采用的一种方式。将番茄种植在地面或栽培槽中，采 用棚架等装置作为支撑，植株向上生长。逆向悬挂栽培是美国r u t g e r s 大学研制的高掰度逆向独立支架番茄生产系统，在此系统中，番茄采用 水培方式，水槽息挂在温室内部的上方，栽培在水槽中的番茄植株向下 生长，水槽可以束同移动，当对番茄植株进行采摘或其它作业时，水槽 与番茄一起被移动到f 作地点i 6 1 。这种栽培方式的果实分布位置比较集 中，且收获路径中障碍物较少机器人容易接近和检测到目标，机器人 可以是固定的，且机械产结构要求不高，但这种番茄栽培方式还没有普 及。 番茄根系深广，根深q n 盘2 m 左右，y 日6 0 的根系分布在上层3 0 5 0 c m 的耕层中。移栽后损伤主根，可促进侧根和不定根生长，使3 0 c m 宽和深 耕层中的根系增加到8 0 以上因此番茄的垄高与株距选为3 0 c m 左右较合 适。 为适应机谶化和自动化管理的需要，蔬菜栽培将逐渐趋于规范化和 标准化。根据上述资料中大多数品种的番茄种植密度要求与试验结果分 析可知，温室内邋喧机懈化、自动化作业且满足番茄生长要求的种植方 法，宜采用行距为6 0 一q 。口，株距为3 0 c m ，果实分布的株高范围为05 5 2 m 2 - 间，由此可以确定番茄果实的生长范围，是合理选择番茄收获机械手 型式和机构参数的蕈孙俄掘。 9 人_ i 芏理丁人学专业学位硕l ：学位论文 3 2 番茄收获机械手机构型综合 型综合是在确定机械手机构参数之自i ，根据作业要求确定机械手机 构的自由度、组成型式、关节数目和配置方式l 。型综合有位置和姿态 两方面要求。决定目标物体位置的自由度可以是转动关节，也可以是移 动关节，决定姿态的自由度必须由转动关节。通常实现该位姿的关节有 多种配置形式，但要满足仿生要求并使结构配置简单。 在机构设计中，机械手机构型综合涉及面广，是总体设计的关键， 但目前还不能借助于数学或数值等有效方法柬解决。根据可达工作空间 设计图表进行2 个或3 个杆件机械手型综合，利用可达工作空间内工作点 建立机构综合程序，进而扩展到其它类型机构的设计。将机械手分为位 置结构和姿态结构两部分，分析结构参数和运动参数对位姿的影响，得 到设计机械手的封闭式方程，并提出几种设计优化后的机构，可直接用 于其它机械手漫计与选型f i 引。根掘实际经验，归纳出简明的规范程式， 采用逐级筛选法进行机构设计。同时，机构选型还依赖于设计者的经验、 直觉以及对相仿机构进行类比。 番茄收获机械手型综合，首先结合番茄的生物学特性、工作要求及 其工作特点，分析各种类型机构的特性，寻找满足作业要求的多种机械 手机构，然后对所选机构进行初步性能分析比较。 3 2 1 机构选型原则 机械手通常是由一系列连杆和相应运动副组成的空间开式链，由于 作业环境的复杂性、不确定性和果实分布的随机性，收获机械手的选型 既要遵循工业机械手的基本原则，又要考虑其工作特殊性。归纳番茄收 获机械手的选型原则为： 1 基于植物生物学特性、果实物理特性以及仿生学理论等，选择模 拟人手臂工作特性的机械手，使其满足作业要求并具有良好的仿生性能。 番茄生物学特性是机械手选型的重要依据。机械手设计之前，必须 了解工作环境和工作方式，分析人类工作特点，。尽可能使机械手具有接 近或优越于人类的工作方式。人的手臂具有7 个自由度。肩部和腕部都是 球面副，各具有3 个自由度，肘部是具有舌个自由度的转动副，另外，肩 部躯体运动还能得到几个自由度而增加其灵活性j 整个手臂可以绕连接 两个球面副的直线自转动，而不改变手部的位置和方向。 人的手部比臂部更为复杂，是一个具有2 0 个自由度的精巧机构。作 为机器人的手臂，如果能。设计的像人的上肢那样，：具有27 个自由度，无 疑会具有很高的机能，但是难度也相当大。 2 具有最优的工作空l 日j 。工作空间越大，采摘范围越广，通用性也 就越好。选择关节配置时，当移动关节与转动关节混合存在时，尽量把 转动关节放在离本钵较近的地方，有利于扩大作业区域。 3 具有较好的避障能力。果实采摘过程中，植物茎叶以及植物支撑 装置的位置不固定，为减少对植物的损伤，机械手必须能方便的避开障 碍物。采用冗余自由度机械手是提高避障性能的重要途径之一。 4 机构设计合理。这涉及到运动副形式的合理选择与配置，驱动运 动的最佳传递方式和路线，驱动装置的最佳配比和空间配置等。若机构 设计不合理，可能会出现臂杆运动干涉或驱动装置无法设置，机构不能 运动等问题【19 1 。 5 消除工作空间的奇异位形。在奇异位形处，机械手丧失一个或多 个操作自由度，即工作空i i 且j 内出现非工作区的情况，机器人不能f 常工 作。对于非冗余度机器人，一般通过增加自由度使其具有冗余度，以解 决机械手机构的奇异问题坦冗余度机械手逆运动学解不唯一，因此会增 加机构复杂性和控制难度。农业机器人要求操作简单，成本低廉，因此 尽量采用冗余度少、机构简单的形式。 6 ，采用尽量少的自出度。一般来讲，自由度越多，灵活性越好，避 障和避奇异功能越强，可操作性越好。但随之将出现机器人机械手的复 杂化、刚度削弱、控制困难等问题，因此，在能满足上述选型原则的基 础上，自由度尽量少。j 综上可知，收获机械手的机构设计首先从仿生学角度出发，遵循选 型原则，根掘具体作业要咎，分解动作的实现方法，将机械手分成手臂 和手腕两部分，参照工业机械手设计中一些关节的配置形式，选择具有 最优工作空i 白j 、可操作度和道障空i a j 的关节类型与配置。为使驱动容易 实现，般机械手关节选择单丧；由度的。番茄收获机械手机构选型主要 包括自由度、手腕型式与予臂型式选取等。 3 2 2 自由度选择 机械手的自出爱是指在确定机械手所有构件位置时所必须给定的独 立运动参数的数目。实际应用：一，机械手的自由度取决于机器人使用场 合与作业方式和特点，是机械予运动分析番茄收获机械手机构设计和受 功分析的原始数据。从堪论上讲，64 自由度的机械手可以到达三维空间 中的任意位置，但由于特异忾的存在，一些关节运动到相应位置时，会 使机械手自由度退化，失、x - 个或儿个自由度：此外，工作过程中具有特 殊的姿态要求，如增加灵活性。和躲避障碍物等，则需要多于6 个自由度的 人连理t 人学专业学位硕i j 学位论文 冗余度机械手。冗余度机械手具有能够克服奇异位形、实现连杆避障、 克服关节运动极限和改善动态特性的功能，能充分提高机械手的工作能 力，在运动和动态性能方面具有无可比拟的优越性，更适合复杂农业环 境的作业要求。机械手的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通 用性就越好，但机械手的结构越复杂，对机械手整体要求越高，自由度 的选择需要权衡多方面因素。 通常机械手在空i h j 的位置和运动范围主要取决于臂部的自由度，为 了使机械手能够达到空问任意一个指定位置，空间机械手的手臂至少应 具有3 个自由度。腕部自由度主要是用来调整末端执行器在空间的姿态， 为了使手部在空f b j 能取得任意要求的姿态，在理论上手腕关节应具有三 个自由度，绕三轴转动的球面副最为理想，但球面副无法实现单轴转动 的驱动，因此实际上是采用三个转动副即三个转动关节的运动链来代替， 这三个转动关节可以交于一点，也有不交于一点的型式，因此通常腕部 至少具有3 个自由度。但对于实际不同的工作类型和工作要求，自由度可 以适当降低，一般为o 一3 个。 3 2 3 机械手机构型式 1 手腕机构型式 机械手术端是手腕，其作用是对机械手术端已定位的物体在进行位 置补偿的同时，取得定的姿念。人工采摘番茄时，手抓住番茄果实后， 在番茄花梗茎节处将其扭断或掐下，不需要剪刀剪切。基于这种原理， 番茄收获机械手进行采摘作业时，末端执行器模拟人手动作，首先抓住 果实，然后完成果实与花梗分离，此过程需要手腕绕j 轴和绕i 轴两个回 转动作来实现，实现该动作的手腕有两种，如图2 - 2 所示。 类j 弘1类7 议2 图3 2 手腕结构形式 f i g 3 2m e c h a n i s mt y p e so fw r i s t 2 手臂机构型式 机械手手臂主要用末决定末端执行器的位置，对物体的姿态也有一 定影响。通常由前三个杆件和关节组成手臂。从机构学的观点来看，由 转动副r 和移动副p 构成的手臂有8 种组合情况：3 p ，p p r ，p r p ，r p p ，p r r ， 番茄采摘机械的研哆e j 设计 r p r ，r r p ，3 r 通常采用3 p ，r p p ，r r p ，3 r 等四种型式，这四种型式分别 称为直角坐标型，圆柱坐标型，极坐标型和关节型手臂，是机械手的最 基本型式，按照以上顺序排列，四种基本形式机械手手臂的活动范围和 灵活性由小到大，控制难易程度由易到难，位置精度由高到低，负荷能 l ， 力由大到小。 手臂结构型式不一定只是上述四种基本型式，其选择取决于机器人 的活动范围( 空| 日j 占有性) 、灵活性、位置精度、负荷能力和控制的难易 等因素和要求，可以选择两种基本型式组合而成，或其它能满足要求的 型式。 可作为番茄收获机械手手臂的机构形式有五种，如图2 3 所示： 类型1 类硝2类礅3类型4 类型5 图3 3 机械手手臂形式 l f i g 3 3t y p e so fm a n i p u l a t o r 。sa r m 图3 3 中，手臂对术杆在相应姿态上的干扰均可表示为： 。式，1 ：0 ，分3 l ，a k 2 1 其中，a ，为手臂关节对术杆在相应，轴方向上的干扰，a = l 表示有干 扰，a ，= o 表示没有干扰。、 3 机械手机构型式 手臂和手腕选型后，二音的组合配置必须满足姿态要求，并非简单 安装成一体。手腕的旋转能力满足工作对象的姿态要求，可表示为： w ，b t ，2 5 c 式中，b ，为实现目标物体怪念所需要的旋转：b ，= 1 ，表示需要绕l 轴旋转，b t2 0 ，表示保持对l 抒不发生旋转，b ，= 一l ，允许绕l 轴任意转 动： 根据人工采摘番茄的动作特点 番茄收获机械手采摘作业时，所需 要的旋转为： 人j 芏理t 人学号业学位帧i j 学位论文 b j = l ， b ，= l ，b 足= 一l 手臂关节的运动可能造成对未杆的姿态干扰，这种干扰必须由手腕 的转动补偿，即： w ，a t ，= i , j ，k 因此机械手机构综合时姿态要求必须满足： w ，b + a i ，l = i , j ，k 根据上式可知，手腕类型l 与任何一个手臂类型组合都不符合要求。 手腕类型2 与手臂类型的组合如图2 4 所示。 d2 0l 类型1类型2类型3 类型4类型5类型6 图3 4 界茄收获机械手机构类型 f i g 3 4t y p e so ft o m a t oh a r v e s t i n gm a n i p u l a t o r ss t r u c t u r e 图2 - 4 中，六种类型机械手中，类型l ，2 ，