多臂采摘机器人的初步设计——采摘手的设计【说明书+CAD+SOLIDWORKS+仿真】
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多臂采摘机器人的初步设计——采摘手的设计【说明书+CAD+SOLIDWORKS+仿真】
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多臂采摘机器人采摘手的设计摘 要：近年来，农业生产正朝着规模化、多样化、精确化方向发展，农业劳动力的成本迅速上升，劳动力不足的现象日趋明显，农业机器人技术越来越受到关注。但是，由于采摘对象的复杂性和工作环境的非结构化，目前国内的采摘自动化程度仍然很低，尤其是采摘机器人的关健部位机械手，其结构复杂、控制繁琐等因素，造成工作效率低、生产成本较高，故不能在农业生产中得到普遍的适用。所以对采摘机械手的设计及控制研究对于今后农业生产具有深远意义。关键词:采摘机械手;抓持采摘 0 引言21 世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要时期。随着农业生产的规模化、多样化和精确化，农业生产作业要求逐渐提高，许多作业项目（如蔬菜和水果的挑选与采摘、蔬菜的嫁接等）都是劳动密集型工作，再加上时令的要求，保证作业质量成为关键问题；同时，工业生产发展迅速，农业劳动力将逐渐向社会其他产业转移；随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样大大降低了产品的市场竞争力。果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行， 其费用约占成本的50%70%，并且时间较为集中。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。1 采摘机器人的特点（1）采摘机器人主要工作在非结构化的开放环境下，环境条件受季节和天气的影响较大，因采摘机器人应具有高水平的智能控制系统；（2）采摘机器人的作业对象表皮组织柔软、易损伤，由此决定了采摘机器人的末端执行器应具柔软性，避免碰伤果实；（3）果实生长位置的随机性、个体形状的差异性和成熟期的不一致性等，增加了机器人的视觉定位的难度。（4）采摘机械手的设计应在考虑栽培方式的基础上使果实处于其作业空间内，并且能避免茎秆、叶子等障碍物，准确抓取到果实，这就要求机械手具有一定的避障能力，必要时可考虑采用冗余度机械手，但自由度多难于控制；（5）采摘机器人的操作者是农民，因此要求机器人具有操作简单的特点，另外还应在保证高可靠性的前提下有更低的价位2机械手机械手又称操作机，是指具有和人手臂相似的动作功能，并使工作对象能在空间内移动的机械装置，是机器人赖以完成工作任务的实体。在采摘机器人中，机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置，其工作空间要求机器人能够达到任何一个目标果实。机械手一般可分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标、球坐标和多关节等多种类型。多关节机械手又称为拟人( 类人) 机器人，相比其它结构比较起来，要求更加灵活和方便。机械手的自由度是衡量机器人性能的重要指标之一，它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性。2.1工业机械手工业机械手发展比较迅速，多指手出现在20世纪80年代，其中最具有代表性的是stanford/JPL三指手(如图2-7)和Utah/MIT四指手(图2-8 )。Salisbury于1982年设计的Stanford/JPL手是当时乃至现在都很具有代表性的三指手，它首次引入了模块化设计方法，并模仿人手的结构特点布置手指的相对位置，具有9个自由度。StanfordlJPL手对多指手的贡献不仅仅在于多关节、多自由度的模块化结构设计，更重要的是它首次完整引入了位置、触觉、力等传感器系统，从而开始了多指手对外部环境的感知时代，并开创了多指手实际抓取操作的先河。图2-7 StanfordlJPLS手 图2-8 Utah/MIT手1998年德国研制的DLR- I多指手实现了当自由度的数目超过某个值时，把所有的驱动器和电路完全集成在手指、手掌或手腕里，被公认为是当时世界上最复杂、智能化和集成度最高的灵巧手，如图2-9。1999年由美国宇航中心(NASA)研制的Robonaut手，如图2-10是一种面向国际空间站应用的多指手，其目的是为了在危险的太空环境中代替人进行舱外操作。 图2-9DLR手 图2-10 NASA Robonaut手从20世纪80年代后期开始，我国的很多研究机构相继开展了多指手的研究工作，其中北京航空航天大学和哈尔滨工业大学在这方面的研究很具代表性。北航对多指手的研究开展较早，并于1993年首先研制了我国第一只三指手，然后在此基础上不断改进，先后研制了BUAA- II , BUAA-III三指手和BUAA四指手。哈工大在HIT I多指手的研究基础上进行了大量的改进，研制了HIT/DLR多指手。如图2-11和图2-12图2一11 HIT I手 图2一12HIT/DLR多指手 2.2农业机械手农业上最早研制的机械手为SDOF番茄收获机械手(Noboru Kawamura eta1,1984) 机械手与传统的农业机械完全不同，它是由许多杆件组成的空间开式链机构，具有较采摘机械手的设计及其控制研究大的灵活性，但是不适合处理重量大的物体，否则会出现负载过重的问题。杆件越多，机械手身的重量越大，尤其用于像西瓜、甜瓜等较人果实收获与运输时，机械手设计必须从组成结构和内部结构方面使其承受较大的负载重量。 机械手的控制有点位控制(PTP)和连续轨迹(CP)控制两种类型。PTP控制主要用于在机械手初始位置和目标点之间不存在障碍物的情况，此时不必考虑运动路径，其路径也是不可预测的。有时由于茎叶等障碍物的存在，必须通过控制其电机速度和预定运动轨迹到达目标位置，进行CP控制。 末端执行器安装在机械手的末端，其功能类似于人手，是直接与目标物体接触的部件。在末端执行器设计之前，不仅需要研究工作对象的物理特性(物体大小、体积、形状、重量)和机械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等)，还包括电特性和光学特性以及生物学特性和化学特性等。 末端执行器的形式主要有吸盘式(真空式吸盘、喷射式负压吸盘、扩散式负压吸盘、挤压排气式吸盘、电磁式吸盘等)、针式、喷嘴式、杯状、多关节手爪式、顺应型指结构等，通常是末端执行器都是专用的(N. Kondo, 1998) 末端执行器所需的重要传感器主要有触觉传感器和接近传感器。触觉传感器包括接触传感器、压力传感器和滑觉传感器.接近传感器通常用来获得位置信息，识别物体的存在，避障，测量物体的形状，补偿位置传感器的误差等。 在完成抓取动作后，末端执行器还需要将果实与果柄分离。分离方式为切断或拧断。在条件允许的情况下，应尽量采用剪断果柄而不是拧断果柄的方式，避免拧断时给果蔬表面造成伤口，导致病菌侵入使果实腐烂，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但对于某些束状生长、果柄较短的果实，采用剪断的方式比较困难。 末端执行器中手指和关节的数量与抓取效果密切相关，数量越多，末端执行器的自由度就越多，抓取动作更为灵活，抓取效果更好。但大多数的灵巧手系统复杂，成本高，通用性差，仍停留在实验室阶段，更难以运用到农业工程实践之中。如何协调末端执行器的通用性、灵活性和成本之间的矛盾，是果蔬采摘机器人末端执行器研究发展的方向。3机械手的设计3.1设计方案果蔬采摘机器人的机械手直接接触工作对象。为了避免碰伤果实，多数收获机器人的手指内侧接触果实的部位采用橡胶和尼龙材料。由于果实的外形有圆形、近似方形、近似长方形等，所以末端执行器的设计应着重考虑手指数量、手指关节数量、尺寸方式等问题。3.2手指数量 果实的外形有规则的和不规则的。对于规则的小型果实，多数收获机器人采用带有吸盘的2个直手指的末端执行器直接抓取果实。相对2个手指，3个手指的收获机器人也有一些研究，抓取果实的稳固更好。而采用具有4个手指和一个吸盘的西红柿收获机器人，效果更好，但难于控制。对于大型的果实，虽然外形规则，但用2个手指显然不行。西瓜收获机器人中采用4个带有橡胶的手指，指尖的滑轮沿西瓜表面向下滑动，利用橡胶与西瓜的摩擦力抓住果实。此外，还有一些特殊的手指，梳子式龙套手指可以将果实与相临的果实分开。 手指的数量和形状与果实的外形密切相关，一般数量越多，抓取效果越好，但控制也越难，应在手指数量、控制难度和抓取成功率之间找到平衡点。根据设计任务要求选取3个手指最为合适。3.3手指关节数量对于多数形状规则的果实，多数收获机器人采用1个关节的手指。对于类人的柔性手指，由于材料和控制比较困难，研究成果不多。夏柑收获机器人的柔性手指，手指的指尖通过细软钢丝与人工肌肉相连，当人工肌肉产生收缩力时，钢丝产生拉力使指尖能够柔和地弯曲。西红柿收获机器人有4个具有4个关节的手指，通过控制缆采摘机械手的设计及其控制研究绳的伸缩，使手指弯曲成不同的形状。对于不同的果实，控制钢丝绳的拉力、拉动的距离、人工肌肉的收缩力等的控制都比较难。鉴于关节的控制比较难，和设计要求考虑采用两个关节的手指。3.4尺寸的设定机械手的结构尺寸可以参考人类手指的长度比例，并加以适当放大或缩小，或根据所设计的多指灵巧手的使用场合作适当的尺寸调整。通过对某学校的青年学生的手指长度的测量，得到了如表1所示的结果。表1-1和表1-2中所列出的人手的各关节（如图3-1）长度尺寸值可以作为设计多指灵巧手的手指长度的参考。图3-1拟人手指简图4其他零件的设计 4.1手掌的设计为了使手指能在手掌上旋转运动形成不同的角度，将手掌底座设计成圆盘型如图4-1所示。掌心则是长方形。两边形成圆角便于手指的旋转如图4-2图 4-1手掌底座 图 4-2掌心4.2手指底座采摘手就两个指节，要完成在手掌上的旋转需要有个连接底座。一是支撑手指，二是完成旋转运动其结构如图4-3所示 图 4-3手指底座在手指底座的左端连接在手掌上，并由异步电机驱动旋转。在右边的结构中来连接第一个关节，并安装微型电机通过齿轮传动使手指完成抓取运动。内部结构如图4-4图4-4内部结构4.3第一个指节第一个指节长55mm，宽22mm。通过一个连接件与手指底座的传动轴过度连接，从而带动手指的转动。同时在一手指内也装有一个异步电机，来传动第二个手指转动。连接件如图5-5，手指零件如图4-6，内部结构如图4-7图4-5连接件图4-6手指一零件图 4-7内部结构4.4第二个指节第二个指节长40mm，它的动力来源是第一个指节上的电机。根据人机工程学理论，人手在自然状态下手指成弯曲状态，当手掌绷紧时指尖也与手掌自然形成一定角度。通过测量这个角度平均在之间。所以在设计中第二个指节与第一个指节通过连接件连接时的起始位置就形成一个角。连接件和指节二如图5-8和5-9所示，手指总装配如图4-10所示。图 4-8连接件图 4-9指节二图 4-10手指总装配图5工作形态因为果蔬的形态各有不同，采摘机械手可以变换手指位置对不同形状的果蔬进行抓去任务。通过Solidworks建模进行间隙验证推算抓取范围。下面对主要的三种形态进行分析。5.1形态一三指并拢状态如图7-2所示，最小抓取直径为16.5mm，最大抓取直径为60mm，长度大于80mm的棒状物体，如黄瓜之类的果蔬最佳，抓取状态如图5-3和5-4所示。 图5-2形态一图5-3最小抓取形态 图5-4最大抓取形态5.2形态二形态二如图5-5所示三指互成120，在这种状态抓取球状物体最为稳定。抓取范围为直径在70100mm之间球体。抓取形态如图5-6和5-7所示。图5-5形态二图5-6最小抓取 图5-7最大抓取5.3形态三形态三如图5-8所示，两个活动手指平行达与固定手指对立相比形态一抓取做大直径为95mm。如图5-9所示 图5-8形态三 图5-9最大抓取6结束语目前，大部分果蔬采摘机器人还处于研究阶段，离实用化和商品化还有一定的距离。在采摘机器人的智能化果实识别和定位、机械本体的优化设计、路径规划和运动控制技术、开放式的控制系统体系结构等方面有待进一步的研究。随着农业工厂化经营模式的推广和采摘机器人成本的降低，相信采摘机器人最终会走出实验室，实现商业化应用，推动现代农业向着装备技术精细化、自动化、智能化方向的发展。参考文献1 吴宗泽,罗盛国.机械设计课程设计手册.3版.北京:高等教育出版社2006.5.2 濮良贵,纪名刚.机械设计.8版.北京:高等教育出版社,2006.5.3 毛谦德,李振清.袖珍机械设计手册.2版.北京:机械工业出版社,2002.4 孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理.7版.北京:高等教育出版社,2006.5. 5 梁喜凤.番茄收获机械手机构分析与优化设计研究D.杭州:浙江大学,2004.6 陈利兵.草苟收获机器人采摘系统研究D.北京:中国农业大学,2005.7 方建军.移动式采摘机器人的研究现状与进展J.农业工程学报,2004(2):273-278.8 陆怀民,林木球果采摘机器人设计与试验J.农业机械学报,2001,32(6):52-58.9 梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，等.果实采摘机械手机构设计与工作性能分析J.农机研究所，2004（2）：133-13610 殷际平,何广平.关节型机器人M.北京:化学工业出版社,2003RESEARCH ON DESIGN AND CONTROL OF HARVESTING MANIPULATORAbstract:Recently, the development of agriculture is heading to mass production,diversification and precision. The cost of labor force is getting higher, and the phenomenon of lack of labor force is getting obvious. Therefore, more and more people pay attention to the resear
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