采摘機械手結構設計及三維建模研究

采摘機械手結構設計及三維建模研究摘要：采摘機器人是農業機器人的一種類型，是自動化技術、計算機技術等在農業生產應用中的集中表達，是農業生產過程智能化、自動化的重要標志。而為了提高果實采摘效率，采摘機器人的研究進展也是越來越迅猛。本文根據前人的研究報告以及收集到的其他資料，以工作空間和桿件尺寸建立了目標函數，以實際情況為約束條件，可以求得最優解。再結合三維建模軟件對設計出來的采摘機械手進行了仿真分析，對整個結構的實際應用能力有了深刻認識。關鍵詞：采摘機械手；結構優化；仿真分析目錄引言.............................................................-4-1.1采摘機器人的研究現狀..........................................-4-1.1.1國外采摘機器人的研究現狀................................-4-1.1.2國內采摘機器人的研究現狀................................-6-1.2采摘機械手的研究意義..........................................-8-1.3本課題研究的主要內容..........................................-9-采摘機械手結構設計...............................................-9-2.1采摘機械手結構形式...........................................-10-2.1.1直角坐標結構...........................................-10-2.1.2極坐標結構.............................................-11-2.1.3關節型機械手...........................................-11-2.2采摘機械手結構優化...........................................-12-2.2.1優化方法...............................................-12-2.2.2目標函數...............................................-13-2.2.3約束條件...............................................-15-2.3優化結果.....................................................-16-2.4結構設計小結.................................................-16-采摘機械手三維模型研究...........................................-16-3.1應力分析.....................................................-16-3.2模型建立.....................................................-17-3.3仿真分析.....................................................-17-結語.............................................................-17-致謝................................................................-19-參考文獻............................................................-20-1引言自動化技術是一門綜合性技術，是控制論、信息論、系統工程、計算機技術、電子學、液壓氣壓技術、自動控制等多個學科知識的綜合與交叉，而其中又以控制理論和計算機技術對自動化技術的影響最大。自從1785年瓦特改進蒸汽機以來，人類開始進入了使用機器的時代。其借助于離心調速裝置而使其本身的轉速保持穩定。這種離心調速裝置就是世界上最早的自動化機器。20世紀40年代，通過美國數學家維納等人的努力，在自動調節、計算機、通信技術、仿生學以及其他科學互相滲透的根底上，產生了控制論。自動化技術已經廣泛應用于農業、工業、國防、科技、建筑以及生活等各個領域，具有廣闊的研究開發和應用前景。隨著走入21世紀，人類的制造業也開展迅猛，這使得自動化技術與許多其他技術的結合成為可能，其中佼佼者便有智能機器人。采摘機器人作為智能機器人的一種類別，是精準農業，微電子，計算機和自動控制等技術在農業生產領域中應用的集中表達，是農業生產過程自動化、智能化的重要標志。而由于自動化技術的開展和機械裝備本錢的降低，采用自動化采摘機械實施采摘作業比采用人工采摘的本錢更低，這也使得采摘機器人一直以來都是農業工程領域的研究熱點[1]。如今，世界各國都有在進行采摘機器人的相關研究與開發，且已有成品投入實際生產之中。采摘機器人的研究現狀國外采摘機器人的研究現狀從1983年第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來,采摘機器人的研究和開發已經經歷了30多年。日本和歐美等興旺國家相繼立項研究用于采摘蘋果、柑桔、西紅柿、葡萄等水果的智能機器人[2]。到1997年底，國外開發的一系列采摘機器人均研制出了樣機。進入21世紀以后，全球各地均出現不同程度的人口老齡化問題，農業勞動力嚴重短缺，因而采摘機器人的研發熱度又上了新的一個臺階。如圖1.1是日本正在研制的番茄采摘機器人，該番茄采摘機器人使用的小型鏡頭能夠拍攝7萬像素以上的彩色圖像。首先，它通過圖像傳感器檢測出紅色的成熟番茄，之后對形狀和位置進行精準定位。機器人只會拉拽菜蒂局部，而不會損傷果實，平均摘一個西紅柿耗時約6秒鐘。在夜間等無人時間帶也可進行作業。松下透露，該番茄采摘機器人方案在2019年左右將會開始試銷，再根據實際使用的反應來進行改進。圖1.1番茄采摘機器人圖1.2柑橘采摘機器人圖1.2為西班牙科技人員創造的柑橘采摘機器人，它由一臺裝有計算機的拖拉機、一套光學視覺系統和一個機械手組成，其能夠從柑橘的大小、形狀和顏色判斷出是否成熟，決定可不可以采摘。它工作的速度極快，每分鐘摘柑橘60個，而靠手工只能摘8個左右。另外，柑橘采摘機器人通過裝有視頻器的機械手，能對摘下來的柑橘按大小即時進行分類。圖1.3為美國佛羅里達大學研究出來的甜橙采摘機器人。甜橙采摘機器人最新的設計提議是采用兩個相對獨立，有不同功能特點同時又能相互配合無間的機器人，第一個機器人負責尋找和發現各個甜橙的位置，并計算最有效率的采摘路徑，將信息和數據傳至第二個機器人，第二個機器人負責在不損壞甜橙樹的情況下得到果實。這個機器人也是學科結合的產物，相較于其他機器人要更為智能化。圖1.3甜橙采摘機器人圖1.4柔軟手臂機器人圖1.4為目前世界上最大的在線連鎖超市英國奧克杜〔Ocado〕公司正在進行測試的新型柔軟手臂機器人。該款機器人手臂可以巧妙地對水果和蔬菜進行采摘，并且可以將那些放在倉庫中的水果和蔬菜進行打包。它是由一種可彎曲、折疊的新型材料構成的，其工作原理主要是通過調節這種材料內部的空氣壓力來抓取東西，該工具可以有效的替代大量的人工勞動力，節約資源和本錢。該“柔軟”機器人手臂的唯一的控制組件就是空氣的壓力，當空氣流入機器人手臂時，機器人的手指、手掌以及拇指不斷調節自身的形狀來適應物體的形狀，從而能夠實現在不損壞物體的前提下抓取物體。機器人手臂的致動器被安裝在印刷支架上，通過空氣在機器人手臂的特定區域的流動來推動其做出相應的運動。這一舉措簡化了控制步驟，使得環境以及資源得到更加有效的利用。這個機器人那么是結合了新興材料學的產物，再創造性地使用了空氣動力，功能性相較傳統的采摘機器人也因為其更擬人的形態要更為強大。圖1.5是英國一家農機研究機構為了提升蘑菇的采摘量，減少人工本錢投入，進而研發出了一種可以自動采摘蘑菇的機器人。這種機器人通過攝像機與視覺圖像分析系統，可以統計蘑菇采摘量并對蘑菇的質量進行鑒定。由機器人的紅外線測距儀測算出蘑菇的高度及距離后，采摘裝置就會自動調整機械臂的彎度及長度，采摘后能自動將蘑菇放至運輸機中。圖1.5測試階段的蘑菇采摘機器人國內采摘機器人的研究現狀在21世紀以前，我國都沒有在農業機器人方面有任何研究。而在往后的一段時間，才慢慢進入起步階段。最初研究和應用的農業機器人主要有中國農業大學的自動嫁接機器人，填補了我國自動嫁接技術的空白，除此之外還有吉林工業大學與吉林農業研究所研制的除草機器人和上海交通大學開發的草莓揀選機器人。而我國的采摘機器人技術的研究起步那么更晚一些，早期主要有浙江大學對番茄采摘機器人有所研究，還有中國農業大學對草莓采摘機器人在圖像識別上的研究。但在2010年以后，我國對采摘機器人的研究開展十分迅猛。圖1.6是我國現已自行研制的蘋果采摘機器人，該機器人主要由兩局部組成：兩自由度的移動載體和五自由度的機械手。其中，移動載體為履帶式平臺，加裝了主控PC機、電源箱、采摘輔助裝置、多種傳感器；五自由度機械手由各自的關節驅動裝置進行驅動。此開鏈連桿式關節型機器人，機械手固定在履帶式行走機構上，采摘機器人機械臂為PRRRP結構，作業時直接與果實相接觸的末端操作器固定于機械臂上。機械臂第一個自由度為升降自由度，中間三個自由度為旋轉自由度，第五個自由度為棱柱關節。由于蘋果采摘機器人工作于非結構性、未知和不確定的環境中，其作業對象也是隨機分布的，所以加裝了不同種類的傳感器以適應復雜的環境。其采用的傳感器分為視覺傳感器、位置傳感器和避障傳感器三類。其中，視覺傳感器采用Eye—in—hand安裝方式，完成機器人或末端操作器與作業對象之間相對距離，工作對象的品質、形狀及尺寸等任務；位置傳感器包括安裝在腰部、大臂、小臂旋轉關節處和直動關節首尾兩端的8個霍爾傳感器，以用來控制旋轉關節的旋轉角度和直動關節的直行進程，另外還包括末端執行器上的2個切刀限位開關和用于提供所采摘蘋果相對于末端夾持機構位置信息的兩組紅外光電對管；避障傳感器包括安裝在小臂上、左、右三個方向上的五組微動開關和末端執行器前端的力敏電阻，以求采摘機器人在工作過程中能夠有效躲避障礙物。圖1.6我國自研的蘋果采摘機器人圖1.7是我國自主研發的黃瓜采摘機器人，它是利用機器人的多傳感器融合功能，對采摘對象進行信息獲取、成熟度判別，并確定采摘對象的空間位置，實現機器人末端執行器的控制與操作的智能化系統，能夠實現在非結構環境下的自主導航運動、區域視野快速搜索、局部視野內果實成熟度特征識別、及果實空間定位、末端執行器控制與操作，最終實現黃瓜果實的采摘收獲。該項成果打破了傳統機器人工作在結構化環境的技術屏障，是對傳統機器人工作模式的挑戰，為農業機器人走出實驗室、進入自然環境的農田作業提供了重要的理論與技術支撐。圖1.7我國自主研發的黃瓜采摘機器人采摘機械手的研究意義在農業生產中，采摘作業是整個生產鏈中最耗時、最費力的一個環節。與此同時，采摘作業質量的好壞還直接影響到產品的后續加工和儲存。如何以低本錢獲得高品質的產品是農業生產環節中必須重視和考慮的問題。然而由于采摘作業無法防止的復雜性，目前我國的采摘自動化程度仍然很低，根本上都是人工進行的。但是隨著人口的老齡化和農業勞動力的逐漸減少，農業生產本錢也相應提高,這樣會大大降低產品的市場競爭力。更重要的是溫室內環境舒適度較差，收獲作業勞動強度大，研究農業機器人，特別是果實采摘機器人具有重要意義。從經濟方面分析，手工采收3～5人每小時只能收獲1噸果實，機械采收6～15人在收割機上工作，每小時可采收20～30噸。手工分級每組要10～20人，如果用電子顏色分級機，每組只需7個人。早在1976年國外便有人把番茄能夠采收的時期分為8種顏色期，果實收獲機器人可以按照預定收獲標準。根據果實的顏色進行屢次采收。保證了同期采摘果實成熟的均勻度，同時提高了采收效率與產品產量和質量，節省勞力，提高工作速度，具有良好的經濟效益[3]。機械手是番茄收獲機器人的關鍵執行部件[4]，其工作性能對機器人的收獲率和收獲速度具有重要的影響，同時為了減少工作過程中機械手對植株和其他未采摘或未成熟果實的損傷，避障問題需要多多關注。因此采摘機械手的結構設計與性能優化研究對實現果實智能化收獲具有重要意義。本課題研究的主要內容本研究根據收集整理的許多資料，對采摘機械手進行研究，其研究的主要內容包括以下幾個方面：〔1〕弄清楚采摘機械手的的根本結構形式，再結合自身體會對采摘機械手的手臂、手腕等細部結構提出設想。〔2〕計算驗證設想的可行性，并根據具體農作物的生物學特性和栽培方式，來進行相應的改進。〔3〕對設想進行三維模型研究，利用數據處理來模仿實際情況，分析其中可能存在的問題，來對結構進行更進一步的完善與改進。采摘機械手結構設計結構設計通常是在確定機構的選型之后進行的，要使其滿足構件的運動特征要求，并考慮構件的經濟性和可行性，所以應優選那些合理的、實用的、簡單的結構型式。盡可能的采用標準件、采用模塊式結構、提高工藝性、外觀造型美觀大方，要便于裝配、調整和維修，降低本錢，保證工作的平安可靠性[5]。而采摘機械手設計一方面要考慮機器人本身價格和使用者經驗和教育水平，另一方面還需要考慮工作對象的生物學特性。對于機械手構型，幾何要求是其最重要的設計依據，也就是必須根據作業要求的末桿位姿圖選擇一種適宜的機型，并且使其具有適當數量的自由度和結構尺寸。采摘機械手多為空間開式鏈機構，設計的關鍵是根據實際的作業對象特性和工作方式來選擇機械手結構尺寸，使其滿足一定的性能要求，如工作空間、奇異性、逆運動學存在解析解以及作業的負荷要求，精度要求、速度要求、環境要求，同時要考慮抓取運動流形和末端執行器的形式[6]，以滿足姿態要求，降低機械手作業過程中的掉果率、損傷率、別離率，以提高品質特性。本章基于收集到的資料以及對機械手的認識，遵循結構設計原那么，來對采摘機械手進行選型，然后采用優化算法對結構進行優化設計。采摘機械手結構形式采摘機械手的自由度和結構形式均會直接影響末端執行器的作業空間、運動精度以及靈活性,也就影響到了控制系統的復雜程度。國外研究文獻說明,采摘機器人的本體結構研究仍未沒有得到應有的重視,大局部情況下都是直接購置工業機器人的機械手來作為采摘機器人的機械本體。從已經發表過的采摘機器人樣機來看,機械手的結構形式大致有直角坐標結構、極坐標結構和關節型結構這3種。直角坐標結構應用于早期研究的采摘機器人大多數就采用的是直角坐標結構的機械手，它具有運動精度高、結構簡單、控制和坐標計算容易等優點。但是，由于這種機器人的工作空間較小，末端執行器的活動范圍內是存在盲區的。對于采摘機器人而言，其應用必然會受到限制。圖2.1表示了西紅柿采摘機器人的原理圖[7]。該機器人具有上下移動、左右旋轉、水平伸縮和上下俯仰4個自由度。采用的是100W，3000r/min的交流伺服電機和1：125的減速機構驅動4個關節軸。左右旋轉、上下移動、上下俯仰和水平伸縮4個自由度的關節速度分別為2.51rad/s、0.3m/s、3.14rad/s和1.8m/s。由于其關節速度高，影響了末端執行器的定位精度，但這卻能夠提高采摘的效率。該采摘機器人使用的是交流伺服電機，因此在野外作業時，電源的提供并不方便。但對于需要移動的采摘機器人而言，最好使用蓄電池能提供的直流電源。圖2.1西紅柿采摘機器人原理圖極坐標結構極坐標結構的機械手的結構剛度高，其末端執行器的抓持重量大。國外在黃瓜采摘機器人中已嘗試過5個自由度的機械手[8]。圖2.2表示黃瓜采摘機器人中極坐標結構機械手的原理。機械手共有5個自由度，其中2個旋轉自由度、2個回轉自由度和1個伸縮自由度。伸縮自由度可以使機械手在極坐標方向上的活動空間增大。在機械手的下部還有旋轉和回轉2個自由度。其作用在于采摘前使機械手的傾斜角度和培育架的傾斜角度相同。黃瓜采摘機器人的7個自由度中，有兩個伸縮自由度，這使得機器人的末端執行器靈活性增強，活動范圍變得更大。極坐標結構的缺點在于盡管它的運動控制比擬復雜，但是運動精度仍然很低。圖2.2極坐標結構機械手示意圖關節型機械手關節型機械手具有仿人臂結構，主要由回轉和旋轉兩種自由度組成。它同上文中的兩種結構形式相比，對于確定三維空間中的某個任意位置和機械手的姿態是最有效的。結合實際情況，采摘機器人的作業對象分布在空間的任意位置，并且大局部情況下，其周圍存在很多的障礙物。而多自由度的關節型機械手具有擬合空間任意曲線的功能。機器人控制系統通過軌跡規劃和關節的運動控制，可以使固定在機械手上的末端執行器在接近采摘目標的路徑中，有效躲避障礙物。因此，用多自由度關節型機械手作為采摘機器人的本體結構是最適宜的。圖2.3是關節型機械手的結構示意圖[9]。關節用直流伺服電機控制，每個關節的實際位置由增量式光電編碼器返回，構成閉環控制。機器人控制系統通過機器視覺子系統獲取目標的空間坐標，然后進行運動規劃和運動學反解，求出關節空間的運動解，進而控制關節電機的運動。關節型機械手的運動規劃和軌跡控制需要進行大量的數學運算，因此對機器人控制系統的實時性要求高。與此同時，關節型機械手是開鏈結構，這導致其機械剛度小，運動精度較低、抓持重量小。盡管如此，對于高性能的采摘機器人而言，采用具有冗余自由度的關節型機械手是必要的。圖2.3關節型機械手示意圖采摘機械手結構優化優化方法機械手結構優化的數學模型表示為[10,11]MinFx∈R約束條件為fxq式中，FXX——機械手結構參數向量，X={xm——桿件參數的數目；n——關節的數目。為了使機械手在到達作業要求的同時能夠具有合理的結構，采摘機械手的優化主要有兩個目標：工作空間主截面包絡面最正確和結構輕量化，而約束條件那么來源于實際生產中對桿件位置和形態的要求。目標函數采摘機械手的工作空間的主截面，就是機械手的工作空間在其主要工作區域方向上的投影。因此，機械手結構優化的目標可以總結為使其工作空間主截面的包絡面積最正確，從而滿足收獲作業要求。采摘機械手的工作空間主截面如圖2.4所示[4]。(1)作物位置(2)主截面邊界(3)采摘機械手的位置圖2.4采摘機械手的工作空間主截面為使采摘機械手工作空間的主截面的包絡面積最正確，也就是機械手手臂的工作空間主截面面積S與作物采摘空間S0之差應為最小，可以得到目標函數F1M由于機械手手臂的工作空間主截面圖不是規那么圖形，將其劃分為多個局部，分別求取面積值，再取各局部之和作為總面積，可得計算公式：S各局部求解如下：SSSSSSS而S8和S9均為不規那么多邊形，可以根據不規S=±來進行計算。又由于采摘機械手移動關節的行程過長或者桿件過長，可能導致平衡問題，為了使整個結構更為輕便，在可以完成作業要求的前提下，采摘機械手的手臂長度之和應為最小，這樣就得到了目標函數F2M式中，d1d2l3l4l5通過上述分析可以知道，將上述兩個優化目標函數在優化過程中把它們合并為同一個目標函數：M式中，k1和k2為加權系數，且有k1由最終的目標函數可知，本次優化設計的變量確定為：X式中，θ1為關節4的值，θ約束條件而在實際采摘過程中，采摘機械手的工作空間面積是需要覆蓋整個采摘所要求的工作空間的，即采摘機械手的工作空間面積需要大于或者等于采摘要求的工作空間。約束條件主要有桿件長度約束、軌跡區域約束和關節變量約束等。桿件長度約束點2：b?d點4：b?點5：a?d點8：l4點6’：?l軌跡區域約束對各圓弧的曲線方程：bbd?c+2關節變量約束??π≤農作物栽培一般存在固定行距[12]，因而在實際生產過程中，為了防止因機械手過長而導致的性能降低或是靈活性影響，桿件長度之和不宜超過行距m，即l優化結果根據實際不同農作物的生長范圍，帶入不同數值。利用Matlab或是其他編程計算軟件編寫優化程序，對7個設計變量進行賦值，然后運行優化程序便可以得到優化結果。再根據實際情況，對優化結果中一些不方便實際操作的數值在允許范圍內進行調整，這樣既有利于節省本錢，又有利于實際生產。結構設計小結〔1〕通過收集資料，加深對機械手結構選型、結構設計的理解，分析出最適合如今采摘機器人的機械手的結構形式。〔2〕根據采摘機械手構型的根本要求，分析了三種機械手構型的優劣，從而選定了多自由度的關節型機械手來作為采摘機械手的結構形式。〔3〕基于實際生產情況和一些數學模型對采摘機械手的結構進行設計，用工作空間和桿件長度建立了目標函數，來進行結構設計中的參數優化，再用實際中可能遇見的問題來加以約束，得到更優化的結果。采摘機械手三維模型研究隨著計算機技術的飛速開展，這也使得計算機應用深入到了各個技術領域，尤其是在建模設計中。歷來習慣于用手工人腦進行的一些建模設計，由于引入了計算機的CAD、3D-MAX等先進技術而發生了根本性的改變[13]。三維建模對于模型的實際應用性的探究有著巨大的作用，因而計算機CAD技術開展的重點始終是在三維模型設計之上。而對于采摘機械手是否具有實際應用價值，事先進行三維模型的研究，是不可缺少的環節。進行采摘機械手的三維模型研究時，需要對仿真試驗進行預先設定[14]:一定的作物采摘環境;農作物采摘對象;確定一定的采摘機械手工作空間;試驗約束條件設置。應力分析在采摘機械手三維模型建立的過程中，機械手設計優化應最大程度減少自重，同時進行模擬受力分析，與此同時，對于機械手的材質也要進行考慮，這是因為不同材料的疲勞強度、彎曲極限強度等都有著不同，針對這些參數再進行不同程度的荷載施加試驗，然后有側重地進行應力分析[14]。利用專業有限元軟件ANSYS對模型整體進行有限元分析，并對整個仿真試驗過程中的各參數進行優化調整，承受最大應力的部位便可看作關鍵構件。關鍵構件的材料和形狀的選擇便顯得尤為重要。與此同時，在整個模擬過程中，機械手出現的運動軌跡和擬態狀況都可以為實際操作中的最正確狀態提供參考。模型建立利用三維建模軟件建立采摘機械手的三維模型，模擬采摘機械手的整個工作過程，分別分析各個部位的應力變化情況，檢驗結構的各部件強度能否滿足農業機械國家標準。具體裝配如圖3.1所示[15]。圖3.1采摘機械手裝配圖仿真分析對采摘機械手賦予仿真條件。剛性材料屬性有：密度ρ=1.3×10?6kg/m3，楊氏模量E=3.2×10結語〔1〕深入研究了國內外采摘機械手的開展狀況，充分收集了采摘機械手的各種結構型式以及其優缺點，結合實際生產中的各種狀況以及條件限制，選出了最適合的采摘機械手模型。〔2〕設計并優化了多自由度的關節型采摘機械手。該機械手具有結構簡單，重量輕本錢低，可以靈活作業且具有足夠的強度和承載能力的優點。〔3〕結合三維建模軟件對設計出來的設想進行了建模研究，并考慮了一些實際生產中會遇見的約束條件，對設想加以改進并提出了模型檢驗的根本操作步驟。〔4〕對采摘機械手的整個工作過程進行了仿真分析，根本能夠滿足采摘作業的要求。參考