絲瓜采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1、絲瓜采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)摘要：為了降低絲瓜采摘的人力本錢(qián)，本文設(shè)計(jì)一種大棚絲瓜采摘機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)大棚絲瓜采摘自動(dòng)化，根據(jù)采摘環(huán)境特點(diǎn)和工作方式要求，給出絲瓜采摘機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且對(duì)關(guān)鍵的機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。關(guān)鍵詞：絲瓜采摘機(jī)器人;機(jī)械臂結(jié)構(gòu)0引言由于中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和人口結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從事農(nóng)業(yè)活動(dòng)的人越來(lái)越少，從當(dāng)前來(lái)看，果蔬采摘作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)，【1】屬于勞動(dòng)密集型的工作，急需實(shí)現(xiàn)果蔬自動(dòng)化采摘以提高勞動(dòng)效率?，F(xiàn)設(shè)計(jì)一種大棚絲瓜采摘機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)大棚絲瓜的自動(dòng)化采摘。本論文所研制的絲瓜采摘機(jī)器人采取圓柱形坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)便，坐標(biāo)計(jì)算容易，定位精度高

2、?！?】同時(shí)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可控速度范圍大，能源易得，精度高。采用兩根THK公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件引動(dòng)器作為機(jī)械臂，增加傳動(dòng)精度，減小機(jī)器人質(zhì)量，同時(shí)方便后續(xù)的機(jī)器人維修和零部件更換，提高采摘效率?！?】1采摘機(jī)器人工作方式與目標(biāo)要求分析機(jī)器人工作時(shí)移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到絲瓜種植區(qū)前方，水平引動(dòng)器向后移動(dòng)到最大位置，兩臺(tái)工業(yè)攝像機(jī)拍照并將照片傳回單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)分析這兩張圖片，確定圖片內(nèi)所有絲瓜的位置坐標(biāo)，然后控制機(jī)器人作業(yè)。作業(yè)時(shí)，通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)支撐臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，將兩根引動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)到與被采摘絲瓜同一平面內(nèi)的位置。與此同時(shí)，垂直引動(dòng)器工作，將水平引動(dòng)器移動(dòng)到距離絲瓜頂部3cm處。之后，水平引動(dòng)

3、器開(kāi)始工作，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，水平引動(dòng)器向絲瓜所在的位置伸出，直到絲瓜位于末端執(zhí)行器的機(jī)械手開(kāi)口中心。末端執(zhí)行器上方的切割刀片在工作時(shí)，刀片處于復(fù)位狀態(tài)即切割刀片與水平引動(dòng)器垂直，且刀口的朝向背向絲瓜。在水平引動(dòng)器到達(dá)指定坐標(biāo)后，機(jī)械手抓合絲瓜，待絲瓜抓穩(wěn)后，切割刀片工作，在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，刀片旋轉(zhuǎn)270°，將絲瓜藤切斷，此后回到復(fù)位狀態(tài)。之后，水平引動(dòng)器收回。支撐臺(tái)旋轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌炔殡S垂直引動(dòng)器的調(diào)整，將機(jī)械手中的絲瓜移至籮筐正上方，然后機(jī)械手松開(kāi)絲瓜使其落入籮筐，這樣一次絲瓜采摘就完成了。然后支撐臺(tái)旋轉(zhuǎn)伴隨機(jī)械臂的調(diào)整，開(kāi)始第二次采摘。在將照片中的絲瓜全部采摘完成后，引動(dòng)器回到初

4、始狀態(tài)，移動(dòng)平臺(tái)向前移動(dòng)到采摘區(qū)域，然后拍照分析進(jìn)行下一次采摘。采摘作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)：本次課題所研究的絲瓜采摘機(jī)器人采摘的絲瓜種植于農(nóng)田大棚中，之所以應(yīng)用于該環(huán)境，是因?yàn)檗r(nóng)田大棚的絲瓜種植利用春提早絲瓜栽培技術(shù)，可以做到早結(jié)瓜、早上市，增加絲瓜的產(chǎn)量和收益。而此次研究的采摘機(jī)器人正是用于該環(huán)境下進(jìn)行絲瓜的采摘。大棚里的作物通常采用畦作栽培，絲瓜也不例外，通常情況下畦溝的寬度為80cm，兩畦之間的寬度為125cm，種植時(shí)絲瓜種植在畦溝內(nèi)兩側(cè)，兩個(gè)絲瓜藤之間的橫向距離為40cm，對(duì)稱(chēng)種植，其中圓圈代表絲瓜的種植地點(diǎn)。2絲瓜采摘機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)上述問(wèn)題，本論文設(shè)計(jì)出了3自由度的采摘機(jī)器人，該機(jī)器

5、人與目前市場(chǎng)上所出現(xiàn)的采摘機(jī)器人相比，優(yōu)點(diǎn)在于采用圓柱形坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)便，坐標(biāo)計(jì)算容易，定位精度高。基于雙目視覺(jué)系統(tǒng)的圖片分析能夠通過(guò)分析絲瓜的形狀，提高采摘精度，實(shí)現(xiàn)智能采摘。在機(jī)械臂的傳動(dòng)方面，采用最新型的諧波齒輪減速器，降低工作噪音，提高傳動(dòng)精度，增大工作轉(zhuǎn)矩?！?】采用兩根THK公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件引動(dòng)器作為機(jī)械臂，增加了傳動(dòng)精度。此外，設(shè)計(jì)了一種新型的柔性末端執(zhí)行器，最大限度地減少了絲瓜采摘過(guò)程中對(duì)絲瓜果實(shí)的傷害，提高了采摘效率。2.1機(jī)械臂設(shè)計(jì)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)是采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是機(jī)器人工作的核心所在?，F(xiàn)代大局部農(nóng)業(yè)機(jī)器人所使用的機(jī)械臂都是在市場(chǎng)上購(gòu)置的工業(yè)機(jī)械

6、臂，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式及自由度的選擇對(duì)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)精度及靈活性都會(huì)產(chǎn)生很大的影響，對(duì)采摘作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人來(lái)講，機(jī)械臂必須滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活等條件。【5】本次機(jī)械臂設(shè)計(jì)的目的主要是滿(mǎn)足末端執(zhí)行器的定位需要，能夠使末端執(zhí)行器在指定位置采摘絲瓜。因此，設(shè)計(jì)之初首先需要考慮分配好采摘機(jī)器人的自由度。實(shí)際考查中，我們發(fā)現(xiàn)3自由度的機(jī)器人就可以滿(mǎn)足絲瓜的采摘需要。因此為了防止自由度的冗余、增加生產(chǎn)本錢(qián)，本課題選擇3自由度的機(jī)械臂來(lái)開(kāi)展設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)械臂長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)那么需考慮絲瓜采摘機(jī)器人具體的采摘環(huán)境。本課題所研究的機(jī)器人是應(yīng)用于大棚里的絲瓜采摘，絲瓜平均生長(zhǎng)的高度為1.41.6m，而移動(dòng)平臺(tái)的高度為0.4

7、1m，支撐座高度為0.105m，因此垂直使用的機(jī)械臂的高度大約需要1.1m。機(jī)械臂共有兩個(gè)自由度，也就是X軸和Y軸的移動(dòng)自由度。這兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)考慮依然采用交流伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，主要是考慮到交流伺服電機(jī)質(zhì)量小、精度高、易于控制的特點(diǎn)，雖然輸出轉(zhuǎn)矩較小，但能滿(mǎn)足這兩個(gè)直線(xiàn)自由度的實(shí)現(xiàn)。機(jī)械臂考慮采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)?！?】絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的精度高，易于實(shí)現(xiàn)，工作壽命長(zhǎng)，而且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。綜合以上要求，本設(shè)計(jì)考慮選擇日本THK公司生產(chǎn)的引動(dòng)器。載重方面，水平引動(dòng)器的載重肯定小于垂直引動(dòng)器，因此只需估算垂直引動(dòng)器的載重。由于不同型號(hào)引動(dòng)器的質(zhì)量相差很大，所以我們盡量往較大數(shù)據(jù)估計(jì)，為

8、40kg，伺服電機(jī)選擇為安川400w的伺服電機(jī)，輸入完成過(guò)后THK給出的結(jié)果是只有KR55和KR65型，考慮到質(zhì)量輕化優(yōu)先，選擇KR55系列的引動(dòng)器。這樣機(jī)械臂就確定下來(lái)，共同組成機(jī)器人本體。為了使機(jī)械臂能夠穩(wěn)定可靠地平衡傾覆力矩，采用加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)來(lái)輔助平衡。2.2移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)根據(jù)采摘作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，綜合考慮機(jī)械臂在移動(dòng)平臺(tái)上的穩(wěn)定性和畦溝的寬度，選擇移動(dòng)平臺(tái)的寬度為76cm，其中車(chē)身的寬度為40cm，車(chē)輪的寬度為12cm，因此履帶的寬度為12cm。一般絲瓜的生長(zhǎng)高度在1.41.6m，因此初選車(chē)身的高度為30cm，移動(dòng)平臺(tái)整體的高度為40cm，車(chē)輪的直徑為35cm。為了使果蔬采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

9、、傳動(dòng)精確，同時(shí)減小質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用諧波齒輪減速器來(lái)控制整個(gè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此需要在移動(dòng)小車(chē)內(nèi)部放置交流伺服電機(jī)，這樣能夠降低車(chē)身重量。在小車(chē)內(nèi)部安裝伺服電機(jī)，那么需考慮裝配該機(jī)器人的方便性和可行性。在小車(chē)車(chē)身處，以完全貫穿的形式設(shè)計(jì)了一個(gè)長(zhǎng)為25cm、寬為17cm的矩形安裝區(qū)域，將電機(jī)和減速器安置于其中，這樣便于安轉(zhuǎn)和后期維修。考慮到采摘完成后需要收集絲瓜，因此在車(chē)身設(shè)計(jì)兩個(gè)籮筐安裝區(qū)域，機(jī)械臂在采集完成后，可將絲瓜放在籮筐內(nèi)，提高工作效率。綜合考慮上述情況后，筆者將車(chē)身的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為90cm，便于絲瓜機(jī)器人后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展。3結(jié)語(yǔ)本文針對(duì)絲瓜采摘過(guò)程中的問(wèn)題以及采摘作業(yè)需求，通過(guò)分析果蔬采摘機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人的主要關(guān)節(jié)機(jī)械臂和移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使機(jī)器人滿(mǎn)足對(duì)絲瓜采摘的要求。參考文獻(xiàn)：【1】林龍賢.果蔬采摘欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手爪研究D.浙江大學(xué)，2021.【2】方建軍.移動(dòng)式采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀與進(jìn)展J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，202102：273-278.【3】顧寶興.智能移動(dòng)式水果采摘機(jī)