機(jī)器人末端執(zhí)行器在球形果實(shí)采摘中的應(yīng)用

機(jī)器人末端執(zhí)行器在球形果實(shí)采摘中的應(yīng)用

0應(yīng)用新解決方案近年來(lái)，果樹(shù)收獲機(jī)器人逐漸成為農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)。作為收獲機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一，世界上許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的末端執(zhí)行器，并取得了許多成果。同時(shí),也共同面對(duì)諸多問(wèn)題需要更好的解決方案,如在保證自動(dòng)化采摘效率和成功率的同時(shí)降低成本和傳感控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性,以推進(jìn)采摘機(jī)器人的商業(yè)化和實(shí)用化進(jìn)程;提高通用性,使一種末端執(zhí)行器能采摘多種果實(shí)。本文基于以上問(wèn)題考慮,提出了一種球狀果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器,整體結(jié)構(gòu)由Pro/E進(jìn)行三維建模表達(dá),利用ADAMS仿真軟件對(duì)末端執(zhí)行器采摘方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,驗(yàn)證了方案的可行性。1基于小波原理的輔助采摘法實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采摘,關(guān)鍵一步是要可靠快速無(wú)損傷完成果實(shí)與植株的分離,即將相應(yīng)的果柄打斷。完成此目標(biāo)任務(wù)可以有以下幾種方式:①抓牢果實(shí)后,模仿人采摘時(shí)手腕的掰擰動(dòng)作將果柄擰斷;②用微型電鋸將果柄割斷;③抓緊果實(shí)后,利用一定速度的刀片將果柄砍斷;④判斷果柄位置,利用剪刀將果柄剪斷;⑤夾住果實(shí)后,用激光將果柄燒斷。這幾種方案中,其中第1種方案對(duì)于柔韌果柄和枝條的情況采摘成功率低;第2～5種方案對(duì)于打斷果柄成功率高,但前提是首先要將目標(biāo)果實(shí)抓牢,然后通過(guò)檢測(cè)果柄相對(duì)于末端執(zhí)行器的方位使刀片等能夠準(zhǔn)確將果柄打斷;或者調(diào)整機(jī)械臂使末端執(zhí)行器只能在特定采摘姿態(tài)下抓牢果實(shí),保證果柄與末端執(zhí)行器的相對(duì)方位確定,刀片等即可按既定動(dòng)作將果柄打斷。經(jīng)過(guò)分析得出以下結(jié)論:一是無(wú)論以上哪種采摘方案,都需要抓牢果實(shí),但果實(shí)因種類(lèi)和成熟度不同其果皮的軟硬程度也不同,所以要保證抓牢又要避免過(guò)程中出現(xiàn)松動(dòng)或者擠碎果實(shí)的情況就要添加壓力傳感器,對(duì)抓取力進(jìn)行控制,這樣就增加了末端執(zhí)行器的成本及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜性。二是當(dāng)抓牢后,檢測(cè)果柄與末端執(zhí)行器的方位也需要增加相應(yīng)的視覺(jué)傳感器或者位置傳感器,同時(shí)刀片也要有足夠的靈活度,能夠根據(jù)果柄的不同相對(duì)方位去接近果柄將其打斷,這樣也增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本,會(huì)使得機(jī)械結(jié)構(gòu)變得繁冗復(fù)雜。如果通過(guò)特定的姿態(tài)采摘水果,無(wú)疑降低了整體機(jī)器人的避障能力。所以本文提出的末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)目標(biāo)為:采摘過(guò)程果不需要抓牢果實(shí),不需檢測(cè)果柄位置,也不限定采摘姿態(tài),同時(shí)保證結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)明,具有較高的采摘成功率和效率,具有良好的通用性。2端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)基于前述的分析,確定設(shè)計(jì)目標(biāo)后,基于Pro/E設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種球狀果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器(如圖1所示),該末端執(zhí)行器主要由步進(jìn)電機(jī)、雙作用伸縮氣缸、四指開(kāi)合機(jī)構(gòu)和弧形刀片等幾大部分組成。其中,步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器可帶動(dòng)其余部件與電機(jī)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng),為弧形刀片旋轉(zhuǎn)切割果柄提供動(dòng)力;雙作用氣缸由其活塞桿驅(qū)動(dòng)四指開(kāi)合機(jī)構(gòu)動(dòng)作,將目標(biāo)果實(shí)包圍,其中弧形刀片焊接于弧形四指內(nèi)側(cè),并在刀片內(nèi)側(cè)粘有一定厚度的海綿層,防止采摘過(guò)程中果皮與刀片直接接觸。2.1第四，開(kāi)源代碼實(shí)現(xiàn)2.1.1確定學(xué)習(xí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割的部位,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切割本末端執(zhí)行器具有4個(gè)手指,從理論上講,末端執(zhí)行器的手指越多其抓牢果實(shí)的可靠性就越高。但本末端執(zhí)行器的手指是將果實(shí)包圍,而不是將果實(shí)抓牢,設(shè)計(jì)的4個(gè)手指可以保證其4指合攏后的球狀包圍空間稍大于果實(shí)尺寸,從而手指可以相對(duì)果實(shí)進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)果柄的旋轉(zhuǎn)切割打斷,同時(shí)保證果實(shí)在放入收集裝置之前不會(huì)從合攏的指縫中漏下。2.1.2形的嘴唇、架板的組成2.四指開(kāi)合機(jī)構(gòu)如圖2所示。在設(shè)計(jì)的四指開(kāi)合機(jī)構(gòu)中,氣缸活塞桿與頂拉板通過(guò)螺釘固聯(lián),頂拉板的4個(gè)方向上分別鉸接弧形的手指。同時(shí)每一個(gè)手指的一端鉸接連桿,每根連桿又分別鉸接機(jī)架板,而機(jī)架板與氣缸通過(guò)螺釘固聯(lián)。這樣當(dāng)氣缸活塞桿進(jìn)行伸縮時(shí),4個(gè)弧形手指會(huì)做相應(yīng)的展開(kāi)和合攏動(dòng)作。設(shè)計(jì)的4個(gè)弧形手指合攏時(shí)是將果實(shí)包圍而不是將果實(shí)包夾住,這樣可以省掉了對(duì)夾持果實(shí)力的控制。海綿層在弧形刀片的內(nèi)側(cè),用于隔擋弧形刀片與果實(shí)接觸,防止弧形刀片旋轉(zhuǎn)時(shí)誤傷果實(shí)。2.2設(shè)計(jì)弧形工藝弧形四指的合攏將目標(biāo)果實(shí)包圍其中,末端執(zhí)行器下一步的任務(wù)就是要將果柄割斷。此時(shí),果柄相對(duì)于末端執(zhí)行器的方位有較大的隨機(jī)性,設(shè)計(jì)弧形刀片擬合弧形手指的內(nèi)廓表面形狀,焊接在每一個(gè)弧形手指的內(nèi)廓表面上,長(zhǎng)度與手指相當(dāng);步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)四指繞對(duì)稱(chēng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),弧形刀片即可以旋轉(zhuǎn)割斷任意方位的果柄。3末端執(zhí)行器動(dòng)作路徑為了進(jìn)一步說(shuō)明本末端執(zhí)行器的采摘?jiǎng)幼髟砗驼麢C(jī)制造之前能夠初步檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)方案的合理性,本文利用大型動(dòng)態(tài)仿真軟件ADAMS對(duì)末端執(zhí)行器采摘?jiǎng)幼鬟M(jìn)行了全過(guò)程的仿真。果實(shí)進(jìn)入末端執(zhí)行器內(nèi)部如圖3所示。首先通過(guò)Pro/E與ADAMS的接口軟件Mechanism/Pro將末端執(zhí)行器三維模型中構(gòu)件生成剛體,添加約束后導(dǎo)入ADAMS中,在ADAMS中添加末端執(zhí)行器氣缸活塞驅(qū)動(dòng)力和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速,同時(shí)設(shè)置采摘仿真時(shí)間、步數(shù)及重力條件,在其中的一個(gè)指尖處添加標(biāo)記點(diǎn)“MARKER_132”,如圖3中球狀體代表果實(shí)。按照實(shí)際的采摘方案,動(dòng)作全過(guò)程仿真分為4步:1)末端執(zhí)行器接近果實(shí),果實(shí)進(jìn)入四指內(nèi)部。機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)傳感系統(tǒng)采集目標(biāo)果實(shí)形心三維坐標(biāo),信息通過(guò)工控機(jī)處理機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解結(jié)果得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)量,從而機(jī)械臂帶動(dòng)末端執(zhí)行器逼近目標(biāo)果實(shí)。為保證果實(shí)可以順利通過(guò)進(jìn)入四指內(nèi)部,需注意兩點(diǎn):①此過(guò)程需要末端執(zhí)行器四指保持張開(kāi)狀態(tài),并且開(kāi)口尺寸至少要大于果實(shí)的尺寸;②為提高果實(shí)進(jìn)入的成功率,末端執(zhí)行器的采摘移動(dòng)路徑的末段最好是直線,且徑直對(duì)準(zhǔn)果實(shí)。在ADAMS/view的animationcontrols中勾選superimpose選項(xiàng),得到此段仿真的斷續(xù)動(dòng)作畫(huà)面如圖3所示。從圖3可以看到,在滿(mǎn)足以上兩點(diǎn)的情況下,果實(shí)順利進(jìn)入了四指的內(nèi)部。2)四指合攏,包圍果實(shí)。選用小型靜音氣泵作為開(kāi)合機(jī)構(gòu)氣缸的氣源,經(jīng)減壓閥出來(lái)的氣體工作壓力為3bar,通過(guò)氣缸結(jié)構(gòu)換算得到活塞桿驅(qū)動(dòng)力約為20N,在ADAMS中添加此力后,同時(shí)設(shè)置四指關(guān)系為接觸。從仿真動(dòng)畫(huà)和標(biāo)記點(diǎn)“MARKER_132”的位移數(shù)據(jù)曲線(如圖4所示)中,可以觀察到:四指合攏需要0.4243s,在0.1786s四指指尖初次相碰,相互短暫彈開(kāi)后再相碰,反復(fù)幾次后在0.4243s后,四指合攏保持穩(wěn)定,如圖5所示。在實(shí)際的采摘作業(yè)中,四指指尖的此種硬碰撞會(huì)發(fā)出尖銳的響聲,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生不必要的振動(dòng),為避免此種情況的發(fā)生,可以在指尖處嵌入彈性材料,如海綿或橡膠,以此可對(duì)碰撞起到緩沖的作用。3)四指保持合攏,電機(jī)啟動(dòng),弧形刀片旋轉(zhuǎn)切割果柄。此時(shí),果實(shí)已經(jīng)被包圍在了合攏四指的內(nèi)部,果實(shí)靠果柄懸掛在四指中間,而果柄必定位于其中兩手指之間。所以,啟動(dòng)電機(jī)后,四指旋轉(zhuǎn),其上的弧形刀片隨之切斷果柄,這個(gè)過(guò)程四指保持合攏,果實(shí)仍落在四指內(nèi)部。在ADAMS中對(duì)電機(jī)軸添加驅(qū)動(dòng)階躍驅(qū)動(dòng)函數(shù):“step(time,0,0,1,720d)”,即電機(jī)在1s的時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)2圈,下次切割反轉(zhuǎn)2圈,以此防止旋轉(zhuǎn)的過(guò)程氣缸氣管發(fā)生過(guò)度纏繞,如圖6所示。4)四指保持合攏,末端執(zhí)行器退到果實(shí)收集裝置上方后,四指張開(kāi),落下果實(shí)。在ADAMS中的animationcontrols中選擇“TraceMaker”選項(xiàng),跟蹤點(diǎn)為“MARKER_132”,末端執(zhí)行器動(dòng)作路徑如圖7所示。經(jīng)過(guò)對(duì)每一采摘步驟的詳細(xì)仿真,分析得出,本末端執(zhí)行器完成打斷果柄時(shí)間基本可以控制在1.5s以?xún)?nèi),整個(gè)過(guò)程動(dòng)作可靠,初步驗(yàn)證了采摘方案的可行性。4大力提高了系統(tǒng)的操作難度,避免了把葉片打造成訴訟過(guò)程中出現(xiàn)誤操作者為單一果從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理和仿真分析的過(guò)程來(lái)看,本末端執(zhí)行器具有以下優(yōu)點(diǎn):1)采摘作業(yè)無(wú)需控制抓取力,從而省掉了相應(yīng)的傳感器控制系統(tǒng)的加入,也就在一定程度上降低了成本和整機(jī)操作的控制難