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1、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計——葡萄采摘機(jī)
一、 立題依據(jù)
1、研究目的及意義
設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收最直接、 最有效的途徑之一, 但溫室內(nèi) 工作環(huán)境惡劣, 急需開發(fā)相關(guān)的機(jī)械化作業(yè)裝備。 溫室內(nèi)的茄果類和瓜果類的年 栽培期可長達(dá) 9 個月以上,采摘勞動強(qiáng)度大, 非常有必要開發(fā)該類果蔬的采摘機(jī) 器人,特別是其利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大田或果園的果蔬自動化采摘裝備, 經(jīng)濟(jì)效益顯 著,更有可能率先得到應(yīng)用。 使用農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以提高勞動生產(chǎn)率, 解決勞動力 的不足,可以改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境, 防止農(nóng)藥、 化肥等對人體的傷害, 同時提高作 業(yè)質(zhì)量。 機(jī)器人應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 特別是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程, 是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向自
2、 動化和智能化發(fā)展的標(biāo)志。
2、葡萄采摘機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 最早的機(jī)械采摘方法是采用機(jī)械振搖式和氣動振搖式, 但果實容易損壞, 效 率不高, 而且容易摘到不成熟的果實。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 農(nóng)業(yè)機(jī)器人在同外 迅速發(fā)展起來。自從20世紀(jì)60年代(1968年)美國人Schertz和Brown提出用機(jī) 器人采摘果實之后,對采摘機(jī)器人的研究受到廣泛重視。 1983 年第一臺采摘機(jī) 器人在美國誕生,在以后 20多年的時問里,日本及歐美等國家相繼研究了采摘 蘋果、柑橘、番茄、葡萄和西瓜等的智能機(jī)器人。 我國采摘機(jī)器人的研究起步雖 然比較晚,但目前也逐步發(fā)展起來 如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人對草莓收獲機(jī) 器
3、人進(jìn)行了試驗性的研究,東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人, 上海交通大學(xué)正在進(jìn)行黃瓜采摘機(jī)器人的研究等。 目前,比較典型的有番茄采摘 機(jī)器人、草莓采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人及林木球果采摘機(jī)器人等。
采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的一種類型,目前在日本、美國、荷蘭等國家 已有研制和初步使用,主要用于采摘番茄、黃瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、蘋 果、柑桔、甘藍(lán)等蔬菜和水果,具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?
日本岡山大學(xué)研制出了一種用于果園棚架栽培模式的葡萄采摘機(jī)器人,如 圖 5 所示。葡萄采摘機(jī)器人的機(jī)械部分是一只具有 5 個自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手, 末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運動, 能夠有效地工作。
4、 視覺傳感器一般采用 彩色攝像機(jī),若采用 PSDj 維視覺傳感器效果會更佳,可以檢測成熟果實及其距
離信息的三維信息。由于葡萄采摘季節(jié)很短,單一的采摘功能會使機(jī)器人的使用 效率降低,為提高其使用率,可更換不同的末端執(zhí)行器,以完成葡萄枝修剪、 套
袋和藥物噴灑等作業(yè)。
圖5葡萄采摘機(jī)器人
研究方案
采摘機(jī)器人形式多樣,但主要由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)與行走系統(tǒng)等部分組成。本文對采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計與工作性能進(jìn)行了分析。
1、 視覺傳感器
視覺是人類最重要的感覺之一,人們從外界環(huán)境獲取的信息中,百分之七十 以上是由視覺完成的,因此視覺信息處理是當(dāng)前信息研究的核
5、心任務(wù)之一, 機(jī)器
人視覺就是給機(jī)器人裝上視覺傳感器, 模擬人的視覺功能,從圖像或圖像序列中 提取信息,對客觀世界進(jìn)行形態(tài)識別,使機(jī)器人完成許多艱巨的任務(wù)。 視覺傳感 器主要由彩色攝像機(jī)來尋找和識別成熟的葡萄, 利用雙目視覺方法對目標(biāo)進(jìn)行定 位。收獲時,由視覺系統(tǒng)計算采摘目標(biāo)的空間位置, 接著采摘機(jī)械手移動到預(yù)定 位置,進(jìn)行采摘。
2、 采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計
(1)機(jī)械臂基本結(jié)構(gòu)
根據(jù)項目方案書,采摘作業(yè)對象為溫室栽培,果實高度基本分布在離地高
度200. 1400mm的位置。機(jī)械臂安裝在移動小車上,在小車上的安裝位置離地 高400mm左右。
綜合考慮了機(jī)械臂的操作空間、冗余空間、姿
6、態(tài)靈活性等因素,決定采用
5旋轉(zhuǎn)自由度及一移動自由度的方案,為便于研究和表述,現(xiàn)對機(jī)械臂各部分結(jié) 構(gòu)名 稱作統(tǒng)一規(guī)范,依據(jù)人手臂分別命名為腿部,軀干,大臂,小臂,關(guān)節(jié)部 分根據(jù)關(guān) 節(jié)軸線方向相應(yīng)命名為移動,腰扭,肩轉(zhuǎn),肘轉(zhuǎn),腕轉(zhuǎn)和腕扭,如圖 所示。
(2)、運動控制系統(tǒng)
目前主流的采用PC作為主控器的運動控制方式有以下兩種: 1采用插在
PC上運動控制卡對電機(jī)進(jìn)行控制。2.采用CAN總線的方式來對節(jié)點上的電機(jī) 進(jìn)行控制。前者成本高,控制精度高,實時性能好,多用于高精密的數(shù)控加工系 統(tǒng),但是可擴(kuò)展性差,一般購買的運動控制卡都有控制軸數(shù)的限制, 如果控制軸
數(shù)的增加會導(dǎo)致成且成本
7、低,在控制精度、實時性、同步性上也都能夠達(dá)到要求。 因此采用方案2對電機(jī)進(jìn)行控制。其硬件組成包括通用PC機(jī)或工控機(jī),基于PCI 總線的高性能的 ZLG-PCI5 110 Aceelnet Micro Micro Module CAN 卡、Copley
Panel和Copley StepNet伺服驅(qū)動器,直流有刷電機(jī)安裝了 HEDL 5540型500線 光電編碼器、步進(jìn)電機(jī)則直接用脈沖數(shù)來控制位置,機(jī)械臂的整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖如圖所示。
祥 PCI$
"CAN~ 接口卡
電機(jī)及
編碼器
騾動器
編碼器
丙機(jī)及
編碼器
機(jī)械臂本體
其它驅(qū)動器
與設(shè)備…
圖5J機(jī)械臂
8、控制系統(tǒng)結(jié)柯圖
3、末端執(zhí)行器
葡萄采摘機(jī)械手進(jìn)行采摘作業(yè)時, 末端執(zhí)行器模擬人手采摘動作,抓住果實, 完成果實與花梗分離,需要手腕通過繞j軸旋轉(zhuǎn)和繞i軸回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。下圖為葡 萄采摘機(jī)械手手腕關(guān)節(jié)形式:
1 ?機(jī)械手末桿關(guān)節(jié)2?末端執(zhí)行器3?采摘冃標(biāo)
葡萄采摘屬于小漿作業(yè),采摘過程中避免損傷果實也是設(shè)計過程中我們必
須考慮的重要問題。運用 “復(fù)合材料”原理,可以采用柔軟的復(fù)合材料作為末 端執(zhí)行器的材料,這樣操作起來比較麻煩。為了解決這個問題,可以設(shè)計一種裝 置,在收獲時不直接接觸果實本體,執(zhí)行器對果梗進(jìn)行作業(yè),摘落的果實在裝在 末端執(zhí)行器端部的小型抽風(fēng)機(jī)的作用下,回收到回收裝置
9、(設(shè)想軟質(zhì)袋子),再由 人工定時更換回收裝置,即可完成采摘。
圖6 收獲末端執(zhí)行器
三、總結(jié)
(1) 采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計是機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié),機(jī)構(gòu)設(shè)計合理與否是影 響機(jī)器人的工作效率和工作性能的重要因素。
(2) 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作性能指標(biāo)是評價機(jī)器人工作性能的主要參數(shù)。分析影 響其性能指標(biāo)的運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,是改善機(jī)器人工 作性能的有效途徑。
(3) 機(jī)械手的性能指標(biāo)研究是冗余度機(jī)械手運動參數(shù)合理選擇的依據(jù),對機(jī) 械手逆運動學(xué)研究具有重要意義。
(4) 隨著農(nóng)業(yè)種植模式的逐步規(guī)范化,果實采摘機(jī)器人必將具有廣闊的應(yīng)用 前景。為提高工作效率和改善機(jī)械手性能,結(jié)
10、合具體的工作要求和工作 對象特性,采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計、性能優(yōu)化等方面仍有待于進(jìn)一步深入 研究。
參考文獻(xiàn) :
1、胡挺。論文《果蔬采摘機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究》 。
2、梁喜鳳,苗香雯,崔紹榮,王永維, 《果實采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計與工 作性能分析》,農(nóng)機(jī)化研究所 2004年 3月。
3、劉繼展 李萍萍 李智國《番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計》 , 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2008年 3月。
4、王麗麗,郭艷玲,王迪,劉幻《果蔬采摘機(jī)器人研究綜述》 ,林業(yè)機(jī) 械與木工設(shè)備第 37卷 第 1期2009年 1月。
5、王麗麗 陳廣勝 趙 輝《基于 TRIZ 理論的藍(lán)莓采摘機(jī)器人設(shè)計》 ,東 北林業(yè)大學(xué)學(xué)報 2009年 6 月。