李素云，余長庚

(賀州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，廣西 賀州　542899)

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一種多機(jī)械手編碼控制系統(tǒng)的果蔬采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

李素云，余長庚

(賀州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，廣西 賀州542899)

摘要：為了提高果蔬的采摘效率，對(duì)果蔬采摘機(jī)器人進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新的多機(jī)械手的編碼控制采摘機(jī)器人。通過對(duì)機(jī)器人功能和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使機(jī)器人具有了利用機(jī)器視覺技術(shù)的圖像邊緣提取來劃分每個(gè)機(jī)械手的作業(yè)區(qū)間的功能，并可以利用編碼器對(duì)每個(gè)機(jī)械手進(jìn)行編碼，從而完成多機(jī)械手的協(xié)同作業(yè)。對(duì)機(jī)器人的采摘作業(yè)性能進(jìn)行了測試，首先利用機(jī)器視覺模塊完成了蘋果采摘區(qū)間的劃分，并預(yù)設(shè)了每個(gè)機(jī)械手的采摘作業(yè)軌跡，利用編碼器對(duì)預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行了追蹤。通過測試發(fā)現(xiàn)：機(jī)器人多機(jī)械手的實(shí)際追蹤軌跡和預(yù)設(shè)軌跡的誤差很小，滿足設(shè)計(jì)需求，多機(jī)械手的協(xié)同采摘平均速度可以達(dá)到80個(gè)/min 以上，具有高效的果蔬采摘性能。

關(guān)鍵詞：多機(jī)械手；編碼控制；采摘效率；軌跡追蹤；協(xié)同作業(yè)

0引言

果蔬采摘機(jī)器人是針對(duì)水果和蔬菜，通過編程來完成其采摘、輸送及裝箱等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的、具有感知能力的自動(dòng)化機(jī)械收獲系統(tǒng)。設(shè)計(jì)果蔬采摘機(jī)器人需解決的主要問題是識(shí)別和定位果實(shí)，在不損害果實(shí)也不損害植株的條件下，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)完成果蔬的收獲。同時(shí)，也要考慮經(jīng)濟(jì)因素，要保證其成本不比其所替代的人工成本高。因此，需要對(duì)機(jī)器人的采摘性能進(jìn)行改進(jìn)，通過改進(jìn)提高機(jī)器人的作業(yè)效率及其使用的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種新的多機(jī)械手采摘機(jī)器人，通過編碼控制實(shí)現(xiàn)多機(jī)械手的協(xié)同作業(yè)，以期提高果蔬采摘的作業(yè)效率。

1多機(jī)械手編碼控制采摘機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

多機(jī)械手編碼控制機(jī)器人可以有效地提高果蔬采摘的效率，其設(shè)計(jì)跟普通果蔬采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)有所不同，多機(jī)械手編碼控制的果蔬采摘機(jī)器人需要設(shè)置中心服務(wù)器通訊，獲取機(jī)械手動(dòng)作的批次和分類信息。在采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)，需要首先導(dǎo)入采摘的分類數(shù)據(jù)，根據(jù)分類數(shù)據(jù)控制多機(jī)械手作業(yè)，使其高速地完成果蔬的采摘。同時(shí)，需要記錄作業(yè)信息，并及時(shí)地傳至中心服務(wù)器，并具有較好的人機(jī)交互界面。圖1為多機(jī)械手果蔬采摘機(jī)器人的功能總體設(shè)計(jì)。

圖1　多機(jī)械手果蔬采摘機(jī)器人功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2表示多機(jī)械手果蔬采摘機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)框架。其中，采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要包括限位傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和編碼器等。

圖2　多機(jī)械手編碼采摘機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框架

2多機(jī)械手機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高果蔬采摘的效率，將機(jī)器人設(shè)計(jì)成多機(jī)械手，其主要結(jié)構(gòu)是由多機(jī)械手部分、軀干部分、行走裝置、機(jī)器視覺系統(tǒng)、傳感器和控制回路組成。其核心機(jī)械結(jié)構(gòu)為多機(jī)械手部分，機(jī)械手可以旋轉(zhuǎn)和伸出來實(shí)現(xiàn)俯仰高度的變化。

圖3為多機(jī)械手果蔬采摘機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)。其中，伸出氣缸是實(shí)現(xiàn)抓取和旋轉(zhuǎn)的裝置，使用氣動(dòng)控制，機(jī)械手可以在一定空間運(yùn)動(dòng)，可以準(zhǔn)確地定位到任意位置。其執(zhí)行末端的設(shè)計(jì)如圖4所示。

1.儲(chǔ)存裝置　2.攝像裝置　3.旋轉(zhuǎn)氣缸　4.機(jī)械手

1.位置傳感器　2.機(jī)械手指　3.旋轉(zhuǎn)氣缸　4.視覺傳感器

該機(jī)械手手部材料采用了合金鋼，主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。手部可以進(jìn)行拆裝，通過壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)果實(shí)的夾緊，然后利用旋轉(zhuǎn)操作扭斷果實(shí)柄，并取下果實(shí)。機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)如圖5所示。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)主要利用旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為動(dòng)力，并在底部設(shè)計(jì)了放置螺母孔，電機(jī)利用編碼器進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到準(zhǔn)確控制機(jī)械手臂的目的。

1、2、3.旋轉(zhuǎn)電機(jī)和編碼器　4.水果儲(chǔ)存裝置

果蔬多采摘機(jī)器人的執(zhí)行末端采用氣動(dòng)控制，如圖6所示。氣動(dòng)控制共有3個(gè)回路，控制末端的執(zhí)行動(dòng)作主要是伸縮、抓取和回轉(zhuǎn)，利用2個(gè)直動(dòng)式氣缸和1個(gè)回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)行控制，換向閥為二位四通的電磁換向閥控制。其中，執(zhí)行速度可以由流量來調(diào)節(jié)，而要完成多機(jī)械手的協(xié)同工作，需要利用多目標(biāo)函數(shù)來分配采摘任務(wù)，目標(biāo)函數(shù)符合線性規(guī)劃，其表達(dá)式為

(1)

其中，y表示采摘任務(wù)目標(biāo)值，w表示各項(xiàng)任務(wù)的權(quán)重系數(shù)，a表示調(diào)節(jié)系數(shù)，要實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化，需要設(shè)定約束條件。

(2)

w1,w2,…,wn≥0

其中，b表示最大調(diào)節(jié)系數(shù)。每個(gè)函數(shù)都是單一的目標(biāo)線性函數(shù)，將每個(gè)目標(biāo)函數(shù)整合成公式(1)就可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)函數(shù)的線性規(guī)劃。假設(shè)M=(mij)i×j，N=(nij)i×j, c=(c1,c2,...,cm)T, w=(w1,w2,...,wm)T， Y=(Y1,Y2,...,Ym)T，上述多目標(biāo)函數(shù)可以寫成矩陣的形式

maxY=Kw

(3)

約束條件可以簡化為

(4)

目標(biāo)優(yōu)化過程，實(shí)際是根據(jù)約束條件對(duì)目標(biāo)值的無線逼近過程，假設(shè)最優(yōu)值為Yj*,最優(yōu)值的問題轉(zhuǎn)換成假設(shè)Yj*值無限逼近目標(biāo)優(yōu)化值Y，其表達(dá)式為

(5)

通過計(jì)算可以構(gòu)造出理想點(diǎn)法求解函數(shù)最優(yōu)解。假設(shè)采摘區(qū)劃分成兩個(gè)子區(qū)，則兩個(gè)子區(qū)目標(biāo)函數(shù)為

(6)

其中約束條件為

b1w1+b2w2≤c1

b3w1+b4w2≤c2

(7)

w1,w2≥0

多機(jī)械手采摘機(jī)器人采用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，用圖形編程語言LabView編寫代碼，依據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件，采用模塊化編碼的形式對(duì)每個(gè)機(jī)械手進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)果蔬采摘機(jī)器人的多機(jī)械手協(xié)同控制。

1，2.伸縮液壓缸　3.回轉(zhuǎn)馬達(dá)　4.節(jié)流閥

3采摘機(jī)器人多機(jī)械手編碼控制系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的果蔬采摘多機(jī)械手機(jī)器人的可靠性，對(duì)果實(shí)采摘機(jī)器人的采摘性能進(jìn)行了測試，并在Windows XP平臺(tái)開發(fā)了控制系統(tǒng)，使用圖形編程語言LabView編寫代碼，其系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

表1　控制系統(tǒng)硬件選型表

其中，控制系統(tǒng)包括3層：第1層為程序界面；第2層表示應(yīng)用程序?qū)?，?shí)現(xiàn)果蔬采摘的多機(jī)械手控制，并且包括初始化和I/O接口；第3層為單機(jī)控制層，主要是控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡、回零等核心運(yùn)動(dòng)；最底層為控制卡，完成位置反饋和PID參數(shù)的整定。

圖7為蘋果的采摘區(qū)塊劃分過程示意圖。蘋果采摘區(qū)塊的劃分是多機(jī)械手控制編碼的基礎(chǔ)，主要是依據(jù)蘋果圖像的實(shí)際面積和區(qū)塊內(nèi)蘋果的數(shù)目。區(qū)塊劃分完成后，可以將機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)限制在既定的區(qū)塊內(nèi)部，其單機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡控制如圖8所示。

圖7　蘋果采摘區(qū)塊劃分

利用圖像處理技術(shù)對(duì)蘋果區(qū)塊進(jìn)行劃分后，根據(jù)圖像邊緣提取技術(shù)，可以對(duì)每個(gè)機(jī)械手在每個(gè)區(qū)塊內(nèi)的采摘運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)設(shè)；然后利用編碼控制對(duì)軌跡進(jìn)行追蹤，其追蹤曲線的放大圖如圖9所示。

由圖9可以看出：實(shí)際追蹤軌跡可以沿著預(yù)設(shè)軌跡完成采摘任務(wù)，雖然追蹤過程存在一定誤差，但是誤差很小，在設(shè)計(jì)的允許范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了區(qū)間劃分和編碼的有效性。對(duì)整棵樹的蘋果采摘區(qū)進(jìn)行劃分，得到了整個(gè)區(qū)間的劃分結(jié)果如表2所示。

圖8　預(yù)設(shè)軌跡和追蹤軌跡

圖9　追蹤軌跡放大圖

區(qū)間編號(hào)區(qū)間面積/m2果實(shí)數(shù)目統(tǒng)計(jì)/個(gè)區(qū)間編號(hào)區(qū)間面積/m2果實(shí)數(shù)目統(tǒng)計(jì)/個(gè)12.121121.281331.321041.53851.48563.32871.28381.62291.731101.588

根據(jù)果實(shí)的區(qū)間面積和果實(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)目，對(duì)整個(gè)果蔬采摘區(qū)進(jìn)行區(qū)間劃分，子區(qū)間為10個(gè)子區(qū)，對(duì)每個(gè)子區(qū)利用相應(yīng)的機(jī)械手進(jìn)行采摘作業(yè)，機(jī)械手對(duì)應(yīng)的子區(qū)編號(hào)如表3所示。

表3　多機(jī)械手控制子區(qū)表

采摘機(jī)械手共4個(gè)，每個(gè)機(jī)械手對(duì)應(yīng)相應(yīng)的采摘子區(qū)，子區(qū)間可以利用多目標(biāo)控制原理，協(xié)同完成采摘任務(wù)，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。

圖10　多機(jī)械手協(xié)同運(yùn)動(dòng)軌跡

圖10中，每個(gè)門字框主要分為垂直上升抓取、水平轉(zhuǎn)移、垂直放置3個(gè)階段，左側(cè)較低位為果實(shí)抓取位置，右側(cè)較高位置為果實(shí)放置位置，多機(jī)械手的采摘平均速度可以達(dá)到80個(gè)/min 以上，從而驗(yàn)證了多機(jī)械手果蔬采摘機(jī)器人的高效性。

4結(jié)論

依據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化理論，使用傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和編碼器等控制系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)了一種新的多機(jī)械手的編碼控制采摘機(jī)器人，大大提高了果蔬采摘的作業(yè)效率。

對(duì)機(jī)器人的果蔬采摘作業(yè)性能進(jìn)行了測試，通過測試發(fā)現(xiàn)：機(jī)器人可以有效地完成對(duì)不同采摘區(qū)子區(qū)間的規(guī)劃，并可以通過預(yù)設(shè)軌跡，完成機(jī)器人采摘作業(yè)的自動(dòng)化追蹤，協(xié)同作業(yè)速度可以達(dá)到80個(gè)/min 以上，具有高效的果蔬采摘性能。

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Design of Picking Robot for Fruits and Vegetables Based on Encoding Control System for Multi Robot Manipulators

Li Suyun1, Yu Changgeng1

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Hezhou University, Hezhou 542899,China)

Abstract：In order to improve the efficiency of picking fruits and vegetables, a new kind of robot with multi robot hand is designed, which is used to improve the picking efficiency of fruits and vegetables.Through the function and structure of robot,the design enables the robot extract the image edge ion based on machine vision technology to divide each manipulator the operating range of the function.And it can use the encoder to encode each manipulator, so as to complete the multi robot cooperative working industry.The robot's picking performance were tested.First of all, the machine vision module apple picking interval of the partition, and the default of each manipulator picking operation trajectory,the coder for the preset trajectory tracking.Through the test found that multi robot manipulator of actual trajectory tracking and preset trajectory error is very small, meet the design requirements, multi robot cooperative picking average speed can reach more than 80/min, with high fruit and vegetable picking performance.

Key words：multi robot hand; encoding control; picking efficiency; trajectory tracking; cooperative work

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0187-05

中圖分類號(hào)：TP242；S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：李素云(1974-)，女，山東菏澤人，副教授，碩士。通訊作者：余長庚(1974-)，男，安徽宿松人，講師，博士，(E-mail)yuchanggeng1974@163.com。

基金項(xiàng)目：廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2013YB242)

收稿日期：2015-07-09