王會麗(河南省工藝美術(shù)學(xué)校,河南鄭州450000)
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名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人的結(jié)構(gòu)與工作空間設(shè)計
王會麗
(河南省工藝美術(shù)學(xué)校,河南鄭州450000)
摘要:茶葉受季節(jié)影響很大,采摘時間必須控制在一定期限內(nèi)。由于采茶具有工作任務(wù)重的特點,采茶中已經(jīng)逐漸開始使用機械采摘手段。與傳統(tǒng)的手工采茶相比,機采具有效率高的顯著優(yōu)勢。但其采摘效果卻沒有人工采摘效果好。因此,茶產(chǎn)業(yè)要想取得長遠(yuǎn)發(fā)展,就必須重視解決茶葉采摘難題。本文對名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人的結(jié)構(gòu)與工作空間設(shè)計進行了簡要分析。
關(guān)鍵詞:名優(yōu)茶采摘;并聯(lián)機器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計;工作空間設(shè)計
名優(yōu)茶經(jīng)濟價值極高,但采茶面臨著巨大的難題。由于采茶期限較短,采摘任務(wù)十分繁重,傳統(tǒng)的人工采摘無法滿足當(dāng)今的茶葉采摘要求。因此,名優(yōu)茶采摘的機采得到了一定的發(fā)展。但是,機采并不像人工那樣靈活,采摘效果有待提高。隨著這個問題越來越突出,名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人的設(shè)計就成為不少人關(guān)心的話題。
我國果蔬采摘的傳統(tǒng)方式為人工采摘。隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展,帶動了農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展。目前我國在采摘機器人研究方面已經(jīng)取得了一些成績。如,中國科學(xué)院自動化研究院設(shè)計的草莓采摘機,能夠自主識別、精確定位,可以基本達(dá)到草莓采摘的要求,損傷率相對較小。相關(guān)試驗研究表明,在實驗室環(huán)境下,其采摘成功率最高可達(dá)90%。采茶機是一種能夠顯著提高茶葉采摘效率的機械設(shè)備,當(dāng)前我國茶葉采摘中主要使用的是往復(fù)切割式采茶機。這種采茶機明顯的不足,是無法識別新梢和老葉,成功采摘的茶葉往往完整性比較差。在并聯(lián)機器人方面,我國很多專家、學(xué)者都對其進行了長時間的研究,幾乎所有研究都是在實驗室環(huán)境下進行的,研究成果始終停留在理論層面,在實踐方面還有著明顯的不足。并聯(lián)機器人尚未真正與采茶技術(shù)結(jié)合,因此,如何將理論付諸實施,是我國目前亟待解決的問題。
3.1方案分析
本文在合理利用并聯(lián)機構(gòu)優(yōu)勢,將其與采茶技術(shù)充分結(jié)合,嘗試著提出了名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人應(yīng)用的基本要求是可以迅速、準(zhǔn)確的定位茶葉,并進行有選擇的采摘?;谏鲜鲆?,機器人必須具備一定的工作自由度。該機器人的工作原理為:在攝相機1與投影儀4共同構(gòu)成新梢識別定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,由攝相機1將茶葉冠層圖像拍下來,之后通過顏色特征區(qū)分老葉與新梢,并確定新梢的平面坐標(biāo);投影儀4與攝相機1分別進行圖像的投射、攝取,并經(jīng)由處理調(diào)制過的圖像,獲取新梢高度坐標(biāo);將高度坐標(biāo)與平面坐標(biāo)結(jié)合起來,就可以獲取新梢的空間坐標(biāo),將其傳至控制系統(tǒng),就能夠利用電機實現(xiàn)并聯(lián)機構(gòu)的運動控制;最后,準(zhǔn)確定位執(zhí)行器,就能夠?qū)崿F(xiàn)高效的茶葉采摘。結(jié)構(gòu)方案見圖1。
3.2機器人總體結(jié)構(gòu)
名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人由五部分構(gòu)成:1、靜平臺。2、動平臺。3、驅(qū)動臂。4、執(zhí)行臂。5、執(zhí)行器。靜平臺位于行走機構(gòu)上,能夠起到減少轉(zhuǎn)動慣量的作用。動平臺的主要功能在于安裝執(zhí)行器,因此,可以說,動平臺是實現(xiàn)名優(yōu)茶自動化采摘的重要影響因素。驅(qū)動臂與執(zhí)行臂的功能主要在于傳遞運動,使執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)運動。執(zhí)行器被四個球鉸聯(lián)接起來,具有平行四邊形的運行特點。機器人總體結(jié)構(gòu)見圖2。
圖1 名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人結(jié)構(gòu)方案
圖2 名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人總體結(jié)構(gòu)
3.3并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計
并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點有很多,包括剛度大、承載力強等,且不會產(chǎn)生累計誤差。并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計時,可將驅(qū)動裝置設(shè)置在靜平臺上,同時,為了減小慣量、降低機構(gòu)質(zhì)量,可以將執(zhí)行臂設(shè)計為輕質(zhì)桿件。這樣做還有利于保證執(zhí)行器運動的速度、為物料的抓取以及搬運提供便利。因此,從理論上來講,這樣設(shè)計的并聯(lián)機器人是能夠滿足采茶的基本要求的。
在設(shè)計的過程中,應(yīng)確保滿足這些條件:一、并聯(lián)機構(gòu)必須能夠滿足x、y、z三自由度移動要求,保障準(zhǔn)確定位以及有選擇采摘的實現(xiàn)。二、動平臺、靜平臺都應(yīng)確保剛度能夠承載執(zhí)行器而不會變形。三、機構(gòu)在采摘過程中的運動空間必須足夠。
并聯(lián)結(jié)構(gòu)由動平臺利用四條單鏈連接到靜平臺上;單鏈包含執(zhí)行臂與驅(qū)動臂,且執(zhí)行臂為平行四邊形機構(gòu);利用轉(zhuǎn)動副將驅(qū)動臂安裝在驅(qū)動器上,驅(qū)動器位于靜平臺上;執(zhí)行臂包含2個桿件、4個球鉸,且一端與驅(qū)動器連接,另一端與動平臺連接。
3.4平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計
靜平臺的功能是承載驅(qū)動裝置,因此,靜平臺的尺寸與驅(qū)動裝置密切相關(guān)。驅(qū)動裝置中包含四部分:一、電機。二、驅(qū)動器。三、編碼器。四、減速器。計算靜平臺尺寸時,應(yīng)先選定驅(qū)動電機以及其他裝置。結(jié)構(gòu)中可以使用直流伺服電機,其具有原理簡單、價格低廉等顯著優(yōu)勢,應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。面板的主要功能是承載控制系統(tǒng),設(shè)計過程中必須重視保障面板的尺寸足夠容納電機座與控制系統(tǒng)。為了防止電機座出現(xiàn)變形,最好使用折彎件。
3.5末端執(zhí)行器設(shè)計
茶葉采摘是末端執(zhí)行器的基本功能。在實際的茶葉采摘中,執(zhí)行器的運行需要并聯(lián)機的驅(qū)動?;诖耍疚脑O(shè)計的執(zhí)行器必須確保滿足這些條件:一、電機1帶動絲杠4運動,并利用絲杠帶動夾子3、夾子5的運動,實現(xiàn)采摘操作。二、必須設(shè)計導(dǎo)桿,防止出現(xiàn)絲杠旋轉(zhuǎn)問題,實現(xiàn)有選擇的茶葉采摘。
圖3 執(zhí)行器設(shè)計
絲杠能夠在機構(gòu)間傳遞能量以及運動形式,轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運動和直線運動。本文利用絲杠傳遞運動,設(shè)計時必須滿足的要求有:首先,其要能夠適應(yīng)高效采摘的基本要求,因此,絲杠應(yīng)為雙邊反向螺紋,確保能夠由電機帶動夾子運動;其次,要想保證采摘茶葉的完整性,絲杠行程必須要足夠,結(jié)合名優(yōu)茶新梢長度與寬度,本文將絲杠單邊行程設(shè)計為40mm;最后,要想保證夾持裝置的運行順利,避免出現(xiàn)刀片重疊過大的問題,應(yīng)在絲杠間設(shè)計尺寸為35mm凸臺限位。另外,在凸臺限位安裝的過程中,為了避免以后使用中出現(xiàn)零件磨損問題,應(yīng)注意使用彈性墊片;在該項設(shè)計中,電機是絲杠運動與夾子張合的驅(qū)動,因此,必須為電機和滾動軸承留出安裝位置、運動空間。結(jié)合上述分析,本文最終將絲杠長度設(shè)計為164mm。
工作空間設(shè)計是名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人設(shè)計的重要環(huán)節(jié),設(shè)計的是否合理,關(guān)系到機器人的性能以及使用效果,因此,必須慎重對待。在設(shè)計環(huán)節(jié)中,工作空間設(shè)計必須經(jīng)過科學(xué)的分析。在某種程度上來講,機器人尺寸取決于其工作空間,所謂機器人的工作空間,一般指的是執(zhí)行器可到達(dá)的點的集合,但是,空間求解相當(dāng)復(fù)雜,由于篇幅有限,本文在此不作詳述。當(dāng)前,確定機器人工作空間的方法主要有數(shù)值法與解析法兩種。機構(gòu)比較簡單的可用解析式,復(fù)雜的只能用數(shù)值法。本文將兩種方法綜合使用,對名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人的工作空間設(shè)計進行了簡要闡述。
一般來講,影響機器人工作空間的因素主要包括:一、驅(qū)動副轉(zhuǎn)角。二、機構(gòu)。三、奇異位置。上述三項因素均會對其工作空間形成約束。驅(qū)動副轉(zhuǎn)角需滿足的條件為q1min<qi1<q1max,機構(gòu)則要保證q2min<qi2<q2max、q3min<qi3<q3ma(x其中,i=1、2、3、4)。依照機構(gòu)運動特性,Delta并聯(lián)機構(gòu)工作空間為單鏈可達(dá)區(qū)域。因此,并聯(lián)機器人工作空間內(nèi)的點應(yīng)滿足的條件為△i≥0,且qmin≤qi≤qma(x其中,i=1、2、3、4)。
為了確保茶葉的經(jīng)濟價值,在名優(yōu)茶采摘過程中,必須盡量保障茶葉勻整。名優(yōu)茶采摘具有時間緊、任務(wù)重的特點,傳統(tǒng)的手工采摘模式很顯然與新時期的采摘要求不相適應(yīng)。采茶機能夠在一定程度上起到提高采摘效率的作用,但是采摘效果無法保障,與實際要求相去甚遠(yuǎn)。因此,合理利用并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)勢,設(shè)計名優(yōu)茶并聯(lián)采摘機器人對于推動我國茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分積極的意義。
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作者簡介:王會麗(1980-),女,河南禹州人,本科,講師,研究方向:工業(yè)設(shè)計。