閆法領(lǐng)，史景飛，王大慶，高理富

（1.中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系，合肥 230027）

農(nóng)作物表型快速檢測移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)及其主梁有限元分析

閆法領(lǐng)1,2，史景飛1,2，王大慶1,2，高理富1

（1.中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系，合肥 230027）

針對育種領(lǐng)域?qū)r(nóng)作物表型快速檢測移動(dòng)機(jī)器人的迫切需求，介紹了一種育種表型快速檢測移動(dòng)機(jī)器人的主要系統(tǒng)構(gòu)成。通過三維移動(dòng)平臺重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了移動(dòng)平臺的重復(fù)定位性能，并給出了主梁的有限元分析，驗(yàn)證了主梁設(shè)計(jì)的合理性，為機(jī)載設(shè)備快速檢測農(nóng)作物的表型特征參數(shù)提供移動(dòng)作業(yè)平臺，解決快速采集大量農(nóng)作物表型參數(shù)所需的移動(dòng)平臺問題。

快速檢測；三維移動(dòng)平臺；重復(fù)定位精度；有限元分析

0 引言

農(nóng)作物表型檢測是育種過程中的一項(xiàng)重要任務(wù)，主要檢測農(nóng)作物的表型特征參數(shù)，如農(nóng)作物株型、株高、葉綠素及其成分含量等，具有采樣點(diǎn)數(shù)多、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。目前的檢測方式主要是人工完成，工作效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大[1]。由于農(nóng)作物生長具有季節(jié)性，致使人工檢測的數(shù)據(jù)偏少，不能全面反映農(nóng)作物表型的總體水平，給育種專家全面掌握種子的性能造成了困難，因此植物表型自動(dòng)檢測技術(shù)在農(nóng)業(yè)研究和作物育種的過程中將發(fā)揮重要作用[2]。

農(nóng)作物表型快速檢測移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)就是利用機(jī)器人技術(shù)，為農(nóng)作物表型參數(shù)檢測儀器提供移動(dòng)作業(yè)平臺，解決快速檢測的平臺問題，這也是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重要發(fā)展趨勢[3]。本文介紹了育種表型快速檢測移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成，分析了主梁的有限元特性，并通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

1 農(nóng)作物表型快速檢測移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)介紹

1.1 總體結(jié)構(gòu)

表型快速檢測移動(dòng)機(jī)器人本體由大范圍三維移動(dòng)平臺和數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)兩部分組成。大范圍三維移動(dòng)平臺主要包括門架、升降移動(dòng)平臺、運(yùn)行機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)等四個(gè)主要部分，數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)主要由六自由度操作機(jī)器人和攝像機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 表型快速檢測移動(dòng)機(jī)器人本體

1.2 工作原理

當(dāng)育種專家需要獲取表型特征參數(shù)時(shí)，若這些參數(shù)是非接觸式（如農(nóng)作物株高、株型、病蟲害情況等）獲取，只需將所需儀器掛載在移動(dòng)平臺上，將移動(dòng)平臺移動(dòng)至所需檢測農(nóng)作物上方，然后通過對農(nóng)作物株高、株型檢測儀、病蟲害檢測儀的讀取，即可獲得所需參數(shù)，若所需檢測參數(shù)是接觸式的（如農(nóng)作物葉綠素含量、光合作用情況等），此時(shí)需要通過安裝在六自由度機(jī)器人上的攝像頭，對農(nóng)作物的葉片先進(jìn)行定位，然后再通過機(jī)械臂上的末端夾持器進(jìn)行采樣，然后再檢測，獲取所需參數(shù)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)安徽龍亢農(nóng)場育種用地的實(shí)際情況和基金設(shè)計(jì)任務(wù)要求，大范圍三維移動(dòng)平臺采用門式結(jié)構(gòu)，分段式設(shè)計(jì)，尺寸為20m*30m，移動(dòng)平臺具有200Kg負(fù)載能力，可以搭載多種檢測設(shè)備（多光譜成像儀、葉綠素檢測儀，病蟲害檢測儀等），其控制系統(tǒng)具有手工和自動(dòng)行走兩種工作模式，有良好的用戶操作接口。設(shè)計(jì)性能參數(shù)及指標(biāo)如表1所示。

表1 大范圍三維移動(dòng)平臺設(shè)計(jì)參數(shù)

2 主要工作部件

2.1 升降移動(dòng)平臺

升降移動(dòng)平臺的作用是將檢測儀器定位到感興趣的檢測點(diǎn)，可以精確定位到指定的位置坐標(biāo)。移動(dòng)平臺上面裝有小車運(yùn)行機(jī)構(gòu),可沿主梁行走，也可進(jìn)行上下移動(dòng)，升降移動(dòng)平臺的末端是一安裝平臺，在平臺上可以安裝用以進(jìn)行農(nóng)作物表型快速檢測的各種儀器以及機(jī)械臂，用以進(jìn)行植物表型參數(shù)的快速檢測。

2.2 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的作用是使升降系統(tǒng)整體沿軌道運(yùn)行。其由電機(jī)、減速器、制動(dòng)器、聯(lián)軸器和車輪組組成，車輪組在門機(jī)兩側(cè)對稱布置。大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用“三合一”驅(qū)動(dòng)裝置，電機(jī)、制動(dòng)器和減速器作成一體。

2.3 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)控制電機(jī)按照預(yù)期目標(biāo)運(yùn)行，設(shè)有短路、失壓、過流等安全保護(hù)裝置。系統(tǒng)運(yùn)行、起升機(jī)構(gòu)均裝有行程限位開關(guān)，以限制各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行程。當(dāng)限位開關(guān)斷開后，相應(yīng)的電路被切斷，機(jī)構(gòu)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。兩次接通電源時(shí)，機(jī)構(gòu)只能向相反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保障了安全。

2.4 六自由度操作機(jī)器人

本實(shí)驗(yàn)所使用的六自由度操作機(jī)器人系埃夫特智能裝備有限公司的ER6C60的通用型6R工業(yè)機(jī)器人。前三個(gè)關(guān)節(jié)確定手腕的位置，后三個(gè)關(guān)節(jié)確定手腕的方位。通過上位機(jī)將攝像頭獲得葉片的位置信息發(fā)送給機(jī)械臂控制器，然后機(jī)械臂通過末端夾持器，進(jìn)行農(nóng)作物的快速取樣與檢測。

3 大范圍三維移動(dòng)平臺重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)

由于本實(shí)驗(yàn)平臺主要用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中農(nóng)作物表型快速檢測，而對于同一顆植物的采樣，需要在不同時(shí)間進(jìn)行多次采樣，因此能夠準(zhǔn)確、快速找到需要重復(fù)采樣的植物，對于實(shí)驗(yàn)，有著很重要的作用。其中六自由度機(jī)械臂的重復(fù)定位精度是0.02mm，移動(dòng)平臺誤差主要來源于三維移動(dòng)平臺，因此我們實(shí)驗(yàn)所做的重復(fù)定位精度主要做的是大范圍三維移動(dòng)平臺的重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們移動(dòng)平臺沿x，y，z軸各運(yùn)行2000mm，3000mm，1000mm。每組數(shù)據(jù)采樣5次。

?

理論運(yùn)行距離（m m）實(shí)際測量距離（m m）3 0 0 0 2 9 8 9 3 0 0 0 3 0 1 8 3 0 0 0 3 0 2 3 3 0 0 0 2 9 8 5 3 0 0 0 3 0 1 1沿y軸重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)

理論運(yùn)行距離（mm）實(shí)際測量距離（mm）1500 1512 1500 1488 1500 1513 1500 1509 1500 1490沿z軸重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)

由重復(fù)定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在x，y，z，三方向上，最大移動(dòng)誤差為32mm，在我們設(shè)計(jì)表型參數(shù)快速檢測定位機(jī)構(gòu)時(shí)，要求其粗定位精度小于40mm，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明滿足設(shè)計(jì)要求。

4 主梁設(shè)計(jì)合理性的有限元驗(yàn)證

4.1 主梁三維模型的建立

根據(jù)主梁的設(shè)計(jì)圖紙，采用pro/e建立三維模型。其中主梁各板材之間連接均為焊接。材料為Q235B，其楊氏模量2.1 e11，泊松比0.3。

圖2 主梁三維模型圖

4.2 主梁工況分析

主梁在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，應(yīng)選取梁在實(shí)際工況中有可能面臨最不利的工況，來分析各結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)力, 以檢驗(yàn)主梁的剛度和強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求[4,5]。主梁由于是兩端固定，其最壞工況就是當(dāng)升降平臺運(yùn)行到梁的跨中位[6]置且負(fù)載最大時(shí)，此時(shí)主梁變形與受力最大。因此本文選用當(dāng)運(yùn)行平臺在梁的跨中時(shí)進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。

主梁設(shè)計(jì)參考鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[7]，根據(jù)結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計(jì)規(guī)范，主梁垂直靜撓度f與主梁跨度L間的關(guān)系為：

4.3 主梁的有限元分析

有限元分析采用ANSYS workbench進(jìn)行，Workbench 利用ANSYS 計(jì)算內(nèi)核，具有裝配體自動(dòng)分析、自動(dòng)網(wǎng)格劃分、快捷的參數(shù)優(yōu)化工具，為設(shè)計(jì)者提供了極大的便利[8]。

首先進(jìn)行主梁的網(wǎng)格劃分，采用自動(dòng)劃分法對裝配體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。自動(dòng)劃分法就是自動(dòng)設(shè)置四面體或掃掠網(wǎng)格劃分，如果幾何體不能被掃掠，程序自動(dòng)生成四面體，反之則產(chǎn)生六面體[9]。網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接影響著分析的結(jié)果，節(jié)點(diǎn)30464個(gè)，基本單元15992個(gè)。

圖3 主梁網(wǎng)格劃分圖

完成主梁的邊界條件設(shè)置，力施加后，對主梁進(jìn)行靜力分析。梁為有限元分析的主體，因此在后處理過程中只顯示主梁的變形和應(yīng)力云圖這樣能夠簡化分析結(jié)果，突出重點(diǎn)[10]。主梁的變形圖如圖4所示，應(yīng)力圖如圖5所示。

圖4 主梁應(yīng)變形圖

由圖可知，撓度最大處于跨中處，此時(shí)主梁撓度大約為2.4311mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)范的12.5mm，因此完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 主梁應(yīng)力圖

由應(yīng)力圖，可以看出，梁所受最大應(yīng)力約52.524MPa，小于Q235B鋼的屈服極限應(yīng)力235MPa，完全符合設(shè)計(jì)要求。

這里撓度和應(yīng)力都有較大的安全余量，主要是因?yàn)槲覀冊谶M(jìn)行主梁設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到移動(dòng)平臺主要用于實(shí)驗(yàn)，在以后的試驗(yàn)中可能會(huì)采用別的升降方式，使主梁受到更大的力，因此在主梁設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留了很大的安全余量。

5 結(jié)論

本文介紹了我們研制的育種表型快速檢測移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)的研制是為了滿足育種過程中農(nóng)作物表型快速檢測的需求，解決快速采集大量農(nóng)作物表型參數(shù)的自動(dòng)化平臺問題。在系統(tǒng)介紹的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)和有限元分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

[1] 段凌鳳,楊萬能.水稻表型組學(xué)研究概況和展望[J].生命科學(xué),2016,28(10):1129-1137.

[2] 方偉,馮慧,楊萬能,劉謙,表型檢測中用于小麥株型研究的快速三維重建方 法[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2016,18(2):95-101.

[3] 李玉林,崔振德,張園,李明福,羅文楊,葛暢,中國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀[J].熱帶農(nóng)業(yè)工程,2014,38(4):30-33.

[4] 王偉璋,起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)加勁薄板承載能力的試驗(yàn)研究與仿真分析[D].上海:上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,2005.

[5] 周平槐,大跨度箱形變截面鋼拱結(jié)構(gòu)的受力性能研究[D].杭州:浙江大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,2005.

[6] 劉金萍,龍門吊結(jié)構(gòu)有限元分析[J].山西電子技術(shù),2014,6;18-19.

[7] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》編制組, 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用講解[M].北京:中國計(jì)劃出版社,2003.

[8] 查太東,楊萍,基于ANSYS Workbench 的固定支架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械2012,33(2):28-30.

[9] 張海波,張瑞軍,常影.基于ANSYS的汽車懸架控制臂有限元分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014,3:151-155.

[10] 周孜亮,王貴飛,叢明.基于ANSYS Workbench 的主軸箱有限元分析及優(yōu) 化設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014,3:17-20.

A robot system for crop phenotype detection and the analysis of the main beam

YAN Fa-ling1,2, SHI Jing-fei1,2, WANG Da-qing1,2, GAO Li-fu1

TP242.2

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：1009-0134(2017)08-0067-04

2017-06-20

高通量育種作物本體與環(huán)境快速檢測裝置（Y622A21291）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)基金（XDA08040109）；安徽省對外科技合作項(xiàng)目（1503062026）

閆法領(lǐng)（1989 -），男，安徽阜陽人，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人。