摘要：水果采摘費用高且勞動量大，為了快速且準確完成蘋果采摘任務(wù)，需要進行水果采摘機械人結(jié)構(gòu)設(shè)計。首先進行采摘機械機構(gòu)選型，確定合適自由度;其次，依據(jù)典型果樹輪廓確定采摘臂結(jié)構(gòu)尺寸，繪制采摘機械手臂零件圖和裝配圖;最后，搭建采摘機械人結(jié)構(gòu)試驗臺，進行實體運動和抓取實驗對設(shè)計效果進行驗證。

關(guān)鍵詞：六軸;采摘機械手臂;結(jié)構(gòu)設(shè)計

采摘機器人手臂的控制問題是當(dāng)今農(nóng)業(yè)控制領(lǐng)域的研究熱點。針對果實在樹上分布范圍廣、位置隨機、自動識別受枝葉遮擋影響的特點，美國、荷蘭、日本等進行了較深入的研究，但機器人采摘作業(yè)受環(huán)境影響可靠性較低的問題仍未得到很好的解決，且機械手臂穩(wěn)定性較低，易出現(xiàn)采摘率低，樹枝、果實損傷等問題。我國在果疏采摘機器人方面也有研究， 其研究成果已在草莓和番茄收獲機器人上得到初步應(yīng)用，而對于既包含大范圍整體運動， 又包含小范圍振動的蘋果采摘機器人手臂系統(tǒng)，國內(nèi)外少有文獻報道，僅分析了環(huán)境變量對蘋果機械手臂位置控制的影響。機械手臂在采摘過程中的穩(wěn)定性問題，是當(dāng)前亟待解決的難點。

1、系統(tǒng)簡介

本研究設(shè)計的蘋果采摘機器人手臂硬件系統(tǒng)，主要由機器人手臂本體、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及外圍電路組成如圖1所示。其中機器人手臂本體由上臂、前臂、手和肩、肘、腕各關(guān)節(jié)驅(qū)動器及其電機構(gòu)成;控制系統(tǒng)的核心器件采用深圳固高公司生產(chǎn)的GT-400-SV-PCI運動控制器和I/O端子板，是主機和機器人手臂本體之間聯(lián)系的橋梁;檢測系統(tǒng)以及外圍電路主要由增量式編碼器和限位開關(guān)組成。[1]

2、機械人機構(gòu)選型及自由度的確定

由于采摘機械人的作業(yè)對象是蘋果，質(zhì)量輕，體積小，故而可選擇較為簡單、靈活、緊湊的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)機械人手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可將機械人手臂部分分為以下四類：直角坐標型機械手;圓柱坐標型機械手;球坐標（極坐標）型機械手;多關(guān)節(jié)型機械手。采摘機械臂的結(jié)構(gòu)型式選取主要取決于機械人的活動范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制難易等要求。以上四種型式，它們的活動范圍和靈活度逐漸增大。經(jīng)過對蘋果采摘空間的研究，結(jié)果表明，蘋果樹樹冠和底部的蘋果分布極少，大多分布在樹冠中部，大約有80%以上的蘋果分布在距地面垂直高度 1-2m、距樹干左右方向1-2m的空間范圍內(nèi)，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。[2]這就要求采摘機械手應(yīng)當(dāng)具有較大的工作空間，因此選用多關(guān)節(jié)型機械手較為合適，且其占地面積較小，更加適合蘋果采摘作業(yè)。

3、采摘機械臂工作原理

圖2是本次設(shè)計的球類水果采摘機械人的結(jié)構(gòu)簡圖。該結(jié)構(gòu)為六自由度機構(gòu)，可劃分為底座、大臂、小臂、腕部和手五個部分。[3]機械臂的底座通過舵機帶動傳動系統(tǒng)實現(xiàn)各個部分之間的相對轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)。其中的各個轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)均是通過電機驅(qū)動螺旋絲桿來實現(xiàn)。該設(shè)計機械臂的傳動如下：（1）底座旋轉(zhuǎn)。確定與底座平面互相垂直的目標采摘物所在的平面。（2）大臂轉(zhuǎn)動。移動至目標采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉(zhuǎn)動。將采摘機械手送至目標采摘物的附近。（4）手腕轉(zhuǎn)動及旋轉(zhuǎn)。調(diào)整機械手末端采摘機構(gòu)的姿態(tài)，使其處于一個合適的位置，保證采摘任務(wù)能夠合理完成。（5）手夾緊放松，完成對目標采摘物的采摘任務(wù)。此外，將末端執(zhí)行器設(shè)計為關(guān)節(jié)型的兩只手指，通過舵機、齒輪的嚙合及連桿機構(gòu)實現(xiàn)對目標采摘物的夾緊與放松。

由以上分析得出：機械手的空間位姿由各個關(guān)節(jié)的空間坐標來決定，即當(dāng)機械手的各個舵機的坐標確定的時候，就可以確定機械手的空間位姿。而決定舵機坐標的因素就是臂長及臂的轉(zhuǎn)動角度，而在這兩個參數(shù)中，設(shè)計結(jié)束后臂長是確定的常量，角度為變量。在模型當(dāng)中，舵機1、2 的相對位置固定不變，控制末端執(zhí)行器的舵機 6 用來調(diào)整手的姿態(tài)，因此可以先忽略舵機 1、6，將舵機2軸線中心的位置設(shè)為坐標系原點。

4、結(jié)束語

本研究應(yīng)用拉格朗日方程建立了蘋果機器人手臂動力學(xué)模型，將蘋果采摘機器人手臂的整個運動空間劃分為伸展區(qū)和采摘區(qū)。為保證蘋果機器人手臂在伸展過程中能量不斷增加，提出了一種基于能量的伸展控制策略，有效地解決了機器人手臂到達采摘區(qū)的穩(wěn)定性控制問題。計算機模擬結(jié)果表明：利用 LQ R 控制策略使得機器人手臂的大臂、前臂和機械手在采摘區(qū)達到穩(wěn)定的時間 ≤2 s，驗證了該控制策略的有效性。進一步，還需在理論上針對該系統(tǒng)的魯棒性能進行分析研究，以確?？刂撇呗缘目煽啃浴?/p>

參考文獻：

[1] 湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述[J].機器人，2005.

[2] 鐘寧帆，孫敏慧， 鄒云.奇異攝動系統(tǒng)的 H ∞控制：基于奇異系統(tǒng)的方法[J] .控制理論與應(yīng)用， 2007.

[3] 鄒湘軍，金雙，陳燕，等.基于Modelica的采摘機械手運動控制與建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009.

作者簡介：夏明（1996.05-），山東交通學(xué)院本科學(xué)生，指導(dǎo)老師：李光。