丝瓜采摘机器人的设计

    马骏驰?王鑫?杨洁?杨菲?周朝进?周海燕

    摘 要：为了降低丝瓜采摘的人力成本，本文设计一种大棚丝瓜采摘机器人，以实现大棚丝瓜采摘自动化，根据采摘环境特点和工作方式要求，给出丝瓜采摘机器人的总体结构设计，并且对关键的机械臂进行设计说明。

    关键词：丝瓜采摘机器人;机械臂结构

    0 引言

    由于中国社会经济结构和人口结构的转变，从事农业活动的人越来越少，从当前来看，果蔬采摘作业是农业生产中最耗时、最费力的一个环节，[1]属于劳动密集型的工作，急需实现果蔬自动化采摘以提高劳动效率。现设计一种大棚丝瓜采摘机器人，实现大棚丝瓜的自动化采摘。本论文所研制的丝瓜采摘机器人采取圆柱形坐标的结构形式，结构简单，运动控制简便，坐标计算容易，定位精度高。[2]同时采用伺服电机驱动，可控速度范围大，能源易得，精度高。采用两根THK公司生产的标准件引动器作为机械臂，增加传动精度，减小机器人质量，同时方便后续的机器人维修和零部件更换，提高采摘效率。[3]

    1 采摘机器人工作方式与目标要求分析

    机器人工作时移动平台移动到丝瓜种植区前方，水平引动器向后移动到最大位置，两台工业摄像机拍照并将照片传回单片机，单片机通过分析这两张图片，确定图片内所有丝瓜的位置坐标，然后控制机器人作业。作业时，通过移动平台内伺服电机的转动带动支撑台转动，将两根引动器转动到与被采摘丝瓜同一平面内的位置。与此同时，垂直引动器工作，将水平引动器移动到距离丝瓜顶部3cm处。之后，水平引动器开始工作，在电机的驱动下，水平引动器向丝瓜所在的位置伸出，直到丝瓜位于末端执行器的机械手开口中心。末端执行器上方的切割刀片在工作时，刀片处于复位状态（即切割刀片与水平引动器垂直，且刀口的朝向背向丝瓜）。在水平引动器到达指定坐标后，机械手抓合丝瓜，待丝瓜抓稳后，切割刀片工作，在直流电机的驱动下，刀片旋转270°，将丝瓜藤切断，此后回到复位状态。之后，水平引动器收回。支撑台旋转适当的角度并伴随垂直引动器的调整，将机械手中的丝瓜移至箩筐正上方，然后机械手松开丝瓜使其落入箩筐，这样一次丝瓜采摘就完成了。然后支撑台旋转伴随机械臂的调整，开始第二次采摘。在将照片中的丝瓜全部采摘完成后，引动器回到初始状态，移动平台向前移动到采摘区域，然后拍照分析进行下一次采摘。

    采摘作业环境特点：本次课题所研究的丝瓜采摘机器人采摘的丝瓜种植于农田大棚中，之所以应用于该环境，是因为农田大棚的丝瓜种植利用春提早丝瓜栽培技术，可以做到早结瓜、早上市，增加丝瓜的产量和收益。而此次研究的采摘机器人正是用于该环境下进行丝瓜的采摘。大棚里的作物通常采用畦作栽培，丝瓜也不例外，通常情况下畦沟的宽度为80cm，两畦之间的宽度为125cm，种植时丝瓜种植在畦沟内两侧，两个丝瓜藤之间的横向距离为40cm，对称种植，其中圆圈代表丝瓜的种植地点。

    2 丝瓜采摘机器人的总体结构设计

    根据上述问题，本论文设计出了3自由度的采摘机器人，该机器人与目前市场上所出现的采摘机器人相比，优点在于采用圆柱形坐标的结构形式，结构简单，运动控制简便，坐标计算容易，定位精度高。基于双目视觉系统的图片分析能够通过分析丝瓜的形状，提高采摘精度，实现智能采摘。在机械臂的传动方面，采用最新型的谐波齿轮减速器，降低工作噪音，提高传动精度，增大工作转矩。[4]采用两根THK公司生产的标准件引动器作为机械臂，增加了传动精度。此外，设计了一种新型的柔性末端执行器，最大限度地减少了丝瓜采摘过程中对丝瓜果实的伤害，提高了采摘效率。

    2.1 机械臂设计

    机械臂的设计是采摘机器人设计的重点，也是机器人工作的核心所在。现代大部分农业机器人所使用的机械臂都是在市场上购买的工业机械臂，机械臂的结构形式及自由度的选择对末端执行器运动精度及灵活性都会产生很大的影响，对采摘作业的农业机器人来讲，机械臂必须满足结构简单、运动灵活等条件。[5]

    本次机械臂设计的目的主要是满足末端执行器的定位需要，能够使末端执行器在指定位置采摘丝瓜。因此，设计之初首先需要考虑分配好采摘机器人的自由度。实际考查中，我们发现3自由度的机器人就可以满足丝瓜的采摘需要。因此为了避免自由度的冗余、增加生产成本，本课题选择3自由度的机械臂来开展设计。

    对机械臂长度的设计则需考虑丝瓜采摘机器人具体的采摘环境。本课题所研究的机器人是应用于大棚里的丝瓜采摘，丝瓜平均生长的高度为1.4～1.6m，而移动平台的高度为0.41m，支撑座高度为0.105m，因此垂直使用的机械臂的高度大约需要1.1m。

    机械臂共有两个自由度，也就是X轴和Y轴的移动自由度。这两个自由度的运动实现本设计考虑依然采用交流伺服电机来驱动，主要是考虑到交流伺服电机质量小、精度高、易于控制的特点，虽然输出转矩较小，但能满足这两个直线自由度的实现。机械臂考虑采用丝杠螺母传动的方式来实现传动。[6]丝杠螺母传动的精度高，易于实现，工作寿命长，而且已经标准化。综合以上要求，本设计考虑选择日本THK公司生产的引动器。

    载重方面，水平引动器的载重肯定小于垂直引动器，因此只需估算垂直引动器的载重。由于不同型号引动器的质量相差很大，所以我们尽量往较大数据估计，为40kg，伺服电机选择为安川400w的伺服电机，输入完成过后THK给出的结果是只有KR55和KR65型，考虑到质量轻化优先，选择KR55系列的引动器。这样机械臂就确定下来，共同組成机器人本体。为了使机械臂能够稳定可靠地平衡倾覆力矩，采用加强筋的设计来辅助平衡。

    2.2 移动平台的设计

    根据采摘作业环境特点，综合考虑机械臂在移动平台上的稳定性和畦沟的宽度，选择移动平台的宽度为76cm，其中车身的宽度为40cm，车轮的宽度为12cm，因此履带的宽度为12cm。一般丝瓜的生长高度在1.4～1.6m，因此初选车身的高度为30cm，移动平台整体的高度为40cm，车轮的直径为35cm。为了使果蔬采摘机器人结构简单、传动精确，同时减小质量，设计采用谐波齿轮减速器来控制整个机器人的转动。因此需要在移动小车内部放置交流伺服电机，这样能够降低车身重量。在小车内部安装伺服电机，则需考虑装配该机器人的方便性和可行性。在小车车身处，以完全贯穿的形式设计了一个长为25cm、宽为17cm的矩形安装区域，将电机和减速器安置于其中，这样便于安转和后期维修。考虑到采摘完成后需要收集丝瓜，因此在车身设计两个箩筐安装区域，机械臂在采集完成后，可将丝瓜放在箩筐内，提高工作效率。综合考虑上述情况后，笔者将车身的长度设计为90cm，便于丝瓜机器人后续设计工作的开展。

    3 结语

    本文针对丝瓜采摘过程中的问题以及采摘作业需求，通过分析果蔬采摘机器人的作业环境特点，对机器人的主要关节机械臂和移动平台进行设计，使机器人满足对丝瓜采摘的要求。

    参考文献：

    [1] 林龙贤.果蔬采摘欠驱动机械手爪研究[D].浙江大学，2013.

    [2] 方建军.移动式采摘机器人研究现状与进展[J].农业工程学报，2004（02）：273-278.

    [3] 顾宝兴.智能移动式水果采摘机器人系统的研究[D].南京农业大学，2012.

    [4] 刘江.谐波齿轮减速器可靠性优化设计及传动精度分析[D].电子科技大学，2012.

    [5] 王儒敬，孙丙宇.农业机器人的发展现状及展望[J].中国科学院院刊，2015，30（06）：803-809.

    [6] 张新.一种新型码垛装置的开发及其关键技术[D].天津大学，2013.

    作者简介：马骏驰（1998—），男，江苏扬州人，本科在读，研究方向：机器人。