茄子采摘机器人末端执行器的设计

茄子采摘机器人末端执行器的设计

0竹子采摘末端执行器的研究在茄子的生产过程中，收获和收获是整个过程中最艰难的环节，占所有工作能力的50%70%。为了保证产品的质量,必须做到适时采摘,这是整个作业中最辛苦的工作。与此同时,采摘作业的好坏直接影响到收获茄子的质量、储存和后续加工,从而最终影响到茄子的市场价格和菜农的最终收益。如何以低成本获得高品质的产品,是茄子采摘生产环节中必须重视和考虑的问题。自动化收获无疑可以解决现有问题。由于采摘作业的复杂性,茄子采摘的自动化程度仍旧较低,目前国内外的茄子基本上是手工作业。随人口老龄化和农业劳动力的减少,农业生产成本也会相应提高,对于一些人力资源匮乏的国家(如日本)来说,能够实现茄子的自动采摘尤其必要。因此,这些国家先后进行了茄子采摘机器人的研究。伴随着茄子采摘机器人的研究发展,末端执行器的发展也越来越受关注。对于茄子自动收获而言,一个能够仿效人手的采摘末端执行器是必不可少的。现有的末端执行器主要是单夹持连带割刀式,一般采用气动手爪或电磁铁作为动力装置。此种末端夹持方式单一,夹持范围固定,并由于快速的夹持容易导致损伤果实,而且需要额外的动力进行切割。日本近年来研究了一种带吸盘、夹持手指和割刀的末端执行器,可靠性高,但机构极其复杂。为了在二者之间获得平衡,笔者研究了一种介于二者之间的末端执行器。1组成和工作原则1.1主要工作部件末端执行器的结构如图1所示。该末端执行器的主要工作部件由锯齿轮盘切刀(2)、双向螺旋丝杠(4)、直流电机(8)和夹持手指(11)组成,完成夹持果实和切割果柄的主要任务。1.2双向螺旋丝杠4,在切刀支架的下设计一个中间刀架切割的方法,在使用下达到第三通道内,将下中固定由主控计算机进行视觉定位果实空间点,机械手带动末端执行器运动到抓取果实的位置。1)上位机控制信号传到下位机,根据控制信号启动末端执行器主控电机;2)电机驱动双向螺旋丝杠(4),带动螺母连接的夹持手指(11)动作,夹持茄子果实,夹住果实后,双向螺旋丝杠的螺母转到空螺纹处,夹持手指不再动作,保持现有位置不变;3)随着双向丝杠的螺母的运动,带动三角传动支架的后端相向运动,前端前进,从而带动切刀支架缓慢前进,进行茄子果梗切割;4)当刀架切割果梗后停留在固定位置,末端执行器“抓取”过程结束;5)机械手带末端执行器返回,末端执行器电机反转,执行“放开”程序,松开抓取的果实,果实落入收获筐中。2主要设备的设计总体设计思路是结构尽可能简单和紧凑,运动与操作上尽可能灵活和轻巧,便于控制且抓取可靠,切割完全,其主要部件设计如下。2.1末端执行器的特点该部分由电机、同步带副、蜗轮蜗杆副组成。实现抓取和切割的机构都由一个电机单独完成,节省动力源,变速装置实现切割速度较大,抓取速度较小。整个末端执行器采用一个动力源,即24V,15W直流电机。电机主轴直接带动传动比为1:2的两组同步带,从而使固连在刀架传动链末尾的传送带轮上的切刀转速获得增加,以高速度带动切刀进行切割;同时,电机轴上连有蜗轮和蜗杆进行减速,蜗轮与蜗杆的传动比为10:1,从而使固连在双向丝杆上的螺母相向运行。运动的结果达到两个效果:一是带动刀架前进切断茄子果实的果梗;二是以较低的速度进行夹持手指的缓慢对中行动,完成夹持动作。2.2双向丝杠夹持服务结构该部分由4根夹持手指(外包1cm厚的海绵的弧形钢丝,直径4mm,有形变的能力)、2个滑轨(每个导轨的一端固定在机械手本体上,另一端固定在夹持手指上)和双向丝杠(带螺母,两个螺母分别与夹持手指固定)组成,收获茄子的直径范围为3～6.5cm。其结构如图2所示。抓取部分机构的4根夹持手指(图2中仅能看见2个)两两相对,左面的两个连在同一滑轨上并与双向丝杆的左螺母固定;右面两个手指连在同一个滑轨上,并与双向丝杆的右螺母固定。左右两个滑轨相向而行,由电机带动双向丝杠实现。当进行“抓取”动作时,电机正向转动,双向丝杠的两个螺母沿相向方向运动,运动速度为电机转速的1/10。当螺母运动到夹持手指的所设定位置时,双向丝杆上中间部分无螺纹结构,夹持手指的预紧力刚好可以夹持到设定的最小的茄子果实,以后丝杆转动而螺母原地不动;当进行“松开”动作时,在连在两个螺母之间的回位弹簧张力的作用下,螺母向相反的两个方向运动,随双向丝杠的转动,螺母重新回到丝杠的螺纹上,沿螺纹向两边运动,松开夹持的果实。2.3支架的后端固定该部分主要由三角传动支架、刀架、刀架导向杆(内有导向槽)和锯齿轮盘切刀组成,如图3所示。三角传动支架的后端移动端固定在双向丝杠移动的螺母上,前端同刀架固定在一起。刀架的后端铰接在电机轴上,前端固定在三角传动支架上,随三角传动支架移动可沿导向杆前后往复运动。随着电机转动带动夹持动作的进行,双向螺母向中间运动,三角传动支架顶点前伸,带刀架在导向槽内前进,从而使得锯齿轮盘切刀前进,完成切割。3实验研究和结论3.1末端执行器试验研究设计预定可以采摘的茄子果梗长度在3cm以上,果实直径范围(以末端执行器所能抓取得部位为标准,即距离果实的顶端3cm处)为3～6.5cm,果实长度为20～35cm。为验证茄子采摘机器人末端执行器的功能实现状况,对此末端执行器整体机构进行了试验研究。实验地选在“北京市昌平都市绿洲蔬菜种植基地”,挑选蔬菜大棚内部边缘开阔地带,以此边缘垄作为茄子采摘目标垄,将茄子果实采摘机器人(前端装备本文所设计研制的末端执行器)放在茄子垄前面。识别和定位等功能由机器人主控装置完成,向末端执行器发送采摘动作信号,机械手运动到指定位置,末端执行器动作,采摘果实。采摘成功定义为:将果实抓取信号送到收获信号完成,果实带回到收获筐,无损伤;采摘失败定义为:未抓紧果实,或未切断果梗,或损伤果实。对3个垄的茄子进行作业,实验结果如表1所示。3.2切枝枝间破坏实验中共对69个茄子果实进行采摘,成功64个,失败5个。失败原因分析如下:1)1个由于直径比较小(2.6cm),回放时候茄子碰到植株上,造成果实从夹持手指中滑落;2)1个由于果实比较大,直径为6.9cm,造成夹持损伤;3)2个由于机器人视觉系统判断果梗位置有偏差,切割装置切在贴近果实的萼片上,导致果梗未切断,机械手回退的过程中果实脱落;4)1个果梗非常短,并弯曲生长,导致切刀未切到果实。此次实验的成功率为92.76%,夹持果实受力均匀,在设计采摘范围内的果实无损伤,切割过程较为迅速,切割痕迹较为平滑。3.3带海绵保护装置的操作1)采用单动力源,为末端执行器节省空间,使得末端执行器体积更小、质量更轻、机械手运动过程更均匀;2)缓慢夹持,采用带海绵保护装置的夹持手指来夹持果实,避免了