机器人末端执行器在球形果实采摘中的应用

机器人末端执行器在球形果实采摘中的应用

0应用新解决方案近年来，果树收获机器人逐渐成为农业机器人领域的热点。作为收获机器人的关键技术之一，世界上许多国家已经开发出相应的末端执行器，并取得了许多成果。同时,也共同面对诸多问题需要更好的解决方案,如在保证自动化采摘效率和成功率的同时降低成本和传感控制及驱动系统的复杂性,以推进采摘机器人的商业化和实用化进程;提高通用性,使一种末端执行器能采摘多种果实。本文基于以上问题考虑,提出了一种球状果实采摘机器人末端执行器,整体结构由Pro/E进行三维建模表达,利用ADAMS仿真软件对末端执行器采摘方案进行运动仿真分析,验证了方案的可行性。1基于小波原理的辅助采摘法实现果实的采摘,关键一步是要可靠快速无损伤完成果实与植株的分离,即将相应的果柄打断。完成此目标任务可以有以下几种方式:①抓牢果实后,模仿人采摘时手腕的掰拧动作将果柄拧断;②用微型电锯将果柄割断;③抓紧果实后,利用一定速度的刀片将果柄砍断;④判断果柄位置,利用剪刀将果柄剪断;⑤夹住果实后,用激光将果柄烧断。这几种方案中,其中第1种方案对于柔韧果柄和枝条的情况采摘成功率低;第2～5种方案对于打断果柄成功率高,但前提是首先要将目标果实抓牢,然后通过检测果柄相对于末端执行器的方位使刀片等能够准确将果柄打断;或者调整机械臂使末端执行器只能在特定采摘姿态下抓牢果实,保证果柄与末端执行器的相对方位确定,刀片等即可按既定动作将果柄打断。经过分析得出以下结论:一是无论以上哪种采摘方案,都需要抓牢果实,但果实因种类和成熟度不同其果皮的软硬程度也不同,所以要保证抓牢又要避免过程中出现松动或者挤碎果实的情况就要添加压力传感器,对抓取力进行控制,这样就增加了末端执行器的成本及控制系统的设计难度和复杂性。二是当抓牢后,检测果柄与末端执行器的方位也需要增加相应的视觉传感器或者位置传感器,同时刀片也要有足够的灵活度,能够根据果柄的不同相对方位去接近果柄将其打断,这样也增加了控制系统的复杂性和成本,会使得机械结构变得繁冗复杂。如果通过特定的姿态采摘水果,无疑降低了整体机器人的避障能力。所以本文提出的末端执行器的设计目标为:采摘过程果不需要抓牢果实,不需检测果柄位置,也不限定采摘姿态,同时保证结构紧凑简明,具有较高的采摘成功率和效率,具有良好的通用性。2端执行器结构基于前述的分析,确定设计目标后,基于Pro/E设计开发了一种球状果实采摘机器人末端执行器(如图1所示),该末端执行器主要由步进电机、双作用伸缩气缸、四指开合机构和弧形刀片等几大部分组成。其中,步进电机通过联轴器可带动其余部件与电机轴同步转动,为弧形刀片旋转切割果柄提供动力;双作用气缸由其活塞杆驱动四指开合机构动作,将目标果实包围,其中弧形刀片焊接于弧形四指内侧,并在刀片内侧粘有一定厚度的海绵层,防止采摘过程中果皮与刀片直接接触。2.1第四，开源代码实现2.1.1确定学习进行旋转切割的部位,实现旋转切割本末端执行器具有4个手指,从理论上讲,末端执行器的手指越多其抓牢果实的可靠性就越高。但本末端执行器的手指是将果实包围,而不是将果实抓牢,设计的4个手指可以保证其4指合拢后的球状包围空间稍大于果实尺寸,从而手指可以相对果实进行相对转动,实现对果柄的旋转切割打断,同时保证果实在放入收集装置之前不会从合拢的指缝中漏下。2.1.2形的嘴唇、架板的组成2.四指开合机构如图2所示。在设计的四指开合机构中,气缸活塞杆与顶拉板通过螺钉固联,顶拉板的4个方向上分别铰接弧形的手指。同时每一个手指的一端铰接连杆,每根连杆又分别铰接机架板,而机架板与气缸通过螺钉固联。这样当气缸活塞杆进行伸缩时,4个弧形手指会做相应的展开和合拢动作。设计的4个弧形手指合拢时是将果实包围而不是将果实包夹住,这样可以省掉了对夹持果实力的控制。海绵层在弧形刀片的内侧,用于隔挡弧形刀片与果实接触,防止弧形刀片旋转时误伤果实。2.2设计弧形工艺弧形四指的合拢将目标果实包围其中,末端执行器下一步的任务就是要将果柄割断。此时,果柄相对于末端执行器的方位有较大的随机性,设计弧形刀片拟合弧形手指的内廓表面形状,焊接在每一个弧形手指的内廓表面上,长度与手指相当;步进电机启动后带动四指绕对称轴转动,弧形刀片即可以旋转割断任意方位的果柄。3末端执行器动作路径为了进一步说明本末端执行器的采摘动作原理和整机制造之前能够初步检验结构方案的合理性,本文利用大型动态仿真软件ADAMS对末端执行器采摘动作进行了全过程的仿真。果实进入末端执行器内部如图3所示。首先通过Pro/E与ADAMS的接口软件Mechanism/Pro将末端执行器三维模型中构件生成刚体,添加约束后导入ADAMS中,在ADAMS中添加末端执行器气缸活塞驱动力和步进电机转速,同时设置采摘仿真时间、步数及重力条件,在其中的一个指尖处添加标记点“MARKER_132”,如图3中球状体代表果实。按照实际的采摘方案,动作全过程仿真分为4步:1)末端执行器接近果实,果实进入四指内部。机器人通过视觉传感系统采集目标果实形心三维坐标,信息通过工控机处理机器人运动学反解结果得到机器人各关节的驱动量,从而机械臂带动末端执行器逼近目标果实。为保证果实可以顺利通过进入四指内部,需注意两点:①此过程需要末端执行器四指保持张开状态,并且开口尺寸至少要大于果实的尺寸;②为提高果实进入的成功率,末端执行器的采摘移动路径的末段最好是直线,且径直对准果实。在ADAMS/view的animationcontrols中勾选superimpose选项,得到此段仿真的断续动作画面如图3所示。从图3可以看到,在满足以上两点的情况下,果实顺利进入了四指的内部。2)四指合拢,包围果实。选用小型静音气泵作为开合机构气缸的气源,经减压阀出来的气体工作压力为3bar,通过气缸结构换算得到活塞杆驱动力约为20N,在ADAMS中添加此力后,同时设置四指关系为接触。从仿真动画和标记点“MARKER_132”的位移数据曲线(如图4所示)中,可以观察到:四指合拢需要0.4243s,在0.1786s四指指尖初次相碰,相互短暂弹开后再相碰,反复几次后在0.4243s后,四指合拢保持稳定,如图5所示。在实际的采摘作业中,四指指尖的此种硬碰撞会发出尖锐的响声,同时会产生不必要的振动,为避免此种情况的发生,可以在指尖处嵌入弹性材料,如海绵或橡胶,以此可对碰撞起到缓冲的作用。3)四指保持合拢,电机启动,弧形刀片旋转切割果柄。此时,果实已经被包围在了合拢四指的内部,果实靠果柄悬挂在四指中间,而果柄必定位于其中两手指之间。所以,启动电机后,四指旋转,其上的弧形刀片随之切断果柄,这个过程四指保持合拢,果实仍落在四指内部。在ADAMS中对电机轴添加驱动阶跃驱动函数:“step(time,0,0,1,720d)”,即电机在1s的时间内旋转2圈,下次切割反转2圈,以此防止旋转的过程气缸气管发生过度缠绕,如图6所示。4)四指保持合拢,末端执行器退到果实收集装置上方后,四指张开,落下果实。在ADAMS中的animationcontrols中选择“TraceMaker”选项,跟踪点为“MARKER_132”,末端执行器动作路径如图7所示。经过对每一采摘步骤的详细仿真,分析得出,本末端执行器完成打断果柄时间基本可以控制在1.5s以内,整个过程动作可靠,初步验证了采摘方案的可行性。4大力提高了系统的操作难度,避免了把叶片打造成诉讼过程中出现误操作者为单一果从结构设计的原理和仿真分析的过程来看,本末端执行器具有以下优点:1)采摘作业无需控制抓取力,从而省掉了相应的传感器控制系统的加入,也就在一定程度上降低了成本和整机操作的控制难