采摘机械手结构设计及三维建模研究

采摘机械手结构设计及三维建模研究摘要：采摘机器人是农业机器人的一种类型，是自动化技术、计算机技术等在农业生产应用中的集中表达，是农业生产过程智能化、自动化的重要标志。而为了提高果实采摘效率，采摘机器人的研究进展也是越来越迅猛。本文根据前人的研究报告以及收集到的其他资料，以工作空间和杆件尺寸建立了目标函数，以实际情况为约束条件，可以求得最优解。再结合三维建模软件对设计出来的采摘机械手进行了仿真分析，对整个结构的实际应用能力有了深刻认识。关键词：采摘机械手；结构优化；仿真分析目录引言.............................................................-4-1.1采摘机器人的研究现状..........................................-4-1.1.1国外采摘机器人的研究现状................................-4-1.1.2国内采摘机器人的研究现状................................-6-1.2采摘机械手的研究意义..........................................-8-1.3本课题研究的主要内容..........................................-9-采摘机械手结构设计...............................................-9-2.1采摘机械手结构形式...........................................-10-2.1.1直角坐标结构...........................................-10-2.1.2极坐标结构.............................................-11-2.1.3关节型机械手...........................................-11-2.2采摘机械手结构优化...........................................-12-2.2.1优化方法...............................................-12-2.2.2目标函数...............................................-13-2.2.3约束条件...............................................-15-2.3优化结果.....................................................-16-2.4结构设计小结.................................................-16-采摘机械手三维模型研究...........................................-16-3.1应力分析.....................................................-16-3.2模型建立.....................................................-17-3.3仿真分析.....................................................-17-结语.............................................................-17-致谢................................................................-19-参考文献............................................................-20-1引言自动化技术是一门综合性技术，是控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等多个学科知识的综合与交叉，而其中又以控制理论和计算机技术对自动化技术的影响最大。自从1785年瓦特改进蒸汽机以来，人类开始进入了使用机器的时代。其借助于离心调速装置而使其本身的转速保持稳定。这种离心调速装置就是世界上最早的自动化机器。20世纪40年代，通过美国数学家维纳等人的努力，在自动调节、计算机、通信技术、仿生学以及其他科学互相渗透的根底上，产生了控制论。自动化技术已经广泛应用于农业、工业、国防、科技、建筑以及生活等各个领域，具有广阔的研究开发和应用前景。随着走入21世纪，人类的制造业也开展迅猛，这使得自动化技术与许多其他技术的结合成为可能，其中佼佼者便有智能机器人。采摘机器人作为智能机器人的一种类别，是精准农业，微电子，计算机和自动控制等技术在农业生产领域中应用的集中表达，是农业生产过程自动化、智能化的重要标志。而由于自动化技术的开展和机械装备本钱的降低，采用自动化采摘机械实施采摘作业比采用人工采摘的本钱更低，这也使得采摘机器人一直以来都是农业工程领域的研究热点[1]。如今，世界各国都有在进行采摘机器人的相关研究与开发，且已有成品投入实际生产之中。采摘机器人的研究现状国外采摘机器人的研究现状从1983年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来,采摘机器人的研究和开发已经经历了30多年。日本和欧美等兴旺国家相继立项研究用于采摘苹果、柑桔、西红柿、葡萄等水果的智能机器人[2]。到1997年底，国外开发的一系列采摘机器人均研制出了样机。进入21世纪以后，全球各地均出现不同程度的人口老龄化问题，农业劳动力严重短缺，因而采摘机器人的研发热度又上了新的一个台阶。如图1.1是日本正在研制的番茄采摘机器人，该番茄采摘机器人使用的小型镜头能够拍摄7万像素以上的彩色图像。首先，它通过图像传感器检测出红色的成熟番茄，之后对形状和位置进行精准定位。机器人只会拉拽菜蒂局部，而不会损伤果实，平均摘一个西红柿耗时约6秒钟。在夜间等无人时间带也可进行作业。松下透露，该番茄采摘机器人方案在2019年左右将会开始试销，再根据实际使用的反应来进行改进。图1.1番茄采摘机器人图1.2柑橘采摘机器人图1.2为西班牙科技人员创造的柑橘采摘机器人，它由一台装有计算机的拖拉机、一套光学视觉系统和一个机械手组成，其能够从柑橘的大小、形状和颜色判断出是否成熟，决定可不可以采摘。它工作的速度极快，每分钟摘柑橘60个，而靠手工只能摘8个左右。另外，柑橘采摘机器人通过装有视频器的机械手，能对摘下来的柑橘按大小即时进行分类。图1.3为美国佛罗里达大学研究出来的甜橙采摘机器人。甜橙采摘机器人最新的设计提议是采用两个相对独立，有不同功能特点同时又能相互配合无间的机器人，第一个机器人负责寻找和发现各个甜橙的位置，并计算最有效率的采摘路径，将信息和数据传至第二个机器人，第二个机器人负责在不损坏甜橙树的情况下得到果实。这个机器人也是学科结合的产物，相较于其他机器人要更为智能化。图1.3甜橙采摘机器人图1.4柔软手臂机器人图1.4为目前世界上最大的在线连锁超市英国奥克杜〔Ocado〕公司正在进行测试的新型柔软手臂机器人。该款机器人手臂可以巧妙地对水果和蔬菜进行采摘，并且可以将那些放在仓库中的水果和蔬菜进行打包。它是由一种可弯曲、折叠的新型材料构成的，其工作原理主要是通过调节这种材料内部的空气压力来抓取东西，该工具可以有效的替代大量的人工劳动力，节约资源和本钱。该“柔软”机器人手臂的唯一的控制组件就是空气的压力，当空气流入机器人手臂时，机器人的手指、手掌以及拇指不断调节自身的形状来适应物体的形状，从而能够实现在不损坏物体的前提下抓取物体。机器人手臂的致动器被安装在印刷支架上，通过空气在机器人手臂的特定区域的流动来推动其做出相应的运动。这一举措简化了控制步骤，使得环境以及资源得到更加有效的利用。这个机器人那么是结合了新兴材料学的产物，再创造性地使用了空气动力，功能性相较传统的采摘机器人也因为其更拟人的形态要更为强大。图1.5是英国一家农机研究机构为了提升蘑菇的采摘量，减少人工本钱投入，进而研发出了一种可以自动采摘蘑菇的机器人。这种机器人通过摄像机与视觉图像分析系统，可以统计蘑菇采摘量并对蘑菇的质量进行鉴定。由机器人的红外线测距仪测算出蘑菇的高度及距离后，采摘装置就会自动调整机械臂的弯度及长度，采摘后能自动将蘑菇放至运输机中。图1.5测试阶段的蘑菇采摘机器人国内采摘机器人的研究现状在21世纪以前，我国都没有在农业机器人方面有任何研究。而在往后的一段时间，才慢慢进入起步阶段。最初研究和应用的农业机器人主要有中国农业大学的自动嫁接机器人，填补了我国自动嫁接技术的空白，除此之外还有吉林工业大学与吉林农业研究所研制的除草机器人和上海交通大学开发的草莓拣选机器人。而我国的采摘机器人技术的研究起步那么更晚一些，早期主要有浙江大学对番茄采摘机器人有所研究，还有中国农业大学对草莓采摘机器人在图像识别上的研究。但在2010年以后，我国对采摘机器人的研究开展十分迅猛。图1.6是我国现已自行研制的苹果采摘机器人，该机器人主要由两局部组成：两自由度的移动载体和五自由度的机械手。其中，移动载体为履带式平台，加装了主控PC机、电源箱、采摘辅助装置、多种传感器；五自由度机械手由各自的关节驱动装置进行驱动。此开链连杆式关节型机器人，机械手固定在履带式行走机构上，采摘机器人机械臂为PRRRP结构，作业时直接与果实相接触的末端操作器固定于机械臂上。机械臂第一个自由度为升降自由度，中间三个自由度为旋转自由度，第五个自由度为棱柱关节。由于苹果采摘机器人工作于非结构性、未知和不确定的环境中，其作业对象也是随机分布的，所以加装了不同种类的传感器以适应复杂的环境。其采用的传感器分为视觉传感器、位置传感器和避障传感器三类。其中，视觉传感器采用Eye—in—hand安装方式，完成机器人或末端操作器与作业对象之间相对距离，工作对象的品质、形状及尺寸等任务；位置传感器包括安装在腰部、大臂、小臂旋转关节处和直动关节首尾两端的8个霍尔传感器，以用来控制旋转关节的旋转角度和直动关节的直行进程，另外还包括末端执行器上的2个切刀限位开关和用于提供所采摘苹果相对于末端夹持机构位置信息的两组红外光电对管；避障传感器包括安装在小臂上、左、右三个方向上的五组微动开关和末端执行器前端的力敏电阻，以求采摘机器人在工作过程中能够有效躲避障碍物。图1.6我国自研的苹果采摘机器人图1.7是我国自主研发的黄瓜采摘机器人，它是利用机器人的多传感器融合功能，对采摘对象进行信息获取、成熟度判别，并确定采摘对象的空间位置，实现机器人末端执行器的控制与操作的智能化系统，能够实现在非结构环境下的自主导航运动、区域视野快速搜索、局部视野内果实成熟度特征识别、及果实空间定位、末端执行器控制与操作，最终实现黄瓜果实的采摘收获。该项成果打破了传统机器人工作在结构化环境的技术屏障，是对传统机器人工作模式的挑战，为农业机器人走出实验室、进入自然环境的农田作业提供了重要的理论与技术支撑。图1.7我国自主研发的黄瓜采摘机器人采摘机械手的研究意义在农业生产中，采摘作业是整个生产链中最耗时、最费力的一个环节。与此同时，采摘作业质量的好坏还直接影响到产品的后续加工和储存。如何以低本钱获得高品质的产品是农业生产环节中必须重视和考虑的问题。然而由于采摘作业无法防止的复杂性，目前我国的采摘自动化程度仍然很低，根本上都是人工进行的。但是随着人口的老龄化和农业劳动力的逐渐减少，农业生产本钱也相应提高,这样会大大降低产品的市场竞争力。更重要的是温室内环境舒适度较差，收获作业劳动强度大，研究农业机器人，特别是果实采摘机器人具有重要意义。从经济方面分析，手工采收3～5人每小时只能收获1吨果实，机械采收6～15人在收割机上工作，每小时可采收20～30吨。手工分级每组要10～20人，如果用电子颜色分级机，每组只需7个人。早在1976年国外便有人把番茄能够采收的时期分为8种颜色期，果实收获机器人可以按照预定收获标准。根据果实的颜色进行屡次采收。保证了同期采摘果实成熟的均匀度，同时提高了采收效率与产品产量和质量，节省劳力，提高工作速度，具有良好的经济效益[3]。机械手是番茄收获机器人的关键执行部件[4]，其工作性能对机器人的收获率和收获速度具有重要的影响，同时为了减少工作过程中机械手对植株和其他未采摘或未成熟果实的损伤，避障问题需要多多关注。因此采摘机械手的结构设计与性能优化研究对实现果实智能化收获具有重要意义。本课题研究的主要内容本研究根据收集整理的许多资料，对采摘机械手进行研究，其研究的主要内容包括以下几个方面：〔1〕弄清楚采摘机械手的的根本结构形式，再结合自身体会对采摘机械手的手臂、手腕等细部结构提出设想。〔2〕计算验证设想的可行性，并根据具体农作物的生物学特性和栽培方式，来进行相应的改进。〔3〕对设想进行三维模型研究，利用数据处理来模仿实际情况，分析其中可能存在的问题，来对结构进行更进一步的完善与改进。采摘机械手结构设计结构设计通常是在确定机构的选型之后进行的，要使其满足构件的运动特征要求，并考虑构件的经济性和可行性，所以应优选那些合理的、实用的、简单的结构型式。尽可能的采用标准件、采用模块式结构、提高工艺性、外观造型美观大方，要便于装配、调整和维修，降低本钱，保证工作的平安可靠性[5]。而采摘机械手设计一方面要考虑机器人本身价格和使用者经验和教育水平，另一方面还需要考虑工作对象的生物学特性。对于机械手构型，几何要求是其最重要的设计依据，也就是必须根据作业要求的末杆位姿图选择一种适宜的机型，并且使其具有适当数量的自由度和结构尺寸。采摘机械手多为空间开式链机构，设计的关键是根据实际的作业对象特性和工作方式来选择机械手结构尺寸，使其满足一定的性能要求，如工作空间、奇异性、逆运动学存在解析解以及作业的负荷要求，精度要求、速度要求、环境要求，同时要考虑抓取运动流形和末端执行器的形式[6]，以满足姿态要求，降低机械手作业过程中的掉果率、损伤率、别离率，以提高品质特性。本章基于收集到的资料以及对机械手的认识，遵循结构设计原那么，来对采摘机械手进行选型，然后采用优化算法对结构进行优化设计。采摘机械手结构形式采摘机械手的自由度和结构形式均会直接影响末端执行器的作业空间、运动精度以及灵活性,也就影响到了控制系统的复杂程度。国外研究文献说明,采摘机器人的本体结构研究仍未没有得到应有的重视,大局部情况下都是直接购置工业机器人的机械手来作为采摘机器人的机械本体。从已经发表过的采摘机器人样机来看,机械手的结构形式大致有直角坐标结构、极坐标结构和关节型结构这3种。直角坐标结构应用于早期研究的采摘机器人大多数就采用的是直角坐标结构的机械手，它具有运动精度高、结构简单、控制和坐标计算容易等优点。但是，由于这种机器人的工作空间较小，末端执行器的活动范围内是存在盲区的。对于采摘机器人而言，其应用必然会受到限制。图2.1表示了西红柿采摘机器人的原理图[7]。该机器人具有上下移动、左右旋转、水平伸缩和上下俯仰4个自由度。采用的是100W，3000r/min的交流伺服电机和1：125的减速机构驱动4个关节轴。左右旋转、上下移动、上下俯仰和水平伸缩4个自由度的关节速度分别为2.51rad/s、0.3m/s、3.14rad/s和1.8m/s。由于其关节速度高，影响了末端执行器的定位精度，但这却能够提高采摘的效率。该采摘机器人使用的是交流伺服电机，因此在野外作业时，电源的提供并不方便。但对于需要移动的采摘机器人而言，最好使用蓄电池能提供的直流电源。图2.1西红柿采摘机器人原理图极坐标结构极坐标结构的机械手的结构刚度高，其末端执行器的抓持重量大。国外在黄瓜采摘机器人中已尝试过5个自由度的机械手[8]。图2.2表示黄瓜采摘机器人中极坐标结构机械手的原理。机械手共有5个自由度，其中2个旋转自由度、2个回转自由度和1个伸缩自由度。伸缩自由度可以使机械手在极坐标方向上的活动空间增大。在机械手的下部还有旋转和回转2个自由度。其作用在于采摘前使机械手的倾斜角度和培育架的倾斜角度相同。黄瓜采摘机器人的7个自由度中，有两个伸缩自由度，这使得机器人的末端执行器灵活性增强，活动范围变得更大。极坐标结构的缺点在于尽管它的运动控制比拟复杂，但是运动精度仍然很低。图2.2极坐标结构机械手示意图关节型机械手关节型机械手具有仿人臂结构，主要由回转和旋转两种自由度组成。它同上文中的两种结构形式相比，对于确定三维空间中的某个任意位置和机械手的姿态是最有效的。结合实际情况，采摘机器人的作业对象分布在空间的任意位置，并且大局部情况下，其周围存在很多的障碍物。而多自由度的关节型机械手具有拟合空间任意曲线的功能。机器人控制系统通过轨迹规划和关节的运动控制，可以使固定在机械手上的末端执行器在接近采摘目标的路径中，有效躲避障碍物。因此，用多自由度关节型机械手作为采摘机器人的本体结构是最适宜的。图2.3是关节型机械手的结构示意图[9]。关节用直流伺服电机控制，每个关节的实际位置由增量式光电编码器返回，构成闭环控制。机器人控制系统通过机器视觉子系统获取目标的空间坐标，然后进行运动规划和运动学反解，求出关节空间的运动解，进而控制关节电机的运动。关节型机械手的运动规划和轨迹控制需要进行大量的数学运算，因此对机器人控制系统的实时性要求高。与此同时，关节型机械手是开链结构，这导致其机械刚度小，运动精度较低、抓持重量小。尽管如此，对于高性能的采摘机器人而言，采用具有冗余自由度的关节型机械手是必要的。图2.3关节型机械手示意图采摘机械手结构优化优化方法机械手结构优化的数学模型表示为[10,11]MinFx∈R约束条件为fxq式中，FXX——机械手结构参数向量，X={xm——杆件参数的数目；n——关节的数目。为了使机械手在到达作业要求的同时能够具有合理的结构，采摘机械手的优化主要有两个目标：工作空间主截面包络面最正确和结构轻量化，而约束条件那么来源于实际生产中对杆件位置和形态的要求。目标函数采摘机械手的工作空间的主截面，就是机械手的工作空间在其主要工作区域方向上的投影。因此，机械手结构优化的目标可以总结为使其工作空间主截面的包络面积最正确，从而满足收获作业要求。采摘机械手的工作空间主截面如图2.4所示[4]。(1)作物位置(2)主截面边界(3)采摘机械手的位置图2.4采摘机械手的工作空间主截面为使采摘机械手工作空间的主截面的包络面积最正确，也就是机械手手臂的工作空间主截面面积S与作物采摘空间S0之差应为最小，可以得到目标函数F1M由于机械手手臂的工作空间主截面图不是规那么图形，将其划分为多个局部，分别求取面积值，再取各局部之和作为总面积，可得计算公式：S各局部求解如下：SSSSSSS而S8和S9均为不规那么多边形，可以根据不规S=±来进行计算。又由于采摘机械手移动关节的行程过长或者杆件过长，可能导致平衡问题，为了使整个结构更为轻便，在可以完成作业要求的前提下，采摘机械手的手臂长度之和应为最小，这样就得到了目标函数F2M式中，d1d2l3l4l5通过上述分析可以知道，将上述两个优化目标函数在优化过程中把它们合并为同一个目标函数：M式中，k1和k2为加权系数，且有k1由最终的目标函数可知，本次优化设计的变量确定为：X式中，θ1为关节4的值，θ约束条件而在实际采摘过程中，采摘机械手的工作空间面积是需要覆盖整个采摘所要求的工作空间的，即采摘机械手的工作空间面积需要大于或者等于采摘要求的工作空间。约束条件主要有杆件长度约束、轨迹区域约束和关节变量约束等。杆件长度约束点2：b−d点4：b−点5：a−d点8：l4点6’：−l轨迹区域约束对各圆弧的曲线方程：bbd−c+2关节变量约束−−π≤农作物栽培一般存在固定行距[12]，因而在实际生产过程中，为了防止因机械手过长而导致的性能降低或是灵活性影响，杆件长度之和不宜超过行距m，即l优化结果根据实际不同农作物的生长范围，带入不同数值。利用Matlab或是其他编程计算软件编写优化程序，对7个设计变量进行赋值，然后运行优化程序便可以得到优化结果。再根据实际情况，对优化结果中一些不方便实际操作的数值在允许范围内进行调整，这样既有利于节省本钱，又有利于实际生产。结构设计小结〔1〕通过收集资料，加深对机械手结构选型、结构设计的理解，分析出最适合如今采摘机器人的机械手的结构形式。〔2〕根据采摘机械手构型的根本要求，分析了三种机械手构型的优劣，从而选定了多自由度的关节型机械手来作为采摘机械手的结构形式。〔3〕基于实际生产情况和一些数学模型对采摘机械手的结构进行设计，用工作空间和杆件长度建立了目标函数，来进行结构设计中的参数优化，再用实际中可能遇见的问题来加以约束，得到更优化的结果。采摘机械手三维模型研究随着计算机技术的飞速开展，这也使得计算机应用深入到了各个技术领域，尤其是在建模设计中。历来习惯于用手工人脑进行的一些建模设计，由于引入了计算机的CAD、3D-MAX等先进技术而发生了根本性的改变[13]。三维建模对于模型的实际应用性的探究有着巨大的作用，因而计算机CAD技术开展的重点始终是在三维模型设计之上。而对于采摘机械手是否具有实际应用价值，事先进行三维模型的研究，是不可缺少的环节。进行采摘机械手的三维模型研究时，需要对仿真试验进行预先设定[14]:一定的作物采摘环境;农作物采摘对象;确定一定的采摘机械手工作空间;试验约束条件设置。应力分析在采摘机械手三维模型建立的过程中，机械手设计优化应最大程度减少自重，同时进行模拟受力分析，与此同时，对于机械手的材质也要进行考虑，这是因为不同材料的疲劳强度、弯曲极限强度等都有着不同，针对这些参数再进行不同程度的荷载施加试验，然后有侧重地进行应力分析[14]。利用专业有限元软件ANSYS对模型整体进行有限元分析，并对整个仿真试验过程中的各参数进行优化调整，承受最大应力的部位便可看作关键构件。关键构件的材料和形状的选择便显得尤为重要。与此同时，在整个模拟过程中，机械手出现的运动轨迹和拟态状况都可以为实际操作中的最正确状态提供参考。模型建立利用三维建模软件建立采摘机械手的三维模型，模拟采摘机械手的整个工作过程，分别分析各个部位的应力变化情况，检验结构的各部件强度能否满足农业机械国家标准。具体装配如图3.1所示[15]。图3.1采摘机械手装配图仿真分析对采摘机械手赋予仿真条件。刚性材料属性有：密度ρ=1.3×10−6kg/m3，杨氏模量E=3.2×10结语〔1〕深入研究了国内外采摘机械手的开展状况，充分收集了采摘机械手的各种结构型式以及其优缺点，结合实际生产中的各种状况以及条件限制，选出了最适合的采摘机械手模型。〔2〕设计并优化了多自由度的关节型采摘机械手。该机械手具有结构简单，重量轻本钱低，可以灵活作业且具有足够的强度和承载能力的优点。〔3〕结合三维建模软件对设计出来的设想进行了建模研究，并考虑了一些实际生产中会遇见的约束条件，对设想加以改进并提出了模型检验的根本操作步骤。〔4〕对采摘机械手的整个工作过程进行了仿真分析，根本能够满足采摘作业的要求。参考