柑橘采摘机器人结构设计及运动学算法

ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｌｌ甲ｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｎｏｔ ｒｕｉｎ ｔｈｅ ｏｒａｎｇｅｓ．Ｉｔ ｔａｋｅｓ ａｂｏｕｔ ３ Ｓ ａｎｄ ｖｅｌｙ．佻ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｏｒａｎｇｅｓ ｗｉｔｈ ３ ｍｍ ａｎｄ ６ ｍｍ
ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｔａｌｌ，ａｎｄ ｈａｓ ｌｏｎｇ ａｌｔｏ ｓｐａｎ，
ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｓ ｗｏｒｋ ｓｐａｃｅ ｉｓ ｌａｒｇｅ ｅｎｏｕｇｈ ｆｏｒ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｒｐｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ，ａｓ ｗｅｌｌ
ａｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｒｕｉｔｓ ａｎｄ ｖｅｇｅｔａｂｌｅｓ。ｅ．ｇ．。ｔｈｅ ａｐｐｌｅ，ｔｈｅ ｐｅａｒ，ｔｈｅ ｐｅａｃｈ，ｔｈｅ ｔｏｍａｔｏ ａｎｄ ｅｔｃ．
１一腰关节；２一肩关节；，一大臂；４一中臂；卜小臂；６－－粼／器
图ｌ 关节型柑橘采摘机器人结构图
步进电机选用了混合式步进电机，其混合了永 磁式和反应式的优点，应用最为广泛．空心杯电机 选用ＭＡＸＯＮ的ＲＥ系列直流空心杯电机，这种电 机体积小、重量轻、速度高和效率高，被广泛应用于 航空航天和深海探测的自动化仪器设备中．空心杯 电机都配装减速比１００：１、型号为Ｉ １０４５６的行星 齿轮减速器． １．２机器人末端执行器的结构设计
卢 伟１ 宋爱国１ 蔡健荣２ 孙海波２ 陈晓颖１
（‘东南大学仪器科学与丁程学院，南京２１００９６） （２江苏大学食晶与生物工程学院。镇江２１２０１３）
摘要：针对柑橘树冠较高，果梗木质化程度高、短且坚硬的特点，设计了新颖的柑橘采摘机器人 手臂和末端执行器．根据其工作特征给出了能够提高运算速度的约束条件，并运用Ｄ—Ｈ法建立 了机器人坐标变换矩阵，分别给出了机器人运动学正解和逆解．仿真和试验结果表明了机器人结 构设计及运动学算法的合理性、有效性．机器人臂展ｌ ０４８ ｍｉｌｌ、工作空间１．８８ ｍ３，末端执行器结 构紧凑、功率低、剪切效率高且不会损伤柑橘，切割果梗３和６ ｍｍ的柑橘平均时间分别为３和 ９ Ｓ．该机器人高度高、臂展长、工作空问大，能够满足大棚种植模式下的自动化采摘，同时适应于 苹果、梨、桃及西红柿等果蔬的自动化采摘． 关键词：水果采摘；柑橘采摘；末端执行器；运动学；机器人 中图分类号：ＴＰ２４文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—０５０５（２０１１）Ｏｌ－００９５－０６
１机器人结构设计
１．１机器人手臂的结构设计 关节型结构的机器人在相同体积条件下比非
关节型机器人具有更大的相对和绝对工作空间，并 且精确灵巧，被广泛应用于丁业焊接、喷漆、搬运和 装配等场合，因此柑橘采摘机器入宜选择关节型结 构．柑橘采摘机器人的末端执行器Ｔ作时基本处于 水平姿势，无需像工业机器人手腕那样多维度运 动，且柑橘树冠较高，机器人工作空间较大，因此传 统的关节型工业机器人的结构不太适宜柑橘机器 人．而要实现立体空间内的柑橘采摘，机器人的关 节最少应为４个，又考虑柑橘枝叶等环境较为复 杂，在采摘中机器人往往需要避障并深入到狭小的 枝叶间隙空间进行作业，因此需要冗余设计，关节 数可取５或６个．机器人末端执行器重量及采摘时 柑橘的拉力都较大，导致机器人手臂的驱动电机功 率和重量也较大，关节多则电机也多，且随着前端 电机数量及重量的增加，后端电机的重最和功率将 显著增加，因此设计中选择具有冗余的最小关节 数，即确定机器人为５个关节．本文设计的五关节 串联型柑橘采摘机器人由腰关节、腕关节２个旋转 关节及大臂、中臂、小臂３个俯仰关节构成．
ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ．１１℃ｗｉｎｇｓｐａｎ ｏｆ
ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｉＳ ｌ ０４８ ｍｍ．ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｓｐａｃｅ ｉＳ １．鼯ｎｌｊ．１１忙ｅｎｄ—ｅｆｆｅｃｔｏｒ ｈａｓ ａ ｃｏｌｌ聊ｌｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｌＯＷ
现阶段，机器人末端执行器还很难像人手一样 轻便、灵活和多功能化，因此，针对下作目标设计专 用的结构较为经济实用，另一方面，设计的末端执 行器又要尽可能具有普适性．本设计的工作目标是
万方数据
第１期
卢伟，等：柑橘采摘机器人结构设计及运动学算法
果梗木质化程度很高的柑橘，以及苹果、梨子、桃子 等冠状树．Ｉ：的圆形水果．在已有研究中对黄瓜、番 茄等果梗较软的水果一般采用激光切割、剪切等方 法．激光切割的方法对果梗较软的水果较为可行， 但是对果梗较硬的柑橘则较为困难，且切割的激光 功率很大，对操作者、机器人及果树都有安全隐患； 而剪切方式则要求提供较大的切割压紧力，通过对 多只柑橘的剪切试验发现，当通过果树剪刀剪切柑 橘果梗时，平均需要施加１２７ Ｎ的力才能确保剪切 成功．本设计采用电动恻盘齿形锯刀片来切割柑橘 的果梗，所需切割电机的（平均功率为３ Ｗ，最高转 速１２ ０００ ｒ／ｍｉｎ）功率和果梗压紧力都较小，且剪 切效率较高．
万方数据
东南大学学报（自然科学版）
第４ｌ卷
动采摘设备的研发心】．现在国内外的果蔬采摘机 器人的主要工作目标多为果梗较软的西红柿、黄 瓜、茄子、樱桃、草莓、苹果及蘑菇等【３圳，而柑橘因 为果梗短且木质化程度高，较为坚硬，因此是自动 化采摘的难点之一，以此为采摘目标的机器人较 少．此外，国内外的研究大多数集中在视觉系统对 果实目标的识别和定位上，而对于机器人机械本体 的研究较少．本文提出了一种柑橘采摘机器人的结 构设计，包括手臂和末端执行器设计，并根据柑橘 采摘机器人的工作特征给出了能够提高运算速度 的约束条件及基于此的运动学分析，最后通过仿真 和试验研究进行了验证．
ｈｏｔ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ ｉＳ ｄｅｒｉｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｄ．Ｈ ｍｅｔｈｏｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ．ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ ｉａｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ａｒｅ Ｉｘｏｖｉｄｅｄ．Ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ
根据采摘对象柑橘树的生长状况确定了采摘机 器人的水平工作空间为０．５—１ ｍ，垂直Ｔ作空间为 ｌ～１．５ ｍ．通过Ｍａｔｌａｂ的优化工具箱对机械结构进 行优化，并综合考虑各个驱动电机的选择以及机器 人手臂各部分的尺寸应最大程度发挥电机的扭矩， 同时留有充足余量，确定机器人手臂的各个尺寸．其 中从底座到肩关节（大臂关节）主轴轴线高度为９９５ ｌｌｌｒｎ，肩关节主轴轴线到中臂关节主轴轴线的距离为 ３５０ ｍｍ，中臂关节主轴轴线到小臂关节主轴轴线的 距离为２００ ｍｉｌｌ，小臂关节主轴线到末端执行器尾端
Ｉ一连接杆；２一螺纹吸管；３一伸缩电机；４一赶果环驱动电机；
５一皮带轮；６一托绳；７一圃简；８一赶果环；归锯刀片；ｌＯ一锯刀座；
ｌｌ一顶盏；１２一高速传动轮；１３一切割电机；１４一吸毅传动由轮； １５一托簧；１６一吸盘
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｊｔｌｌ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｆｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒａｎｇｅ ｔｒｅｅ ｗｈｉｃｈ ｏｆｔｅｎ ｈａｓ ｈｉ曲ａｕｗ璐，ｓｈｏｎ ａｎｄ
ｈａｒｄ ｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ ｈｉ【ｇｈ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｉｉｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ｏｒａｎｇｅ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｗｈｉｃｈ ｉＳ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａｌｌ ａｒｍ ａｎｄ ａｎ ｅｎｄ—ｅｆｆｅｃｔｏｒ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｈａｒａｃ— ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ。ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｓｐｅｅｄ ｕｐ ｔｈｅ ｃｏｒｎｌｍｔａｔｉｏｎ ｉＳ ｇｉｖｅｎ．１１砖ｎ ｔｈｅ ｒｏ－
具体末端执行器结构如图２所示，其中圆筒下 方开孔处外接收集囊．末端执行器１：作时，螺纹吸 管前端安装的吸盘用于将远处或藏于树叶中的水 果吸引住，伸缩电机通过齿轮副带动螺纹吸管将水 果牵引向圆筒，当水果接近网筒时，赶果环驱动电 机通过拉绳将赶果环拉起，赶果环将水果赶入圆筒 同时将果梗推向锯刀片，切割电机通过高速传动轮 和皮带带动锯刀片高速旋转切断果梗，切割掉的水 果在重力作用下掉入圆筒下方的收集囊中，并通过 收集囊进人果篮．
的距离为４９８ ｒｆｕｎ． 柑橘采摘机器人结构如图１所示，主要包括
基座、腰部、大臂、中臂、小臂、各关节轴及电机、 减速器、光电码盘、联接件等．由于机器人各个关 节的重量和扭矩是逐次向下传递的，因此对机器 人腰部和肩部的力矩要求最大，本设计中机器人 的腰部和肩部都选用了大力矩步进电机．机器人 的腰部回转结构采用竖直放置的步进电机通过 万向联轴器直接耦合的驱动方式，成本低、安装 方便并且克服了传统齿轮传动效率低的缺点．肩 部采用竖直放置的步进电机通过一对伞齿副耦 合输出的方式，使得整个步进电机的重心都落在 腰部回转中心．大臂与中臂以及中臂与小臂之间 都通过重量轻、体积小、输出功率大的空心杯电 机驱动，空心杯电机经减速器输出，再通过一对 伞齿副耦合输出驱动手臂．腕关节采用小功率步 进电机通过减速器耦合后直接驱动．此外，因为 机器人手臂伸展较长，扭矩较大，设计中在手臂 对面一侧壳体内加装有线拉式配重块．
基金项目：教育部闻防】鸯础研究资助项ｆＩ（ＧＦ７０８００６）、教ｆ『部霞人创新Ｉ？氍培育资金项ＩＩ（７０８０４５）． 引文格式：卢伟．朱爱闲．禁健荣．等．柑俩采摘机器人结构设ｉｆ．及运动学■：法【Ｊ】．东南人学学撤：ｆ＝ｊ然科学版，２０１０．４１（１）：９５—１００．［ｄｏｉ
１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１Ｉ．０１．０１９】
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｆｏｒ ｏｒａｎｇｅ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｒｏｂｏｔ
Ｌｕ Ｗｅｉｌ Ｓｏｎｇ Ａｉｇｕ０１ Ｃａｉ Ｊｉａｎｒｏｎ９２ Ｓｕｎ Ｈａｉｂ０２ Ｃｈｅｎ Ｘｉａｏｙｉｎ９１
（‘Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ） （２Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｆｏｏｄ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｚｌ∞ｎｊｉａｎｇ ２１２０１３．Ｃｈｉｎａ）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｒｕｉｔ ｐｉｃｋｉｎｇ；ｏｒａｎｇｅ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ；ｅｎｄ－ｅｆｆｅｃｔｏｒ；ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ；ｒｏｂｏｔ
在果蔬生产作业中，采摘效牢低，费用占成本 的比例约为５０％一７０％，并且作业的质量直接影响 到果蔬的储存、加丁及销售…．目前，国内的果蔬 采摘基本上采用手Ｔ方式．随着人口老龄化以及农
村青壮年劳动力人口向城市转移，迫切需要自动化 的采摘设备．但是果蔬的生长随时空环境的变化而 变化，存在非结构性和不确定性，果实娇嫩、果梗坚 硬，并且枝叶茂密，工作环境复杂。这些都制约着自
收稿日期：２０１０－０８－０４．作者简介：卢伟（１９７８～）．男．博十乍；宋爱闰（联系人），男．博十．教授．博士生导师．ａ．８．ｓｏｎｇ＠咖．ｅｄｕ．∞．
第４１卷第１期 ２０１ １年１ Ｙｌ
东南大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨＥＡＳＴ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—０５０５．２０１１．０１．０１９
Ｖ０１．４１ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１ １
柑橘采摘机器人结构设计及运动学算法