智能果蔬分拣机器人系统设计

智能果蔬分拣机器人系统设计
高旭东;韩喜春;张正苏;张春艳
【摘要】The popularization of agricultural robots will be both the necessary way and the important symbol of agricultural mechanization ,w hich is also the basic premise for our country to become one of agricultural powerful countries in the world .In this paper ,the motion model of fruit and vegetable picking robot is built .A virtual prototype is used to combine with 3D printing technique to design a kind of under‐actuated terminal executor , w hich can grab bar and spherical fruits and vegetables effectively . Some related simulation softwares are applied to analyzing and optimizing the important working parts ,and the best parameter values are determined .In the end ,a test platform is built to verify the design and to make the prospect .%农业机器人的广泛应用是农业机械化得以实现的必由之路与重要标志，也是我国跻身世界农业强国之列的基本前提。

基于虚拟样机与3D打印技术，研究建立果蔬分拣机器人运动模型，设计一种多功能欠驱动末端执行器，可对条形和类球形果蔬实施有效抓取；采用运动仿真等相关软件对重要工作部件进行结构分析和优化，确定其最佳参数值；最后搭建试验平台进行验证，并对农业机器人的发展前景进行展望。

【期刊名称】《交通科技与经济》
【年(卷),期】2016(018)006
【总页数】5页(P61-64,74)
【关键词】果蔬分拣机器人;虚拟样机;3D打印;末端执行器
【作者】高旭东;韩喜春;张正苏;张春艳
【作者单位】黑龙江工程学院电气与信息工程学院，黑龙江哈尔滨 150050;黑龙江工程学院电气与信息工程学院，黑龙江哈尔滨 150050;黑龙江工程学院电气与信息工程学院，黑龙江哈尔滨 150050;黑龙江工程学院电气与信息工程学院，黑龙江哈尔滨 150050
【正文语种】中文
【中图分类】U491
我国是农业大国，土地资源丰富，气候条件适宜，适合大面积种植水果蔬菜。

果蔬成为我国继粮食产业之后的第二大农业支柱产业。

果蔬采摘与分选成为食品加工中必要的环节。

我国市场上出现了各种各样的果蔬采摘分选机，市面上现有的果蔬分选机大多仍以大小、重量等粗略特征作为分选指标，由于分选精度与功能集成度普遍较低，且造价昂贵，所以不适合中小型企业配备。

另外，多数相关设备的功能相对比较单一，只能对某一种果蔬进行分选，其分选精度与效率都有待于提高。

传统的分拣设备多以生产线为主，不仅制造成本高，分选效率低，而且在分拣过程中极有可能对果蔬造成损伤，因此有必要研制一套成本低廉，易于操作并且能够实现快速、准确、无损化的果蔬采摘分拣设备。

本文设计了一套果蔬采摘分装机器人装置。

主要包括对装置本体串联机器人的设计与欠驱动多功能果蔬抓取末端执行器的设计。

该末端执行器，可对条形和类球形果蔬实施有效抓取；采用运动仿真等相关软件对其中重要部件进行结构分析和优化处理以确定其最佳参数值；最后搭建了采摘试验平台进行验证。

本文主要针对果蔬分选领域的一系列问题设计了一套果蔬分拣分装机器人装置，其
总体设计方案如下：
1) 通过实际调查研究，根据实际生产中，果蔬采摘分选标准，结合工业串联机器人的运行特点，确定机器人运动方案；
2) 基于果蔬采摘分选流水线的特点，提出一种动态采摘与抓取的机器人结构。

3) 通过齐次坐标变换法建立串联机器人的运动学方程，对运动学位姿正反解进行求解与分析，利用矢量积法求解机械手的雅可比矩阵，建立机械手关节速度与末端执行器速度的瞬时对应关系，同时利用广义逆矩阵对速度和加速度反解进行分析。

4) 对欠驱动机构进行研究与分析；根据果蔬本身的特殊条件对欠驱动机构进行创新设计，以设计出满足功能目标要求的欠驱动抓取末端执行器；
5) 运用三维实体软件和3D打印技术，将建立的虚拟模型打印成实体零件。

再对零件进行组装调试，满足对果蔬良好包络和零损伤抓取。

Denavit-Hartenberg(D-H)模型可用于任何机器人构型，而不管机器人的结构顺序和复杂程度如何。

并且D-H方法有其附加的诸多优点，极具实际应用价值。

机器人由一系列关节和连杆组成如图1所示。

这些关节可能是滑动(线性)的或旋转(转动)的，它们可以按任意的顺序放置并处于任意的平面。

连杆也可以是任意的长度(包括零)，它可能被扭曲或弯曲，也可能位于任意平面上。

所以任何一组关节和连杆都可以构成一个我们想要建模和表示的机器人。

为此，需要给每个关节指定一个参考坐标系，然后，确定从一个关节到下一个关节(一个坐标系到下一个坐标系)来进行变换的步骤。

关节坐标系的建立，应遵循以下原则：
1)所有关节都用z轴表示。

若是转节，z轴位于按右手规则旋转的方向；若是滑动关节，z轴为沿直线运动的方向。

表示关节数n+1的z轴是zn。

2) 如果an表示zn-1与nz之间的公垂线，则 nx 的方向将沿na，指向 nz 方向。

3) yn 轴按照右手坐标系的原则确定。

在此为简化之故，未画各坐标系的y轴。

关节变量的定义如下：
θ—绕z轴的旋转角。

d—在z轴上两条相邻公垂线之间的距离。

a—每一条公垂线的长度。

α—两个相邻z轴之间的关节扭转角度。

机器人本体由底座、旋转底盘、大臂、中臂、小臂、和一些必要的轴承等连接器件组成。

果蔬采摘机器人通常采取串联结构，其各个关节分别单独的由伺服电机或
步进电机控制转动，控制信号由上位机发出指令，电机驱动器在极短的时间内接受到指令并发出脉冲信息给各电机，电机按照脉冲自动运行相应的角度，完成机器人在不同工作阶段的不同姿态。

3.1 机器人虚拟样机建立
机器人结构较为复杂，包括底座、旋转底盘、大臂、中臂、小臂和末端执行器等。

因此，如此复杂的机械系统在装配时需要明确各单元之间的位置以及约束关系。

装配完成后，还要进行干涉检查，直至达到无干涉时为止。

采用模块化方式，主要分为底座总装、主躯干总装、中臂总装、小臂总装模块。

整个设计基于标准件完成。

通过参数计算，确定使用400 W伺服电动机、25-100
型谐波减速器、57行星齿轮减速步进电机、交叉滚子轴承等。

1)底座总装的设计。

圆筒形不锈钢为材料，一端焊接上法兰盘，另一端用Q235圆板焊接。

圆板上中心位置设有止口，止口与谐波减速器的外沿定位，通过螺栓连接紧固。

圆板上方与过渡法兰止口定位连接，过渡法兰凹槽与交叉滚子轴承外圈配合连接。

整个总装部件均以轴承等标准件按照中心轴定位，其相关结构如图2所示。

2)主躯干总装设计。

考虑到现有设备加工条件等因素，各部件采用Q235为材料，关键部件连接处采用淬火处理。

主躯干部件全部采用板件通过各种楔口定位用螺栓连接。

大底板两侧分别于两立板件通过螺栓紧固连接，一侧立板上部设有与谐波减
速器连接定位的止口，另一侧立板与之对应的为轴承止口。

谐波减速器动力输出法兰和中臂连接块相连接。

3)中臂总装设计。

在设计到末端关节处，将倾覆力矩纳入考虑内；尽量减小末端处的重量。

在设计中，尽量选择密度较小，质量较轻的硬质铝合金为材料进行设计。

将小臂动力机构放置在离主躯干较近的一端，各板件之间由螺栓紧固，中臂末端处设置有齿形带张紧装置。

4)小臂中装设计。

小臂主要是连接末端执行器的，整体结构采用圆筒状铝管。

小臂各关键部件之间通过圆形法兰件连接；小臂末端伸出法兰板用于与欠驱动末端执行器相连。

3.2 机器人运动分析
在进行三维建模完成以后，通常都会对其组装机构进行运动仿真分析。

Pro/Engineer 中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。

使用“机械动态”分析功能可在机构上定义重力，力和力矩，弹簧，阻尼等特征。

可以设置机构的材料，密度等特征，使其更加接近现实中的结构，到达真实模拟现实的目的。

如果单纯地研究机构的运动，而不涉及质量、重力等参数，只需要使用“机械设计”分析功能即可，即进行运动分析。

打开Pro/engineer中的“机构”，在机构模式下定义各运动参数，如图3所示。

机器人各部件驱动通过在各杆件的相应位置添加伺服电机，由于该机器人具有4个自由度，因此需要加4个伺服电机。

单击图标或打开“分析”下拉菜单中的“测量”按钮将弹出如图4所示对话框。

按照此方法分别分析得到点PNTI速度、位置、加速度的时序如图5所示。

完成上述过程，可得采摘机器人的各个关节长度的最佳值，大臂节点到旋转底盘轴线距离为215 mm，大臂节点距底盘平面270 mm，摆臂长度为521 mm，小臂距摆臂末端关节之距是368 mm。

本文设计的多功能欠驱动果蔬抓取末端执行器选择3D打印方式，其基本步骤如下：1)利用计算机辅助软件(CAD)建造三维模型(本文选用Pro/E)同时完成对机械碰撞
检查和可行性分析，确保模型符合实际使用要求；
2)转置格式为STL文件；软件进行切片处理，这里将弦高值设定为0.08，以保证
模型尽可能与实体一致；
3)转到STL文件处理装置：本文使用软件CURA进行切片处理；
4)打印机设置；
5)打印开始：选用 PLA材料，直径为3.0 mm；
6)打印后期处理，去除支撑结构和毛刺等。

5.1 实验要求与实验准备
分拣摘机器人分选装置由串联机器人本体和欠驱动式末端执行器共同组成的，完成对果蔬采摘抓取功能的实现，需要将二者组装一起相互配合完成。

末端执行器的肘关节部位预留处能与串联机构的末关节最远端配合连接，末端执行器所需的控制器信号线安装于串联机器人本体上。

组装相关的传送带组件和果蔬包装箱等辅助设备，挑选圆球状的西红柿和长条形的角瓜为实验对象，连接好控制末端执行器的动力来源设备——空气压缩机。

5.2 实验结果
将控制程序发送给控制单元，机器按照指令对目标果蔬进行准确抓取。

结果表明，本课题设计的分拣机器人各关节在负荷下不产生震动，运行平稳。

实验共进行了50次操作，分别对黄瓜、西红柿、西葫芦、土豆等不同果实形状的样品进行抓取。

结果表明，其有效率可达90%以上，基本能够满足功能要求，球
形抓取特写如图6所示。

本课题设计的机器人对于柚子、哈密瓜等大型果类，尚难以实现有效的抓取，为此有待在后续相关研究中予以完善。

本文设计的果蔬分拣机器人，能够在多次抓取不同形状、大小、重量的果蔬产品时不伤害其外观表面，证实了本文设计的正确性与有效性。

较之于工业机器人，农
业机器人的工作环境更为复杂多变，所以其对智能化程度会提出更高的要求。

在未来的农业机器人发展过程中，我国可以借鉴其他先进国家的相关技术基础与研发经验，尝试从以下几个方面着手：
1) 改变既往的常规思路，比如农业机器人的高度模仿人类动作等。

可以将目标转
移到农作物的物理特性方面，力争推进更加稳定技术的发展，研究并开发出机器人易于实现的动作来替代仿人类的动作，从而实现农业机器人的高度智能化。

2) 有效地融合生物工程、设施农业等有效技术，使农作物尽可能地实现均质，从
而有效地降低具体作业对农业机器人智能化程度的要求。

3) 开发集成终端执行器和计算机软件以丰富农业机器人的各项功能，力争实现一
机多能，从而降低农业机器人的整体成本，从而显著地提高农业机器人使用效率。

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