苹果采摘机械人结构设计

郑爽爽 李艳聪等

摘 要：水果采摘费用高且劳动量大，为了快速且准确完成苹果采摘任务，需要进行水果采摘机械人结构设计。首先进行采摘机械机构选型，确定合适自由度；其次，依据典型果树轮廓确定采摘臂结构尺寸，绘制采摘机械手臂零件图和装配图；最后，搭建采摘机械人结构试验台，进行实体运动和抓取实验对设计效果进行验证。试验结果表明，该设计方案基本能够达到预期。该设计方法，对农业领域其他类型采摘机械手设计有一定参考价值。

关键词：采摘机械手臂；苹果；结构设计

引言

水果采摘季节性强、费用高且劳动量大[1]。加速农业现代化进程，实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。研究采摘机械人，对于降低人工劳动强度和采摘成本、保证水果适时采收，具有重大的意义[2]。我国从上世纪70年代开始研究水果蔬菜类的采摘机械，并且也逐渐起步，如上海交通大学已经开始了对黄瓜采摘机器人的研制[3]，浙江大学对番茄采摘机器人进行了结构分析与设计的优化[4]，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别装置进行了研究[5]。目前，我国研究的采摘机器人还有西红柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘机器人等[6-8]。文章对苹果采摘机械手臂进行选型，进一步进行详细结构设计，最后对设计结果进行试验验证。

1 机械人机构选型及自由度的确定

由于采摘机械人的作业对象是苹果，质量轻，体积小，故而可选择较为简单、灵活、紧凑的结构形式。

根据机械人手臂的动作形态，按坐标形式大致可将机械人手臂部分分为以下四类[9]：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手；多关节型机械手。采摘机械臂的结构型式选取主要取决于机械人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制难易等要求。以上四种型式，它们的活动范围和灵活度逐渐增大。经过对苹果采摘空间的研究，结果表明，苹果树树冠和底部的苹果分布极少，大多分布在树冠中部，大约有80%以上的苹果分布在距地面垂直高度1-2m、距树干左右方向1-2m的空间范围内，且阴阳两面的苹果分布率并无明显的差异。这就要求采摘机械手应当具有较大的工作空间，因此选用多关节型机械手较为合适，且其占地面积较小，更加适合苹果采摘作业。

实际中，苹果生长位置随机分布，这就要求机械臂的末端执行器能够以准确的位置和姿态移动到指定点，因此，采摘机械人还应具有一定数量的自由度。机械臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配。一般来说，自由度数量越多，机械臂的灵活性、避障能力越好，通用性也越广，但增加一个自由度就相当于增加了一级驱动，会使得机器人的成本上升，而对于农业机器人而言，成本高将会大大的减缓其机械商品化实用化进程，同时增加自由度会相应增加机器人的控制难度，降低机器人的可靠性。综合考虑，将自由度数目定为六个，这样不仅能够使得末端执行器具有较为完善的功能，而且到达采摘空间中的任意位置，而且不会出现冗余问题。

2 采摘机械臂工作原理

图1 机械人结构简图

图1是本次设计的球类水果采摘机械人的结构简图。该结构为六自由度机构，可划分为底座、大臂、小臂、腕部和手五个部分。机械臂的底座通过舵机带动传动系统实现各个部分之间的相对转动和旋转。其中的各个转动和旋转均是通过电机驱动螺旋丝杆来实现。该设计机械臂的传动如下：（1）底座旋转。确定与底座平面互相垂直的目标采摘物所在的平面。（2）大臂转动。移动至目标采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂转动。将采摘机械手送至目标采摘物的附近。（4）手腕转动及旋转。调整机械手末端采摘机构的姿态，使其处于一个合适的位置，保证采摘任务能够合理完成。（5）手夹紧放松，完成对目标采摘物的采摘任务。此外，将末端执行器设计为关节型的两只手指，通过舵机6（舵机分配情况见图2）、齿轮的啮合及连杆机构实现对目标采摘物的夹紧与放松。

由以上分析得出：机械手的空间位姿由各个关节的空间坐标来决定，即当机械手的各个舵机的坐标确定的时候，就可以确定机械手的空间位姿。而决定舵机坐标的因素就是臂长及臂的转动角度，而在这两个参数中，设计结束后臂长是确定的常量，角度为变量。在模型当中，舵机1、2的相对位置固定不变，控制末端执行器的舵机6用来调整手的姿态，因此可以先忽略舵机1、6，将舵机2轴线中心的位置設为坐标系原点。

图2 舵机分配方框图

3 机械臂结构设计

首先用Pro/E软件中的零件模块对机械人各个零件进行绘制，然后再对零件进行自下而上的装配，以及进行零件图及装配图的绘制。大臂、小臂和腕部、机械手零件图以及装配图分别见图3、图4、图5、图6和图7（单位均为mm）。

4 试验台搭建与抓取效果实验

根据零件图及装配图进行试验台搭建。由于设计尺寸较大，故将整体尺寸缩小4倍来进行搭建。实物如图8所示。通过操作上位机控制软件指令信号，可给伺服舵机控制器发送控制指令信号，从而实现机械人在空间中精确作业。试验结果表明：机械人能够较为平稳、准确地对目标物进行夹取、移动、放置等任务。证明设计合理，试验台搭建正确。

5 结束语

通过对水果采摘作业的分析，设计了一套六自由度关节型采摘机械人。其运动范围覆盖了水果果实的分布范围，末端执行器能够执行对水果的采摘任务。在采摘过程中，只需对舵机进行控制，在一定程度上降低了控制的难度和复杂性。当然，设计中也存在不足，例如缺少对果实的切割装置，而且对葡萄等较小、较软的果实采摘技术不成熟，有待进一步的改善。

参考文献

[1]汤修映，张铁中.果蔬收获机器人研究综述[J].机器人，2005，27（1）：90-96.

[2]张文莉.农业工程导论论文[D].江苏大学，2011.

[3]曹其新，吕恬生，永田雅辉，等.草莓拣选机器人的开发[J].上海交通大学学报，1999，33（7）：880-884.

[4]梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，等.果实采摘机械手机构设计与工作性能分析[J].农机研究所，2004（2）：133-136.

[5]周天娟，张铁中.果蔬采摘机器人技术研究进展和分析[J].农业机械学报，2006，11：38-39.

[6]邹湘军，金双，陈燕，等.基于Modelica的采摘机械手运动控制与建模[J].系统仿真学报，2009，21（18）：5882-5885.

[7]马履中，杨文亮，王成军，等.苹果采摘机器人末端执行器的结构设计与试验[J].农机化研究，2009，31（12）：65-67.

[8]宋健.茄子采摘机器人结构参数的优化设计与仿真[J].机械设计与制造，2008，46（6）：166-168.

[9]马江.六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真[D].北京工业大学，2009.

作者简介：郑爽爽（1994-），女，河南许昌人。

*通讯作者：李艳聪（1965-），女，天津人，教授，博士。