一种多机械手编码控制系统的果蔬采摘机器人设计

李素云，余长庚

(贺州学院 机械与电子工程学院，广西 贺州　542899)



一种多机械手编码控制系统的果蔬采摘机器人设计

李素云，余长庚

(贺州学院 机械与电子工程学院，广西 贺州542899)

摘要：为了提高果蔬的采摘效率，对果蔬采摘机器人进行了改进，设计了一种新的多机械手的编码控制采摘机器人。通过对机器人功能和结构的设计，使机器人具有了利用机器视觉技术的图像边缘提取来划分每个机械手的作业区间的功能，并可以利用编码器对每个机械手进行编码，从而完成多机械手的协同作业。对机器人的采摘作业性能进行了测试，首先利用机器视觉模块完成了苹果采摘区间的划分，并预设了每个机械手的采摘作业轨迹，利用编码器对预设轨迹进行了追踪。通过测试发现：机器人多机械手的实际追踪轨迹和预设轨迹的误差很小，满足设计需求，多机械手的协同采摘平均速度可以达到80个/min 以上，具有高效的果蔬采摘性能。

关键词：多机械手；编码控制；采摘效率；轨迹追踪；协同作业

0引言

果蔬采摘机器人是针对水果和蔬菜，通过编程来完成其采摘、输送及装箱等相关作业任务的、具有感知能力的自动化机械收获系统。设计果蔬采摘机器人需解决的主要问题是识别和定位果实，在不损害果实也不损害植株的条件下，按照一定的标准完成果蔬的收获。同时，也要考虑经济因素，要保证其成本不比其所替代的人工成本高。因此，需要对机器人的采摘性能进行改进，通过改进提高机器人的作业效率及其使用的经济性。据此，本文设计了一种新的多机械手采摘机器人，通过编码控制实现多机械手的协同作业，以期提高果蔬采摘的作业效率。

1多机械手编码控制采摘机器人总体设计

多机械手编码控制机器人可以有效地提高果蔬采摘的效率，其设计跟普通果蔬采摘机器人的设计有所不同，多机械手编码控制的果蔬采摘机器人需要设置中心服务器通讯，获取机械手动作的批次和分类信息。在采摘机器人进行采摘作业时，需要首先导入采摘的分类数据，根据分类数据控制多机械手作业，使其高速地完成果蔬的采摘。同时，需要记录作业信息，并及时地传至中心服务器，并具有较好的人机交互界面。图1为多机械手果蔬采摘机器人的功能总体设计。

图1　多机械手果蔬采摘机器人功能结构设计

图2表示多机械手果蔬采摘机器人的总体设计框架。其中，采摘机器人的设计主要包括限位传感器、伺服驱动器、伺服电机和编码器等。

图2　多机械手编码采摘机器人总体设计框架

2多机械手机器人结构和控制系统设计

为了提高果蔬采摘的效率，将机器人设计成多机械手，其主要结构是由多机械手部分、躯干部分、行走装置、机器视觉系统、传感器和控制回路组成。其核心机械结构为多机械手部分，机械手可以旋转和伸出来实现俯仰高度的变化。

图3为多机械手果蔬采摘机器人的总体设计。其中，伸出气缸是实现抓取和旋转的装置，使用气动控制，机械手可以在一定空间运动，可以准确地定位到任意位置。其执行末端的设计如图4所示。

1.储存装置　2.摄像装置　3.旋转气缸　4.机械手

1.位置传感器　2.机械手指　3.旋转气缸　4.视觉传感器

该机械手手部材料采用了合金钢，主要结构如图4所示。手部可以进行拆装，通过压力传感器来实现果实的夹紧，然后利用旋转操作扭断果实柄，并取下果实。机械手臂的设计如图5所示。机械臂的运动主要利用旋转电机作为动力，并在底部设计了放置螺母孔，电机利用编码器进行控制，可以实现电机的转动，达到准确控制机械手臂的目的。

1、2、3.旋转电机和编码器　4.水果储存装置

果蔬多采摘机器人的执行末端采用气动控制，如图6所示。气动控制共有3个回路，控制末端的执行动作主要是伸缩、抓取和回转，利用2个直动式气缸和1个回转马达进行控制，换向阀为二位四通的电磁换向阀控制。其中，执行速度可以由流量来调节，而要完成多机械手的协同工作，需要利用多目标函数来分配采摘任务，目标函数符合线性规划，其表达式为

(1)

其中，y表示采摘任务目标值，w表示各项任务的权重系数，a表示调节系数，要实现多目标优化，需要设定约束条件。

(2)

w1,w2,…,wn≥0

其中，b表示最大调节系数。每个函数都是单一的目标线性函数，将每个目标函数整合成公式(1)就可以实现多目标函数的线性规划。假设M=(mij)i×j，N=(nij)i×j, c=(c1,c2,...,cm)T, w=(w1,w2,...,wm)T， Y=(Y1,Y2,...,Ym)T，上述多目标函数可以写成矩阵的形式

maxY=Kw

(3)

约束条件可以简化为

(4)

目标优化过程，实际是根据约束条件对目标值的无线逼近过程，假设最优值为Yj*,最优值的问题转换成假设Yj*值无限逼近目标优化值Y，其表达式为

(5)

通过计算可以构造出理想点法求解函数最优解。假设采摘区划分成两个子区，则两个子区目标函数为

(6)

其中约束条件为

b1w1+b2w2≤c1

b3w1+b4w2≤c2

(7)

w1,w2≥0

多机械手采摘机器人采用数控系统进行控制，用图形编程语言LabView编写代码，依据目标函数和约束条件，采用模块化编码的形式对每个机械手进行控制，可以实现果蔬采摘机器人的多机械手协同控制。

1，2.伸缩液压缸　3.回转马达　4.节流阀

3采摘机器人多机械手编码控制系统测试

为了验证设计的果蔬采摘多机械手机器人的可靠性，对果实采摘机器人的采摘性能进行了测试，并在Windows XP平台开发了控制系统，使用图形编程语言LabView编写代码，其系统硬件配置如表1所示。

表1　控制系统硬件选型表

其中，控制系统包括3层：第1层为程序界面；第2层表示应用程序层，实现果蔬采摘的多机械手控制，并且包括初始化和I/O接口；第3层为单机控制层，主要是控制机械手的运动轨迹、回零等核心运动；最底层为控制卡，完成位置反馈和PID参数的整定。

图7为苹果的采摘区块划分过程示意图。苹果采摘区块的划分是多机械手控制编码的基础，主要是依据苹果图像的实际面积和区块内苹果的数目。区块划分完成后，可以将机械手的运动限制在既定的区块内部，其单机械手的运动轨迹控制如图8所示。

图7　苹果采摘区块划分

利用图像处理技术对苹果区块进行划分后，根据图像边缘提取技术，可以对每个机械手在每个区块内的采摘运动轨迹进行预设；然后利用编码控制对轨迹进行追踪，其追踪曲线的放大图如图9所示。

由图9可以看出：实际追踪轨迹可以沿着预设轨迹完成采摘任务，虽然追踪过程存在一定误差，但是误差很小，在设计的允许范围内，从而验证了区间划分和编码的有效性。对整棵树的苹果采摘区进行划分，得到了整个区间的划分结果如表2所示。

图8　预设轨迹和追踪轨迹

图9　追踪轨迹放大图

区间编号区间面积/m2果实数目统计/个区间编号区间面积/m2果实数目统计/个12.121121.281331.321041.53851.48563.32871.28381.62291.731101.588

根据果实的区间面积和果实统计数目，对整个果蔬采摘区进行区间划分，子区间为10个子区，对每个子区利用相应的机械手进行采摘作业，机械手对应的子区编号如表3所示。

表3　多机械手控制子区表

采摘机械手共4个，每个机械手对应相应的采摘子区，子区间可以利用多目标控制原理，协同完成采摘任务，其运动轨迹如图10所示。

图10　多机械手协同运动轨迹

图10中，每个门字框主要分为垂直上升抓取、水平转移、垂直放置3个阶段，左侧较低位为果实抓取位置，右侧较高位置为果实放置位置，多机械手的采摘平均速度可以达到80个/min 以上，从而验证了多机械手果蔬采摘机器人的高效性。

4结论

依据多目标优化理论，使用传感器、伺服驱动器、伺服电机和编码器等控制系统装置设计了一种新的多机械手的编码控制采摘机器人，大大提高了果蔬采摘的作业效率。

对机器人的果蔬采摘作业性能进行了测试，通过测试发现：机器人可以有效地完成对不同采摘区子区间的规划，并可以通过预设轨迹，完成机器人采摘作业的自动化追踪，协同作业速度可以达到80个/min 以上，具有高效的果蔬采摘性能。

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Design of Picking Robot for Fruits and Vegetables Based on Encoding Control System for Multi Robot Manipulators

Li Suyun1, Yu Changgeng1

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Hezhou University, Hezhou 542899,China)

Abstract：In order to improve the efficiency of picking fruits and vegetables, a new kind of robot with multi robot hand is designed, which is used to improve the picking efficiency of fruits and vegetables.Through the function and structure of robot,the design enables the robot extract the image edge ion based on machine vision technology to divide each manipulator the operating range of the function.And it can use the encoder to encode each manipulator, so as to complete the multi robot cooperative working industry.The robot's picking performance were tested.First of all, the machine vision module apple picking interval of the partition, and the default of each manipulator picking operation trajectory,the coder for the preset trajectory tracking.Through the test found that multi robot manipulator of actual trajectory tracking and preset trajectory error is very small, meet the design requirements, multi robot cooperative picking average speed can reach more than 80/min, with high fruit and vegetable picking performance.

Key words：multi robot hand; encoding control; picking efficiency; trajectory tracking; cooperative work

文章编号：1003-188X(2016)07-0187-05

中图分类号：TP242；S225.93

文献标识码：A

作者简介：李素云(1974-)，女，山东菏泽人，副教授，硕士。通讯作者：余长庚(1974-)，男，安徽宿松人，讲师，博士，(E-mail)yuchanggeng1974@163.com。

基金项目：广西高校科学技术研究项目(2013YB242)

收稿日期：2015-07-09