顧六平

(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)種植模式的更新和新技術(shù)的應(yīng)用，人工已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，機(jī)器人將成為農(nóng)業(yè)種植的主力。在農(nóng)業(yè)采摘方面，采摘機(jī)械人運(yùn)用機(jī)械臂進(jìn)行無(wú)損傷采摘，節(jié)約了大量的人工成本。國(guó)外已有適用于大棚和農(nóng)場(chǎng)采摘機(jī)器人[1-3]。綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于采摘機(jī)械的研制多偏重在果實(shí)視覺(jué)識(shí)別和定位上[4-5]。當(dāng)前使用機(jī)械手都是來(lái)回作業(yè)，構(gòu)造機(jī)械的關(guān)節(jié)時(shí)，把來(lái)回作業(yè)轉(zhuǎn)換為其他動(dòng)作就需要另一套設(shè)備；而另一套設(shè)備的占地大、構(gòu)造復(fù)雜，靈活度低，故研發(fā)出類(lèi)似人體肌關(guān)節(jié)成了研究者的共同方向。為此，設(shè)計(jì)了一種多個(gè)柔性關(guān)節(jié)組成機(jī)械臂，以氣壓驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂關(guān)節(jié)靈活；可液壓驅(qū)動(dòng)，使機(jī)械臂更具動(dòng)力，用于多種領(lǐng)域的作業(yè)。對(duì)以氣體驅(qū)動(dòng)的柔性關(guān)節(jié)的研究以模仿人體肌肉驅(qū)動(dòng)為主[6-10]，對(duì)于農(nóng)作物采摘機(jī)器人,需要有較高的柔性, 可減少農(nóng)作物損傷。采摘機(jī)械人在復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)，植株莖稈或支架在采摘物的四周，對(duì)采摘作業(yè)增加了難度，因此規(guī)劃可行的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑，避開(kāi)雜物進(jìn)行采摘，是研究的重點(diǎn)[11-19]。

為此，研究了采摘機(jī)械臂節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)，分析了柔性氣動(dòng)控制關(guān)節(jié)點(diǎn)，采用5自由度的柔性驅(qū)動(dòng)器控制，并驗(yàn)證了柔性驅(qū)動(dòng)控制的機(jī)械臂節(jié)點(diǎn)靈活度和機(jī)械臂避障路徑。

1 控制系統(tǒng)研究分析

1.1 控制系統(tǒng)原理

基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的采摘機(jī)械臂節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)采用氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，氣囊柔性驅(qū)動(dòng)，以交流電動(dòng)機(jī)為電源，建立作業(yè)空間障礙路徑規(guī)劃，通過(guò)安裝的傳感器識(shí)別定位，精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行采摘作業(yè)。

1.2 總體設(shè)計(jì)

采摘機(jī)械人主要機(jī)構(gòu)由載體和機(jī)械臂組成，如圖1所示。載體采用履帶式臺(tái)車(chē)，安裝電源箱、輔助機(jī)構(gòu)、傳感器、箱子和控制主機(jī)；機(jī)械臂為5自由度，各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)分隔開(kāi)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；關(guān)節(jié)型機(jī)械臂固定在履帶式臺(tái)車(chē)上，機(jī)械臂連接末端機(jī)構(gòu)，末端機(jī)構(gòu)為與果實(shí)直接接觸的機(jī)械手指。機(jī)械臂的5個(gè)自由度分別是1個(gè)升降自由度、3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和1個(gè)棱柱節(jié)點(diǎn)自由度。機(jī)械臂伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)械臂提供動(dòng)力并定位果實(shí)控制機(jī)械臂到達(dá)指定位置。驅(qū)動(dòng)力采用交流電動(dòng)機(jī)(見(jiàn)圖2)，具有換向閥，可減少慣性作用，易于控制。故機(jī)械臂的5個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)。

由于采摘機(jī)械臂作業(yè)環(huán)境的不確定性，作業(yè)對(duì)象位置也不確定，故采用傳感器識(shí)別定位。在機(jī)器人上安裝的傳感器為識(shí)別、定位傳感器，用于確定采摘果實(shí)的位置、性狀及大小，且控制升降自由度和旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)程。傳感器安裝位置需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定，為確保機(jī)械臂作業(yè)軌跡，傳感器采集作業(yè)環(huán)境圖像并提取分析圖像，提取采集圖像中的果實(shí)，確定機(jī)械臂末端旋轉(zhuǎn)升降動(dòng)作，精準(zhǔn)定位目標(biāo)果實(shí)，成功完成采摘作業(yè)。

圖1 采摘機(jī)械臂

圖2 交流電動(dòng)機(jī)

機(jī)械臂關(guān)節(jié)點(diǎn)以柔性氣動(dòng)關(guān)節(jié)(見(jiàn)圖3)驅(qū)動(dòng)，以氣體為動(dòng)力，模仿人體肌肉驅(qū)動(dòng)，也被稱(chēng)為氣動(dòng)人工肌肉；以氣囊(見(jiàn)圖4)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因在節(jié)點(diǎn)之間安裝的氣囊易出現(xiàn)故障；故在節(jié)點(diǎn)之間安裝多個(gè)氣囊驅(qū)動(dòng)，以防止出現(xiàn)故障，關(guān)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)需要優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的最優(yōu)化控制。氣囊加壓后作為柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，其氣體壓力大小采用壓力變送器監(jiān)控，在控制主機(jī)中預(yù)先設(shè)置壓力數(shù)據(jù)。關(guān)節(jié)彎曲的弧度取決于氣囊中的氣壓，故壓力的監(jiān)控至關(guān)重要，可保證氣囊中壓力的穩(wěn)定及機(jī)械臂制動(dòng)。

2 節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械臂節(jié)點(diǎn)構(gòu)形空間

機(jī)械臂采用多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)構(gòu)，以構(gòu)形空間的方法對(duì)多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械臂規(guī)劃路徑。多自由度關(guān)節(jié)型的機(jī)械臂的維度高，升降自由度、棱柱自由度與3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度并聯(lián)構(gòu)成機(jī)械臂工作空間，選擇避障路徑耗時(shí)短，提高了整體效率。

圖3 柔性氣動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖4 氣囊工作控制

2.2 構(gòu)形空間建模

為避免空間構(gòu)造的難度，將機(jī)械臂和作物從三維映射到平面上進(jìn)行分析，作物映射到平面上的性狀為不規(guī)則形，包括作物投影畫(huà)圓及畫(huà)平面坐標(biāo)系X-O-Y(見(jiàn)圖5)，將機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)并映射到坐標(biāo)系，通過(guò)計(jì)算機(jī)械臂投影與作物投影得到臨界碰撞關(guān)節(jié)角。

2.3 參數(shù)優(yōu)化

為進(jìn)行機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，設(shè)置約束條件，設(shè)立目標(biāo)函數(shù)和變量，采用軟件編程分析，運(yùn)算得到優(yōu)化參數(shù)，根據(jù)得到的優(yōu)化參數(shù)確定機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)角度和可操作工作空間。根據(jù)參數(shù)確定關(guān)節(jié)點(diǎn)中氣囊中的氣壓優(yōu)化值，創(chuàng)造機(jī)械臂穩(wěn)定環(huán)境，且保持機(jī)械臂關(guān)節(jié)的靈活。

圖5 避障坐標(biāo)

3 機(jī)械臂性能試驗(yàn)與結(jié)果

基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的采摘機(jī)械臂節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)機(jī)械臂移動(dòng)位置是否存在偏移，驗(yàn)證機(jī)械臂性能并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。進(jìn)行8組試驗(yàn)(試驗(yàn)樣機(jī)見(jiàn)圖6)，設(shè)置工作參數(shù)，控制位移，移動(dòng)機(jī)械臂，檢測(cè)移動(dòng)位移的數(shù)據(jù)，比較數(shù)值差異。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖6 采摘機(jī)械臂試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)號(hào)理論位移/mm實(shí)際位移/mm1260260.92300301.23340340.84400399.4

續(xù)表1

由表1可知：機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)偏差的均值為1.2mm。這說(shuō)明以氣動(dòng)柔性控制的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度較高，可以滿(mǎn)足采摘要求。

4 結(jié)論

基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的采摘機(jī)械臂節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)采用氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)控制關(guān)節(jié)，其5自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械臂可精確地定位采摘作業(yè)。經(jīng)試驗(yàn)，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)誤差1.2mm，有較高的精度及穩(wěn)定的工作性能。