邱立琦 ，于吉政 ，張協(xié)良 ，趙俊豪

（聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

火龍果在經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面有生產(chǎn)周期短、畝產(chǎn)值高等優(yōu)勢(shì)。近年來，我國海南、廣西、廣東、福建、貴州等省份，火龍果種植呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的增長態(tài)勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，2021年我國共種植火龍果4.2萬hm2，產(chǎn)量207.56萬t。為減輕火龍果工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高火龍果采摘效率，減少對(duì)果實(shí)的損傷，課題小組設(shè)計(jì)了一款火龍果采摘機(jī)[1-5]，火龍果采摘機(jī)整體模型如圖1所示。

圖1 火龍果采摘機(jī)整體模型

1 五軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂機(jī)構(gòu)

很多學(xué)者針對(duì)不同的作物設(shè)計(jì)了精細(xì)化的采摘設(shè)備，如王燕等[6]設(shè)計(jì)了四自由度采摘手，但其靈活性和作業(yè)范圍具有明顯的局限性。為了更加準(zhǔn)確抓取火龍果，本研究采用了五軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂機(jī)構(gòu)。采用五軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂機(jī)構(gòu)，機(jī)械臂能夠根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。伺服電機(jī)用作裝置中的執(zhí)行元件的微型特種電機(jī)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)成軸的角位移和角速度，具有控制的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)。五自由度機(jī)械臂模型與運(yùn)動(dòng)分析如圖2所示，L1、L2、L3、L4為連桿的長度。假設(shè)Pi是第i個(gè)關(guān)節(jié)的矢量坐標(biāo)；Ri是第i個(gè)關(guān)節(jié)的姿態(tài)；θi是第i個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；w1、w2表示運(yùn)動(dòng)過程中腕關(guān)節(jié)的2個(gè)位置，w2點(diǎn)位置矢量r=(rx,ry,rz)?；瘕埞烧獧C(jī)器人硬件平臺(tái)的構(gòu)成如圖3所示。

圖2 五自由度機(jī)械臂模型與運(yùn)動(dòng)分析

圖3 火龍果采摘機(jī)器人硬件平臺(tái)的構(gòu)成

2 夾持切割機(jī)構(gòu)

夾持切割機(jī)構(gòu)包括夾持運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和限位切割機(jī)構(gòu)，兩者同時(shí)位于機(jī)械爪上，同時(shí)被電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)夾持與剪切一體化，夾持切割機(jī)構(gòu)模型如圖4所示。等效為彈簧阻尼的夾持機(jī)構(gòu)，與火龍果接觸作用過程中，需實(shí)時(shí)調(diào)整阻抗模型參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境的變化。為此，本研究制定了一種令阻抗模型剛度參數(shù)為零，同時(shí)對(duì)阻尼參數(shù)進(jìn)行基于期望夾持力與采集實(shí)際接觸力的偏差實(shí)時(shí)調(diào)整的變阻抗控制方法，以實(shí)現(xiàn)火龍果分揀夾持機(jī)構(gòu)對(duì)火龍果的無損夾取。對(duì)火龍果分揀機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及動(dòng)力學(xué)建模，針對(duì)該模型設(shè)計(jì)火龍果分揀機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)變阻抗控制算法（VIM+SMC），并進(jìn)行穩(wěn)定性證明與仿真驗(yàn)證[8]。

圖4 夾持切割機(jī)構(gòu)模型

1）限位切割機(jī)構(gòu)。限位切割機(jī)構(gòu)整體為爪型刀頁，割刀尾端具有鋒利的刀鋒，割刀前端為刀鋒，作為輔助夾持機(jī)構(gòu)，防止剪斷時(shí)果實(shí)掉落，兩片刀頁用兩頭螺栓固定連接；限位片整體為兩端略寬，中部稍窄的骨形，一邊與刀頁連接，一邊與傳動(dòng)齒輪連接，使兩片刀頁聚攏切割和張開，同時(shí)可限制刀頁位置，防止刀頁運(yùn)動(dòng)超程。

2）夾持運(yùn)輸機(jī)構(gòu)。夾持手爪為圓弧夾持型，適用于火龍果果型，同時(shí)具有夾持和松緊的功能，有一定的力約束和形狀約束，保證被夾持果實(shí)在移動(dòng)、停留和裝入過程中不改變姿態(tài)。手爪在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，兩手繞支點(diǎn)做圓弧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)火龍果果實(shí)進(jìn)行夾緊和定心。

3 控制系統(tǒng)

智能控制芯片，通過設(shè)定的程序?qū)z像頭和傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并判斷出實(shí)現(xiàn)功能所需的指令信號(hào)并傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)。F2812芯片作為人機(jī)交互部分和運(yùn)動(dòng)控制部分的主控芯片，可以控制兩個(gè)四自由度或一個(gè)六自由度的機(jī)械手[9]。CPU選用的是日本NOVA電子有限公司開發(fā)研制的MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)用了兩塊MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片[10]。

4 行走機(jī)構(gòu)

后輪驅(qū)動(dòng)裝置圖如圖5所示，車后輪為三角履帶輪作為驅(qū)動(dòng)輪，3個(gè)支重輪、導(dǎo)向輪由支撐架固定，電機(jī)安裝在支架上的電機(jī)固定結(jié)構(gòu)內(nèi)，由萬向節(jié)連接低速大扭矩馬達(dá)減速機(jī)，具有高通過性能。后輪驅(qū)動(dòng)裝置采用履帶傳動(dòng)，具有爬坡能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、適用于田間任何地形等特點(diǎn)。

圖5 后輪驅(qū)動(dòng)裝置圖

行走機(jī)構(gòu)總體裝置圖如圖6所示，前輪為人字輪，作為轉(zhuǎn)向輪，輪胎由耐磨橡膠制成，比一般輪胎壽命更長，輪轂采用鋼型材加工而成，中心孔四周有四個(gè)螺栓口，用于固定輪軸連接件。

圖6 行走機(jī)構(gòu)總體裝置圖

輪軸連接件由鋼板與鋼管焊接而成，鋼板一端通過螺栓固定于輪轂上，鋼管一段與前輪軸相連接固定。

后輪減震軸由氣缸和減壓彈簧組合而成，減壓彈簧連接在機(jī)身和車輪輪軸上，當(dāng)有車身震蕩時(shí)，減壓彈簧吸收了振幅，從而保證了整體機(jī)器的穩(wěn)定性。

對(duì)車腿支撐架進(jìn)行有限元分析，經(jīng)模擬分析，可以實(shí)現(xiàn)車輪的運(yùn)行，支架有限元分析圖像結(jié)果如圖7所示。

圖7 支架有限元分析圖像結(jié)果

5 雙目立體視覺定位測(cè)距機(jī)構(gòu)

雙眼立體視覺測(cè)距儀的核心技術(shù)就是利用仿生眼來達(dá)到與人體相似的視覺識(shí)別能力。利用電腦對(duì)影像的了解，可以讓機(jī)器人感受到物體的運(yùn)動(dòng)特征，并對(duì)其進(jìn)行描述和辨識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位和距離。該系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)是以O(shè)penCV 2.4.9為基礎(chǔ)的Visual Studio 2013編寫的。雙目立體視覺定位測(cè)距機(jī)構(gòu)如圖8所示，主要由兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)、三角支架、雙目板、水平儀、萬向三維云臺(tái)等組成。

圖8 雙目立體視覺定位測(cè)距機(jī)構(gòu)

立體視覺定位與測(cè)距框圖如圖9所示，雙眼立體視覺距離測(cè)量系統(tǒng)由特征提取、立體匹配、三維定位和距離測(cè)量等部分組成。基于特征立體匹配算法框圖如圖10所示，抽取的特征點(diǎn)可以構(gòu)造出相應(yīng)的特征描述，并選取適當(dāng)?shù)南嗨贫戎笜?biāo)來搜索出兩張圖片中所對(duì)應(yīng)的相似點(diǎn)。立體匹配是雙眼立體視覺中最為關(guān)鍵和最為復(fù)雜的部分，其匹配的優(yōu)劣將直接關(guān)系到視差的品質(zhì)。雙目立體視覺定位與距離測(cè)量是根據(jù)攝像機(jī)標(biāo)定過程獲得的攝像機(jī)參數(shù)，結(jié)合立體匹配得到視差，再通過平行雙目視覺模型便可計(jì)算出目標(biāo)物體的三維信息[11-14]。

圖9 立體視覺定位與測(cè)距框圖

圖10 基于特征立體匹配算法框圖

6 結(jié)語

火龍果自動(dòng)收獲采摘機(jī)械使用可充電電池，為整個(gè)機(jī)械提供動(dòng)力，具有能源環(huán)保、噪聲低、靈活度高、操作簡單、體積小、重量輕等特點(diǎn)；運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向從動(dòng)輪和后部履帶動(dòng)力輪組成，便于在碎石及泥土路面行駛，提高機(jī)器整體運(yùn)行的穩(wěn)定性；夾持收獲機(jī)構(gòu)由夾持手、限位切割刀、多軸運(yùn)動(dòng)臂及其傳動(dòng)齒輪組合件組成，其中多軸運(yùn)動(dòng)臂由多組液壓缸和軸控制器組合而成，具有位置伺服功能，能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)、速度加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?，便于?duì)多方位的火龍果進(jìn)行采摘同時(shí)可將火龍果裝入后方裝載倉中；控制系統(tǒng)由微型處理器、外圍儲(chǔ)存器、傳感器接口、軸控制器、輔助設(shè)備控制、通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口等組成，保證了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，盡可能保證采摘過程中沒有遺漏果實(shí)并且采摘時(shí)不傷果。