胡海霞，常博斌，王成軍 ，畢亮亮

(安徽理工大學(xué) a. 機(jī)械工程學(xué)院； b. 人工智能學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對(duì)乳制品的需求量大大增加，從而推動(dòng)畜牧業(yè)發(fā)展。高效、智能擠奶機(jī)器人的引入是畜牧業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。擠奶機(jī)器人能大大節(jié)省牧場(chǎng)日常的運(yùn)營(yíng)成本，提高牧場(chǎng)生產(chǎn)效率和奶源的整體品質(zhì)。其中機(jī)器人的末端執(zhí)行器在識(shí)別牛乳頭位置、姿態(tài)、套杯和牛乳頭清理消毒過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，其工作性能決定著擠奶機(jī)器人整體的穩(wěn)定性和工作效率[2]。

擠奶機(jī)器人套杯的方式為單夾持式末端執(zhí)行器ProFlex擠奶機(jī)器人，該機(jī)器人采用6軸工業(yè)級(jí)機(jī)械臂，1次只能對(duì)1個(gè)牛乳房進(jìn)行工作，1次完整的擠奶作業(yè)需要重復(fù)4次夾取套杯，導(dǎo)致工作效率低下[3]。而對(duì)于具有3自由度的LELY擠奶機(jī)器人而言，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其末端執(zhí)行器直接集成4個(gè)套杯，擠奶作業(yè)中可同時(shí)對(duì)4個(gè)乳房進(jìn)行套杯[4]，但由于每個(gè)奶杯缺乏微調(diào)裝置，對(duì)不同姿態(tài)和間距的牛乳房適應(yīng)能力差，導(dǎo)致套杯效率低。因此，設(shè)計(jì)一款自適應(yīng)強(qiáng)、工作效率高的夾持式末端執(zhí)行器具有現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)現(xiàn)有的擠奶機(jī)器人末端執(zhí)行器中的不足之處，基于TRIZ理論對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，得出一種可微調(diào)、雙夾持的氣動(dòng)夾持式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)。運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)末端執(zhí)行器工作空間進(jìn)行分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的合理性。

1 問題分析

1.1 問題描述

現(xiàn)有夾持式擠奶機(jī)器人的主要工作部件包括機(jī)器人底座、機(jī)械臂、末端執(zhí)行器等。采用串聯(lián)方式進(jìn)行連接，在末端執(zhí)行器上安裝夾持器及激光定位裝置，如圖1所示。

1—機(jī)器人底座；2—機(jī)械臂；3—激光定位裝置；4—夾持器。

擠奶機(jī)器人一般工作流程如圖2所示?，F(xiàn)有單夾持式擠奶機(jī)器人只能依次對(duì)乳頭進(jìn)行套杯工作，因此完成1頭奶牛的擠奶工作，需要對(duì)奶牛進(jìn)行4次套杯工作，導(dǎo)致擠奶流程長(zhǎng)、效率低。單臺(tái)擠奶機(jī)器人無法滿足牧場(chǎng)的需求，需采購(gòu)一定數(shù)量的擠奶機(jī)器人，牧場(chǎng)的設(shè)備成本也隨之增加。

圖2 擠奶機(jī)器人工作流程

1.2 因果軸分析

因果軸分析的目的是發(fā)現(xiàn)問題表面之下的真正關(guān)聯(lián)，通過分析問題產(chǎn)生的根本原因與結(jié)果之間的邏輯鏈，找出其中的薄弱環(huán)節(jié)，從而得到解決問題的突破口[5-6]。圖3為因果軸分析圖。

圖3 因果軸分析圖

根據(jù)圖3因果軸分析可知，擠奶機(jī)器人工作效率低的主要原因是：擠奶機(jī)器人末端執(zhí)行器上夾持器數(shù)量不足、夾持器自適應(yīng)能力不足、奶杯需要頻繁更換。

2 運(yùn)用TRIZ理論解決問題

2.1 基于技術(shù)矛盾對(duì)末端執(zhí)行器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

通過因果軸分析可知，傳統(tǒng)擠奶機(jī)器人的末端執(zhí)行器缺乏針對(duì)不同位姿牛乳房的微調(diào)裝置，夾持器數(shù)量過少導(dǎo)致工作效率低下。解決上述問題需要設(shè)計(jì)一種工作效率高、自適應(yīng)度高的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)。

將上述得到的根本原因歸納為適應(yīng)性及多用性和設(shè)備復(fù)雜性之間的矛盾以及時(shí)間損失和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性之間的矛盾。根據(jù)改善參數(shù)和惡化參數(shù)查找阿奇舒勒(G.S.Altshuler)矛盾矩陣表得到發(fā)明原理，如表1所示。

表1 矛盾矩陣

根據(jù)實(shí)際情況選擇適合本設(shè)計(jì)的發(fā)明原理，發(fā)明原理5(組合原理)以及發(fā)明原理15(動(dòng)態(tài)化原理)，如表2所示。

表2 矛盾解決原理

創(chuàng)新發(fā)明原理的應(yīng)用：結(jié)合組合原理的第1條將現(xiàn)有的單個(gè)夾持器組合起來，形成雙夾持結(jié)構(gòu)。當(dāng)檢測(cè)到奶牛進(jìn)入擠奶箱后，擠奶機(jī)器人開始工作，末端執(zhí)行器可以一次性夾取兩個(gè)套杯對(duì)牛乳頭進(jìn)行套杯操作。再結(jié)合動(dòng)態(tài)化原理的第3條，在兩個(gè)夾持器的底端加裝兩個(gè)角度調(diào)節(jié)裝置和一個(gè)絲杠滑軌裝置。兩個(gè)角度調(diào)節(jié)裝置可以分別實(shí)現(xiàn)夾持器x、y軸方向的角度微調(diào)節(jié)。絲杠滑軌裝置左右兩邊的絲杠分別是左旋和右旋，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)可調(diào)節(jié)兩夾持器間距。在夾持器夾取套杯運(yùn)動(dòng)到大致位置時(shí)，通過夾持器底端的角度調(diào)節(jié)裝置和絲杠滑軌機(jī)構(gòu)對(duì)夾持器進(jìn)行微調(diào)，改善夾持器對(duì)不同位姿、間距牛乳頭的適應(yīng)能力，提高對(duì)牛乳頭的套杯率。增加的調(diào)節(jié)裝置如圖4所示。夾持器的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 夾持器的參數(shù)表

1—右旋絲杠；2—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3—左旋絲杠；4—絲杠滑塊；5—縱向角度調(diào)節(jié)舵機(jī)；6—橫向角度調(diào)節(jié)舵機(jī)。

2.2 物-場(chǎng)分析

物-場(chǎng)分析法是一種具備3個(gè)必要元素的系統(tǒng)模型，從物質(zhì)和場(chǎng)的角度進(jìn)行分析，構(gòu)造出最小技術(shù)系統(tǒng)的理論與方法[7]。

末端執(zhí)行器上的夾持器以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，夾持過程中可以實(shí)現(xiàn)較高的精度控制，但擠奶機(jī)器人日常擠奶的環(huán)境較為潮濕，長(zhǎng)期作業(yè)對(duì)電器元件精度產(chǎn)生影響從而導(dǎo)致夾取奶杯松動(dòng)。這不僅影響擠奶機(jī)器人整體的工作效率，還會(huì)在套杯過程中對(duì)奶牛的乳頭造成傷害。在夾取作業(yè)中，夾持器的對(duì)象是奶杯。因此，可以把奶杯看作物質(zhì)S1，把夾持器看作物質(zhì)S2，S2在電場(chǎng)中對(duì)S1精度控制不足。夾取系統(tǒng)物-場(chǎng)模型如圖5所示。

圖5 夾取系統(tǒng)物-場(chǎng)模型

由夾取系統(tǒng)物-場(chǎng)模型可得，以電力為動(dòng)力源的夾持器在潮濕環(huán)境長(zhǎng)期使用后對(duì)奶杯抓取過程中產(chǎn)生了精度控制不足的問題。對(duì)于這種效應(yīng)不足的完整模型，參考物-場(chǎng)模型一般解，提出三種解法。

1)用另外一種場(chǎng)F2替代原來的場(chǎng)F；

2)增加另一個(gè)場(chǎng)F2來強(qiáng)化有效場(chǎng)；

3)引入第三種物質(zhì)S3并增加另外一個(gè)場(chǎng)F2來強(qiáng)化有用效用。

綜合考慮三種解法，選擇第一種解法思路，用一個(gè)新的場(chǎng)來代替原來的場(chǎng)。氣動(dòng)場(chǎng)以壓縮空氣為工作介質(zhì)，利用壓縮氣體的膨脹作用，把壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)夾持器的效果。氣動(dòng)夾持器的夾持對(duì)象單一，可通過校核調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定夾持的效果；氣動(dòng)夾持器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)潮濕工況的適應(yīng)性更好且反應(yīng)速度更快,縮短了作業(yè)時(shí)間，提高了工作效率。氣動(dòng)夾持器的動(dòng)力是通過氣管傳導(dǎo)，動(dòng)力源不需要集中在夾持器上，相對(duì)于電動(dòng)夾持器更加輕便，只需增加空氣壓縮機(jī)作為動(dòng)力源。同時(shí)氣管應(yīng)做好保護(hù)措施，避免在套杯作業(yè)中因氣管漏氣而發(fā)生危害事故。

圖6為夾取系統(tǒng)優(yōu)化方案，采用氣動(dòng)夾持器代替電動(dòng)夾持器，可以更好地適應(yīng)上述復(fù)雜環(huán)境對(duì)夾持器的影響，提高產(chǎn)品的使用壽命。圖7為改進(jìn)后的末端執(zhí)行器模型圖。

圖6 夾取系統(tǒng)優(yōu)化方案

1—伺服電機(jī)；2—底板；3—絲杠；4—絲杠滑塊；5—縱向角度調(diào)節(jié)舵機(jī)；6—橫向角度調(diào)節(jié)舵機(jī)；7—?dú)鈩?dòng)夾持器；8—彈性夾片。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)D-H法

D-H法的基本思想是通過坐標(biāo)系建立相鄰桿件之間的關(guān)系，并以四階齊次矩陣的形式進(jìn)行表示，從而建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[8]，相鄰桿件齊次矩陣如下:

(1)

3.2 末端執(zhí)行器正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

末端執(zhí)行器的三維模型，描述末端執(zhí)行器各個(gè)關(guān)節(jié)位置關(guān)系建立末端執(zhí)行器單側(cè)各連桿坐標(biāo)系，如圖8所示。通過坐標(biāo)齊次變換建立相鄰連桿坐標(biāo)系的位置關(guān)系，再以矩陣形式表示。

圖8 末端執(zhí)行器單側(cè)位姿坐標(biāo)系圖

由圖7可知，末端執(zhí)行器的位置和工作空間主要受底部絲杠滑軌運(yùn)動(dòng)滑塊、運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角(轉(zhuǎn)動(dòng)副)等因素的限制。

(2)

式中：di表示絲杠滑塊在軌道上的位置；dmin和dmax分別表示軌道滑塊的最小和最大距離的變化范圍；θi表示各支鏈中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(轉(zhuǎn)動(dòng)副)的轉(zhuǎn)角；θmin和θmax表示轉(zhuǎn)動(dòng)副的最小和最大轉(zhuǎn)角。由圖8可知，末端執(zhí)行器兩側(cè)的夾持器相對(duì)稱，只需對(duì)一側(cè)求解即可。一側(cè)的夾持器由1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成。桿件1繞坐標(biāo)軸O的z0軸旋轉(zhuǎn)θ1，繞x0軸旋轉(zhuǎn)α1；桿件2沿坐標(biāo)系1的z1軸平移d2；桿件3繞坐標(biāo)軸2的z2軸旋轉(zhuǎn)θ3，繞x2軸旋轉(zhuǎn)α3；桿件4繞坐標(biāo)軸3的z3軸旋轉(zhuǎn)θ4，繞x3軸旋轉(zhuǎn)α4；桿件5沿坐標(biāo)系4的z4軸平移52 mm；坐標(biāo)系5在夾片的中心位置。根據(jù)圖9建立的末端執(zhí)行器單側(cè)位姿坐標(biāo)系圖及設(shè)計(jì)參數(shù)建立D-H參數(shù)表，如表4所示。

圖9 末端執(zhí)行器三維工作空間

表4 D-H參數(shù)表

式中：cn=cosθn；sn=sinθn。

[noap]

(3)

式中：矩陣前3列表示末端執(zhí)行器工作時(shí)的姿態(tài)；第1列為法向矢量；第2列為方位矢量；第3列為接近矢量；最后一列表示末端執(zhí)行器夾持奶杯的工作位置。

3.3 末端執(zhí)行器工作空間分析

(4)

(5)

圖10 末端執(zhí)行器二維xOz工作空間

已知中國(guó)和史坦牛乳房的形體姿態(tài)特征，乳頭間距范圍為8～12 cm；乳頭長(zhǎng)度范圍為6.5～8.5 cm；乳頭直徑范圍為2.0～2.5 cm。由圖9、圖10得到的數(shù)據(jù)可知，擠奶機(jī)器人在進(jìn)行擠奶工作時(shí)，末端執(zhí)行器的執(zhí)行位能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同牛乳房位姿全覆蓋，滿足擠奶作業(yè)要求。

4 結(jié)語

1)本文運(yùn)用TRIZ理論中的因果分析法和矛盾矩陣及物-場(chǎng)模型對(duì)現(xiàn)有的擠奶機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行分析，得出了一種新型氣動(dòng)式自適應(yīng)雙夾持的末端執(zhí)行器，該執(zhí)行器具有雙夾持和微調(diào)節(jié)功能，滿足了不同牛乳房間距和位姿的調(diào)節(jié)要求，提高了末端執(zhí)行器的適應(yīng)性和擠奶工作效率。

2)利用MATLAB仿真證明擠奶機(jī)器人末端執(zhí)行器工作范圍滿足要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。