番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)

1、2008年3月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第39卷第3期番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)3劉繼展李萍萍李智國(guó)【摘要】設(shè)計(jì)的基于多傳感器信息融合和開(kāi)放式控制的智能型番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器, 其硬件主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng), 執(zhí)行系統(tǒng)中真空吸盤(pán)裝置使果實(shí)從果束中分離, 手指夾持機(jī)構(gòu)對(duì)番茄可靠抓持, 果梗切斷裝置利用激光對(duì)果梗進(jìn)行切斷。該末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)質(zhì)量為112kg , 完成一次采摘?jiǎng)幼髦恍?s 。只需更換聯(lián)接板, 即可與其他機(jī)械手順利聯(lián)接。關(guān)鍵詞:番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器多傳感器硬件設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TP24216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A H ardw are Design of the End

2、2effector for 2Liu Jizhan Li (U An end 2effector for tomato 2harvesting robot was developed based on multi 2sensor information fusion and open control. The end 2effector is composed of actuating system , perception system , control system and power 2supply system. In actuating system , the vacuum su

3、ction pad device separates the fruit from the cluster , and then a gripper grasps the tomato fruit reliably , finally the peduncle 2cutting device cuts the peduncle with laser. Design mass of this end 2effector is 112kg , which needs only 3s to perform actions of harvesting. By changing a connecting

4、 plate , the end 2effector can be mounted on different manipulators.K ey w ords Tomato 2harvesting robot , End 2effector , Multi 2sensor , Hardware , Design收稿日期:20072032143國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):60575020 劉繼展江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師博士生, 212013鎮(zhèn)江市李萍萍江蘇大學(xué)副校長(zhǎng)教授博士生導(dǎo)師李智國(guó)江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院碩士生引言采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)械手前端,

5、 直接與采摘目標(biāo)相接觸, 以實(shí)現(xiàn)果蔬采摘所需運(yùn)動(dòng)和附加功能的裝置, 是采摘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)果蔬采摘的關(guān)鍵執(zhí)行部分。與工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器相比, 由于其作業(yè)對(duì)象和環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復(fù)雜多變性特征, 采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有明顯的特殊性和更高的智能化要求。日本、美國(guó)、荷蘭等國(guó)曾開(kāi)發(fā)了各類末端執(zhí)行器110, 但智能化程度較低, 對(duì)于作業(yè)對(duì)象與環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復(fù)雜多變性缺乏適應(yīng)能力, 影響了果實(shí)采摘的效率和成功率; 末端執(zhí)行器的移動(dòng)性和輕便性差, 多數(shù)采摘機(jī)器人及其末端執(zhí)行器由交流供電, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)采摘, 而普通鉛酸電池的體積、質(zhì)量和容量等則難以達(dá)到要求; 采摘機(jī)器人及其末端執(zhí)行器應(yīng)用工

6、控機(jī)控制, 輕便性差, 靈活性不足。我國(guó)目前雖然在果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)器視覺(jué)、智能小車(chē)、機(jī)械手等研究上均已取得一定進(jìn)展, 末端執(zhí)行器的研究卻仍是空白。為此, 提出一種基于多傳感器信息融合和開(kāi)放式控制的智能型番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器, 并進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。1總體結(jié)構(gòu)與原理本采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器以番茄為主要對(duì)象, 其硬件由執(zhí)行系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng) 組成, 其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)感知系統(tǒng)中距離與接近傳感器獲取作業(yè)對(duì)象的位置、距離、形狀等信息, 通過(guò)多傳感器的信息融合, 控制真空吸盤(pán)前進(jìn), 當(dāng)吸住果實(shí)后拉動(dòng)其后退, 使果實(shí)從果束中分離出來(lái); 手指合攏, 通過(guò)力傳感器反饋夾持力與滑動(dòng)等

7、信息, 控制手指可靠夾持而又不對(duì)果實(shí)造成破壞; 激光聚焦透鏡轉(zhuǎn)動(dòng), 定位于果梗并由激光束將果梗切斷; 機(jī)械手帶動(dòng)末端執(zhí)行器將果實(shí)放入貯藏箱, 從而完成番茄的采摘 。圖1Fig. 1Body of 2robot1. 手指2. 3. 4、8、11. 直流伺服電動(dòng)機(jī)5. 6. 齒條7. 外殼9、10. 錐齒輪12. 齒輪2執(zhí)行系統(tǒng)番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的執(zhí)行系統(tǒng)包括真空吸盤(pán)裝置、手指夾持機(jī)構(gòu)和果梗激光切斷裝置, 分別完成果實(shí)吸附拉動(dòng)、夾持和切斷動(dòng)作。211真空吸盤(pán)裝置番茄成束生長(zhǎng), 為了使目標(biāo)果實(shí)從果實(shí)束中脫離出來(lái), 以增加手指夾持的成功率并避免在夾持過(guò)程中手指對(duì)其他果實(shí)的損害, 設(shè)置了真空吸盤(pán)裝

8、置。該裝置包括真空系統(tǒng)和吸盤(pán)進(jìn)給機(jī)構(gòu)。真空系統(tǒng)用于使吸盤(pán)產(chǎn)生吸力, 穩(wěn)定可靠吸住果實(shí), 由真空發(fā)生設(shè)備、真空監(jiān)測(cè)控制元件、吸盤(pán)和聯(lián)接附件組成?？紤]移動(dòng)式采摘機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)特點(diǎn), 采用小型壓縮氣罐為氣源, 與集成了監(jiān)測(cè)控制元件、質(zhì)量?jī)H為01275kg 的小型真空發(fā)生器共同作為真空發(fā)生設(shè)備; 采用適應(yīng)曲面及不平整工件、具有良好緩沖性能的真空波紋吸盤(pán), 由真空軟管、接頭等附件聯(lián)接組成番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的真空系統(tǒng)。吸盤(pán)進(jìn)給機(jī)構(gòu)中, 真空波紋吸盤(pán)固定于齒條的前端, 由微型直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng), 通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)帶動(dòng)吸盤(pán)前進(jìn)和后退, 并與真空系統(tǒng)相配合, 完成吸住并拉動(dòng)果實(shí)的任務(wù)。該裝置中吸

9、盤(pán)直徑20mm , 吸力和拉脫力分別為318N 、1211N , 行程為110mm (圖2 。212手指夾持機(jī)構(gòu)圖2手指尺寸及吸盤(pán)行程Fig. 2Finger size and pad stroke 手指夾持機(jī)構(gòu)用于抓緊果實(shí), 以便進(jìn)行果梗的斷開(kāi), 手指數(shù)目可以為兩指或多指。多指末端執(zhí)行器雖然夾持更為穩(wěn)定可靠, 但機(jī)構(gòu)及控制的復(fù)雜性增加, 通用性變差, 同時(shí)在采摘空間中與果梗、枝葉的干涉現(xiàn)象也會(huì)隨之增多, 故設(shè)計(jì)中采用了兩指夾持方 式。手指寬為45mm , 為了增強(qiáng)夾持的可靠性, 面, 5mm (, , 帶動(dòng), 使與之, 從而合攏或者松開(kāi)。兩指夾持力可達(dá)30N , 可在015s 內(nèi)對(duì)<4

10、090mm 番茄果實(shí)完成夾持。213果梗激光切斷裝置番茄采摘機(jī)器人必須通過(guò)各種方式將梗斷開(kāi), 以實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的采摘。目前一般利用剪刀剪切或扭斷的方法, 但是剪刀剪切要求具有相應(yīng)的機(jī)構(gòu), 并有較大的驅(qū)動(dòng)力, 這會(huì)增大采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的尺寸和質(zhì)量; 同時(shí), 剪刀剪切會(huì)帶來(lái)植株間病菌的相互傳染和果實(shí)水分的流失。利用扭斷果梗的方法, 要求對(duì)果實(shí)有較大的夾緊力, 因而必須精確控制夾緊力, 否則容易造成果實(shí)的破裂和損傷。圖3果梗切斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3Schematic diagram of peduncle 2cutting device1. 聚焦透鏡2. 固定環(huán)3. 止推軸承4. 直流伺服電動(dòng)

11、機(jī)5. 光纖6. 電壓表7. 時(shí)間繼電器8. 可變電阻9. 電流表10. 電源開(kāi)關(guān)11. 鋰電池組為了克服現(xiàn)有果梗分離裝置的不足, 設(shè)計(jì)了一種果梗激光切斷裝置(圖3 , 通過(guò)非接觸式的激光能夠方便地切斷果梗, 并大大降低機(jī)器人末端執(zhí)行011農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)2008年器裝置的復(fù)雜性和對(duì)夾緊力控制精度的要求。果梗激光切斷裝置由激光發(fā)生控制單元和果梗聚焦切斷單元組成。其中激光發(fā)生控制單元由尺寸僅為92mm ×86mm ×20mm 的小型30W 高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器和保護(hù)控制電路組成, 保護(hù)控制電路對(duì)激光器進(jìn)行直流供電和穩(wěn)壓保護(hù), 通過(guò)并聯(lián)的可變電阻調(diào)節(jié)激光器供電電流。果梗聚焦切

12、斷單元由聚焦透鏡、直流伺服電動(dòng)機(jī)、聯(lián)接與支承部件組成。激光器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SMA905型光纖連接頭與聚焦透鏡聯(lián)接。作業(yè)時(shí)由固定于機(jī)械手上的雙目視覺(jué)系統(tǒng)與末端執(zhí)行器上的距離傳感器相配合, 以進(jìn)行果梗的精確定位; 通過(guò)直流伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)聚焦透鏡轉(zhuǎn)動(dòng), 使透鏡對(duì)準(zhǔn)果梗; 由電磁閥控制激光器打開(kāi), 激光束聚焦于果梗上(焦距為50mm 將其切斷。聚焦透鏡的傾角可以進(jìn)行調(diào)整, 以滿足不同品種果實(shí)的梗長(zhǎng)需要。3感知系統(tǒng)、接近傳感器、指力傳感器、腕力傳感器和壓力傳感器組成, 以充分感知末端執(zhí)行器的內(nèi)部和外部信息。其中內(nèi)部感覺(jué)包括:在直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中, 與直流電動(dòng)機(jī)和微型減速器集成為一體的直流伺服電動(dòng)機(jī)編碼器,

13、 用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置, 構(gòu)成半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng), 以精確控制真空吸盤(pán)、手指和激光聚焦透鏡的運(yùn)動(dòng)位置和速度。在真空發(fā)生器中集成壓力傳感器, 測(cè)量并反饋真空負(fù)壓, 判斷真空波紋吸盤(pán)對(duì)果實(shí)的吸附和拉動(dòng)狀態(tài), 并為末端執(zhí)行器的下一步動(dòng)作提供信息。番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器借助多種傳感器來(lái)充分感知作業(yè)目標(biāo)及環(huán)境的距離覺(jué)、接近覺(jué)、力覺(jué)等外部信息:在末端執(zhí)行器中部安裝有遠(yuǎn)距傳感器, 可以檢測(cè)20150cm 范圍內(nèi)物體的距離; 在兩手指前端分別安裝1個(gè)近距傳感器, 可以檢測(cè)1060cm 范圍內(nèi)物體的距離; 在兩手指前端分別安裝1個(gè)接近傳感器, 用來(lái)感知10cm 距離范圍內(nèi)物體的接近情況。以上1個(gè)遠(yuǎn)距傳感

14、器、2個(gè)近距傳感器和2個(gè)接近傳感器所獲取的信息相融合, 以輔助采摘機(jī)器人及其末端執(zhí)行器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、空間定位、測(cè)定果實(shí)的表面形狀、決定抓取的姿態(tài)和動(dòng)作并避免手指對(duì)果實(shí)的碰撞。在末端執(zhí)行器兩手指內(nèi)側(cè)面分別安裝了三維指力傳感器, 能同時(shí)檢測(cè)三維力信息(F x , F y , F z , 在末端執(zhí)行器與機(jī)械手腕部連接處安裝有六維腕力/力矩傳感器, 可以同時(shí)檢測(cè)三維空間內(nèi)的全部力和力矩信息(F x , F y , F z , M x , M y , M z 。2個(gè)三維指力傳感器和1個(gè)六維腕力/力矩傳感器感知的力覺(jué)信息相融合, 以檢測(cè)控制手指對(duì)果實(shí)的夾持力和滑動(dòng)摩擦力, 實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的精確可靠抓持; 同時(shí)感測(cè)

15、末端執(zhí)行器抓取的姿態(tài)和對(duì)果實(shí)進(jìn)行稱量, 根據(jù)果實(shí)質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)。4控制系統(tǒng)以便攜式計(jì)算機(jī)+多軸運(yùn)動(dòng)控制卡為上位控制單元, 構(gòu)建開(kāi)放式控制系統(tǒng)(圖4 。與工控機(jī)和臺(tái)式機(jī)相比, 便攜式計(jì)算機(jī)占用空間小、質(zhì)量輕, 無(wú)需交流電源, 更適合于移動(dòng)采摘機(jī)器人和末端執(zhí)行器的控制。便攜式計(jì)算機(jī)與多軸運(yùn)動(dòng)控制卡之間以USB 方式進(jìn)行通訊, 方便聯(lián)接和斷開(kāi); 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)置DSP 數(shù)字信號(hào)處理器, 便攜式計(jì)算機(jī), , , 使采摘、靈活。圖4末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)組成框圖Fig. 4Composing of control system for the end 2effector末端執(zhí)行器的所有傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D

16、轉(zhuǎn)換由擴(kuò)展I/O 口輸入多軸運(yùn)動(dòng)控制卡, 同時(shí)通過(guò)多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的I/O 口輸出控制信號(hào), 構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。輸出控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)放大, 控制電動(dòng)機(jī)的位置和速度, 實(shí)現(xiàn)手指夾持機(jī)構(gòu)和真空吸盤(pán)機(jī)構(gòu)的力與運(yùn)動(dòng)的精確控制。同時(shí)通過(guò)電磁閥控制真空發(fā)生器的開(kāi)閉, 通過(guò)繼電器控制光纖耦合半導(dǎo)體激光器的開(kāi)閉, 按照一定的順序執(zhí)行動(dòng)作, 完成果實(shí)的采摘。111第3期劉繼展等:番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)開(kāi)放、靈活、功能強(qiáng)大、易于擴(kuò)展, 并可與機(jī)器人本體控制器進(jìn)行通訊。5結(jié)束語(yǔ)番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器集一系列最新技術(shù)及元器件、設(shè)備于一體。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用瑞士Maxon 微型直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

17、驅(qū)動(dòng), 其中最小的電動(dòng)機(jī)及減速器總質(zhì)量?jī)H為9g 。同時(shí)考慮采摘機(jī)器人在田間或溫室環(huán)境下的移動(dòng)作業(yè), 該末端執(zhí)行器采用質(zhì)量、體積僅為普通鉛酸電池的1/31/4, 且容量大、壽命長(zhǎng)的高能鋰電池組進(jìn)行供電。系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量?jī)H為112kg , 末端執(zhí)行器完成采摘?jiǎng)幼鞯臅r(shí)間為3s 。除了應(yīng)用于番茄采摘以外, 對(duì)形狀大小相近的柑橘、蘋(píng)果等也具有一定的通用性。該末端執(zhí)行器硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中注重了末端執(zhí)行器機(jī)械主體與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有機(jī)器人本體、特別是機(jī)械手的良好匹配, 同時(shí)只需更換聯(lián)接板, 即可實(shí)現(xiàn)與其他機(jī)械手的順利聯(lián)接。參考文獻(xiàn)1Shinsuke K itamura , K oichi Oka. Recognition

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