柑橘采摘機器人結構設計及運動學算法

1、第卷第期東南大學學報（自然科學版）年（）：柑橘采摘機器人結構設計及運動學算法盧偉宋愛國蔡健榮孫海波陳曉穎（東南大學儀器科學與丁程學院，南京）（江蘇大學食晶與生物工程學院。鎮(zhèn)江）摘要：針對柑橘樹冠較高，果梗木質(zhì)化程度高、短且堅硬的特點，設計了新穎的柑橘采摘機器人手臂和末端執(zhí)行器根據(jù)其工作特征給出了能夠提高運算速度的約束條件，并運用法建立了機器人坐標變換矩陣，分別給出了機器人運動學正解和逆解仿真和試驗結果表明了機器人結構設計及運動學算法的合理性、有效性機器人臂展、工作空間，末端執(zhí)行器結構緊湊、功率低、剪切效率高且不會損傷柑橘，切割果梗和的柑橘平均時間分別為和該機器人高度高、臂展長、工作空問大，能夠

2、滿足大棚種植模式下的自動化采摘，同時適應于蘋果、梨、桃及西紅柿等果蔬的自動化采摘關鍵詞：水果采摘；柑橘采摘；末端執(zhí)行器；運動學；機器人中圖分類號：文獻標志碼：文章編號：（）（。，）（，。）：曲璐，【，。磚鼯忙聊甲，佻，。，：；在果蔬生產(chǎn)作業(yè)中，采摘效牢低，費用占成本的比例約為一，并且作業(yè)的質(zhì)量直接影響到果蔬的儲存、加丁及銷售目前，國內(nèi)的果蔬采摘基本上采用手方式隨著人口老齡化以及農(nóng)村青壯年勞動力人口向城市轉移，迫切需要自動化的采摘設備但是果蔬的生長隨時空環(huán)境的變化而變化，存在非結構性和不確定性，果實嬌嫩、果梗堅硬，并且枝葉茂密，工作環(huán)境復雜。這些都制約著自收稿日期：作者簡介：盧偉（）男博十乍；宋

3、愛閏（聯(lián)系人），男博十教授博士生導師咖基金項目：教育部聞防】鴦礎研究資助項（）、教部霞人創(chuàng)新？氍培育資金項（）引文格式：盧偉朱愛閑禁健榮等柑倆采摘機器人結構設及運動學：法【】東南人學學撤：然科學版，（）：】萬方數(shù)據(jù)東南大學學報（自然科學版）第卷動采摘設備的研發(fā)心】現(xiàn)在國內(nèi)外的果蔬采摘機器人的主要工作目標多為果梗較軟的西紅柿、黃瓜、茄子、櫻桃、草莓、蘋果及蘑菇等【圳，而柑橘因為果梗短且木質(zhì)化程度高，較為堅硬，因此是自動化采摘的難點之一，以此為采摘目標的機器人較少此外，國內(nèi)外的研究大多數(shù)集中在視覺系統(tǒng)對果實目標的識別和定位上，而對于機器人機械本體的研究較少本文提出了一種柑橘采摘機器人的結構設計，包

4、括手臂和末端執(zhí)行器設計，并根據(jù)柑橘采摘機器人的工作特征給出了能夠提高運算速度的約束條件及基于此的運動學分析，最后通過仿真和試驗研究進行了驗證機器人結構設計機器人手臂的結構設計關節(jié)型結構的機器人在相同體積條件下比非關節(jié)型機器人具有更大的相對和絕對工作空間，并且精確靈巧，被廣泛應用于丁業(yè)焊接、噴漆、搬運和裝配等場合，因此柑橘采摘機器入宜選擇關節(jié)型結構柑橘采摘機器人的末端執(zhí)行器作時基本處于水平姿勢，無需像工業(yè)機器人手腕那樣多維度運動，且柑橘樹冠較高，機器人工作空間較大，因此傳統(tǒng)的關節(jié)型工業(yè)機器人的結構不太適宜柑橘機器人而要實現(xiàn)立體空間內(nèi)的柑橘采摘，機器人的關節(jié)最少應為個，又考慮柑橘枝葉等環(huán)境較為復雜

5、，在采摘中機器人往往需要避障并深入到狹小的枝葉間隙空間進行作業(yè)，因此需要冗余設計，關節(jié)數(shù)可取或個機器人末端執(zhí)行器重量及采摘時柑橘的拉力都較大，導致機器人手臂的驅動電機功率和重量也較大，關節(jié)多則電機也多，且隨著前端電機數(shù)量及重量的增加，后端電機的重最和功率將顯著增加，因此設計中選擇具有冗余的最小關節(jié)數(shù)，即確定機器人為個關節(jié)本文設計的五關節(jié)串聯(lián)型柑橘采摘機器人由腰關節(jié)、腕關節(jié)個旋轉關節(jié)及大臂、中臂、小臂個俯仰關節(jié)構成根據(jù)采摘對象柑橘樹的生長狀況確定了采摘機器人的水平工作空間為，垂直作空間為通過的優(yōu)化工具箱對機械結構進行優(yōu)化，并綜合考慮各個驅動電機的選擇以及機器人手臂各部分的尺寸應最大程度發(fā)揮電機的

6、扭矩，同時留有充足余量，確定機器人手臂的各個尺寸其中從底座到肩關節(jié)（大臂關節(jié)）主軸軸線高度為，肩關節(jié)主軸軸線到中臂關節(jié)主軸軸線的距離為，中臂關節(jié)主軸軸線到小臂關節(jié)主軸軸線的距離為，小臂關節(jié)主軸線到末端執(zhí)行器尾端的距離為柑橘采摘機器人結構如圖所示，主要包括基座、腰部、大臂、中臂、小臂、各關節(jié)軸及電機、減速器、光電碼盤、聯(lián)接件等由于機器人各個關節(jié)的重量和扭矩是逐次向下傳遞的，因此對機器人腰部和肩部的力矩要求最大，本設計中機器人的腰部和肩部都選用了大力矩步進電機機器人的腰部回轉結構采用豎直放置的步進電機通過萬向聯(lián)軸器直接耦合的驅動方式，成本低、安裝方便并且克服了傳統(tǒng)齒輪傳動效率低的缺點肩部采用豎直放

7、置的步進電機通過一對傘齒副耦合輸出的方式，使得整個步進電機的重心都落在腰部回轉中心大臂與中臂以及中臂與小臂之間都通過重量輕、體積小、輸出功率大的空心杯電機驅動，空心杯電機經(jīng)減速器輸出，再通過一對傘齒副耦合輸出驅動手臂腕關節(jié)采用小功率步進電機通過減速器耦合后直接驅動此外，因為機器人手臂伸展較長，扭矩較大，設計中在手臂對面一側殼體內(nèi)加裝有線拉式配重塊一腰關節(jié)；一肩關節(jié)；，一大臂；一中臂；卜小臂；粼器圖關節(jié)型柑橘采摘機器人結構圖步進電機選用了混合式步進電機，其混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，應用最為廣泛空心杯電機選用的系列直流空心杯電機，這種電機體積小、重量輕、速度高和效率高，被廣泛應用于航空航天和深海

8、探測的自動化儀器設備中空心杯電機都配裝減速比：、型號為的行星齒輪減速器機器人末端執(zhí)行器的結構設計現(xiàn)階段，機器人末端執(zhí)行器還很難像人手一樣輕便、靈活和多功能化，因此，針對下作目標設計專用的結構較為經(jīng)濟實用，另一方面，設計的末端執(zhí)行器又要盡可能具有普適性本設計的工作目標是萬方數(shù)據(jù)第期盧偉，等：柑橘采摘機器人結構設計及運動學算法果梗木質(zhì)化程度很高的柑橘，以及蘋果、梨子、桃子等冠狀樹：的圓形水果在已有研究中對黃瓜、番茄等果梗較軟的水果一般采用激光切割、剪切等方法激光切割的方法對果梗較軟的水果較為可行，但是對果梗較硬的柑橘則較為困難，且切割的激光功率很大，對操作者、機器人及果樹都有安全隱患；而剪切方式則

9、要求提供較大的切割壓緊力，通過對多只柑橘的剪切試驗發(fā)現(xiàn)，當通過果樹剪刀剪切柑橘果梗時，平均需要施加的力才能確保剪切成功本設計采用電動惻盤齒形鋸刀片來切割柑橘的果梗，所需切割電機的（平均功率為，最高轉速）功率和果梗壓緊力都較小，且剪切效率較高具體末端執(zhí)行器結構如圖所示，其中圓筒下方開孔處外接收集囊末端執(zhí)行器：作時，螺紋吸管前端安裝的吸盤用于將遠處或藏于樹葉中的水果吸引住，伸縮電機通過齒輪副帶動螺紋吸管將水果牽引向圓筒，當水果接近網(wǎng)筒時，趕果環(huán)驅動電機通過拉繩將趕果環(huán)拉起，趕果環(huán)將水果趕入圓筒同時將果梗推向鋸刀片，切割電機通過高速傳動輪和皮帶帶動鋸刀片高速旋轉切斷果梗，切割掉的水果在重力作用下掉入

10、圓筒下方的收集囊中，并通過收集囊進人果籃 一連接桿；一螺紋吸管；一伸縮電機；一趕果環(huán)驅動電機；一皮帶輪；一托繩；一圃簡；一趕果環(huán)；歸鋸刀片；一鋸刀座；一頂盞；一高速傳動輪；一切割電機；一吸毅傳動由輪；一托簧；一吸盤圈末端執(zhí)行器結構圖機器人運動學分析機器人坐標系的建立及坐標變換矩陣本文機器人是開鏈連桿式關節(jié)型機器人，由一系列通過關節(jié)連接起來的連桿構成可為每個連桿在關節(jié)處同接一個坐標系，并通過齊次變換來描述這些坐標系之間的相對位置和姿態(tài)為了減少計算量，進行了等效處理，將腰關節(jié)坐標系原點和大臂關節(jié)坐標系原點進行重合，共給出個坐標系，如圖所示，其中一戈為基坐標系，一為固接于末端執(zhí)行器上用于表述機器人位

11、姿的坐標系圖末端執(zhí)行器結構圖根據(jù)圖所示的機器人連桿坐標系可以求得各個連桿的變換矩陣：（，）（，一）（，仍）（，）（，島）（，）一（）一是一與黽島：習（）而（）（，）（，）（，。）（，。）一（）萬方數(shù)據(jù)東南大學學報（自然科學版）第卷（，鞏）如一如島（）式中，表示（）；表示（）；表示（）；表示（以以）；其余類推，。：（）其中￥（）（一磚）一一￥。（如）一（厶），￥（如）一曲一￥一一，（）一（）毛一￥（丘）一￥一￥邪：乞，機器人運動的約束條件柑橘兇受到重力作用，其果梗大多呈垂直姿態(tài)，因此機器人末端執(zhí)行器在采摘水果的時候須滿足約束條件：鋸刀片呈水平姿態(tài)，即末端執(zhí)行器圓筒的中心軸線應與大地平行。如圖所示

12、圖采摘水果時手臂姿態(tài)圖如根據(jù)傳統(tǒng)的機器人運動學算法，應先求出機器人運動學逆解，然后將末端執(zhí)行器的約束轉換成位姿，再代入求出機器人各個關節(jié)的角度，這樣計算量較大本文根據(jù)以上約束，由圖推出以一優(yōu)，因此在求解機器人運動學逆解時可減少一個獨立變量同時機器人在采摘時刀片呈水平姿態(tài)，且刀片處于末端執(zhí)行器的上方，因此腕關節(jié)的角度有唯一解，于是可將末端執(zhí)行器腕關節(jié)的轉動獨立出來這樣求解機器人運動學逆解時儀需求出機器人手臂關節(jié)的個獨立變量，因此可以提高運算和控制的速度機器人運動學正解基于以上約束，重新建立簡化坐標系如圖所示圖柑橘采摘機器人簡化連桿坐標系可以推出：一屯屯二。一能葷（）其中刀￥弘一弭以（）一（厶）凡

13、，￥一￥，。一，（，島）一如（，峨，如）一扣和。托如。萬方數(shù)據(jù)第期盧偉，等：柑橘采摘機器人結構設計及運動學算法廳￥一￥（）（）機器人運動學逆解運動反解要求由末端執(zhí)行器坐標系的笛卡爾空間到關節(jié)空間的逆變換，以求出諸關節(jié)轉角。已知末端執(zhí)行器的位姿矢量為門，口（）：（），（島）。（以）（）分別用。）左乘、（吼）右乘式（）兩邊，得（口）。（以）（一）（礬）（）（）（吼）（）（）（以）（）分別計算得（）。（吼）（）其中（，）（）一（刀）（），釓一（。）￥一療：“一，（療，一）（）一（，一療）（）一（島）（島）一）一，島（）由式（）、（）的（，）項相等得：。，可以推出一生；由（，）項相等、口，得：矗（占甩

14、，一，）（，一），可推出以型二魚生；由（，）項相等得：。九：、，如，可推出易（￥：）；又由約束條件吼壘墜二皇旦；、，可得（九）（墜盟島：廣墊生當型（：）一墜二盟旦塵型以上各解都取作范嗣內(nèi)的有效數(shù)值與傳統(tǒng)機器人運動學逆解算法相比，本算法步驟得到減少，計算速度較傳統(tǒng)算法提高約仿真及試驗機器人運動學仿真通過的丁具箱對上文中的機器人運動學進行了仿真，并利用三維繪圖函數(shù)繪制機器人的作空間如圖所示從圖可見，在垂直方向一、水平方向一、水平方向一范圍內(nèi)作點密集，通過計算可知機器人的丁作空間體積約為，能夠滿足溫室內(nèi)柑橘采摘的要求作空間的圖形仿真精確地表示了采摘機器人作空間的邊界情況和實際作業(yè)范圍，仿真結果驗證了

15、機器人結構設計和運動學算法的科學性、合理性目商一一圈機器人運動學仿真機器人采摘試驗柑橘采摘機器人的試驗樣機和采摘柑橘的實景圖如圖所示通過控制機器人可以流暢地對日標柑橘進行精確定位和高效采摘，機器人末端定位精度為萬方數(shù)據(jù)東南大學學報（自然科學版） 第卷 ， ， ， ， （）：（ ） 宋健，張鐵中，徐麗明。等果蔬采摘機器人研究進展 與展望【農(nóng)業(yè)機械學報，（）： ， ， ， “ 歸 ，（）： （ ） 梁喜風，苗香雯，崔紹榮，等番茄收獲機械手運動學 優(yōu)化與仿真試驗農(nóng)業(yè)機械學報，（）： 一 ， ， ， ， 圖機器人樣機及柑橘采摘實景圖 ，（）：（ ） ， ， ， 末端取樣器對果梗直徑為 的柑橘，平 均單只剪切時日為 ，對果梗直徑為 的柑 橘平均單只剪切時間為 ，因此采摘試驗效果較 為理想 ， ，貸（）： 宋健孫學巖，張鐵中等茄子采摘機器人機械傳動 系統(tǒng)設計與開發(fā)機械傳動，（）： ， ， 結語 針對柑橘樹冠較高、果實空間分布較大，且其 ， ， （）：（ ） 果梗木質(zhì)化程度高的特點，設計了一種新穎的關節(jié) 型柑橘采摘機器人，其中包括手臂和末端執(zhí)行器 本文中所述的機器人高度高、臂展長、作空間大， 能夠滿足大棚種植模式下