1、一种用于农业果实采摘的机械臂的改良及应用检验摘 要对现行的机械臂进行了优化，克服已有缺陷，研制出一种新的机械臂。可灵活进行四自由度的空间伸展，缩小了机械臂尺寸并缩减了运作范围，并设计出可在任何立方体空间内使用的机械臂改良方法：以一定的采摘空间为基础，构建改良数学模型，使用优化工具完成建模，在实际的应用中进行参数的改良并检验改良的方案，最后的试验应用结果证明了虽存在一定的误差但优化较合理，可满足基本的果实采摘要求。关键词机械臂 果蔬采摘 优化改良 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0287-01 引言 当今科技发展的步伐不断加快，机械化的应用也随
2、之不断发展普及，在未来农业生产和收获领域，机器人将代替人力成为生产工作的主要执行者。用于采摘果实的机器人是农用机器人中不可或缺的一员，有着广阔的发展前景。早些年日本和荷兰等国家已经发明制造出可采摘黄瓜、番茄等果实，运用于温室及小农场的机器人，我国的一些高等学府也一直在研究可运用于收获的机器人。根据国内外相关的文献记载发现，有关机器人对采摘目标辨识的系统研究是农业机器人研究的主要关注点，相关的研究也有较多，但对于机器人机械臂的结构研究还比较少有。机械臂在机器人的整体结构中有着至关重要的作用，可以体现了机器人的性能，设计参数改良对于机械臂机器人的运作也至关重要，但现有使用的机器人机械臂大多是购买安
3、装成品机械手，投入大且占地较大不灵巧。因此本文针对此现状，研究出一种新的果实采摘关节型机械臂，带有四自由度运行的关节，并设计一个可任意进行采摘的立方体空间，最后在温室黄瓜采摘的作业中改良设计参数，并检验机械臂设计的合理性。 1.改良型果蔬采摘机械臂机构设计 关节型是农业机器人结构设计的一种类型，主体的自由度主要有三个，其中旋转关节是其主要的组成部件，各旋转关节分别对应人的肩肘腕关节，因此与其他类型机器人相比，关节型机械臂机器人和人类手臂更加类似，机体十分灵巧且占地小而运行范围大。本文在对不同形式机器人进行考察之后选择了设计关节型机器人。 机械臂的自由度是机械手重要的指标，自由度过少可能无法完成
4、采摘任务，自由多过多会造成结构的冗余，控制起来存在诸多不便。本文考虑到这些因素，研制一种应用于温室果蔬采摘的机械臂，主要针对枝干与果实有一段距离，采摘较易的作物，采摘时可利用各自由度关节来明确被采摘果实的方位。为了更加方便果实的采摘，保持采摘过程机械臂的水平，同时设计在腕关节后增加一个可旋转的零件，故而使机械臂成为四自由度的机器人，即可完全满足采摘需求。该机械臂目的是在满足采摘的基础上缩减机械臂体积，精简结构。关节形式大致相同，利用减速器使驱动与运作部位结合。基座和连接杆都采用轻薄材料，使用铝合金及碳纤维管材料，控制部位主要是采用 CAN 总线通信分布控制其他部位，整体设计简化方便。 2.机械
5、臂的改良参数 选取温室黄瓜采摘为运行背景，先将采摘空间进行简化，再确定各设计变量及机械臂各连接杆，由于机械手在运行过程中腕关节的操作臂始终水平，故可不进行优化，只确定四个优化点即可。随后构建一个空间，建立相关的函数，考虑到一定的条件约束来计算优化参数。机械臂的设计包括了函数、设计变量、条件约束等几个方面，针对这些方面设计一个优化箱，进行函数编写，带入约束条件最后得出改良的结果。 3.机械臂在黄瓜采摘作业的运用及分析 为了检验机械臂的设计合理性，选择了采摘黄瓜为研究对象，对机械臂工作一开始的站姿到对目标果实的采摘整个运动过程为试验对象，选取了几个采摘试验点检验机械手运行状态。 主要有以下步骤：1
6、）求得采摘位置的方程式，获得各关节的伸展角度，带入选取试验对象的数据均可求得准确的数据说明此改良合理。2）在摆线运动的基础上规划机械臂关节运行的轨迹，总结出从工作初始到极限关节的位置的控制参数，利用 CAN 总线向各关节发送指令。3）机械臂的运动位置确定后，利用 Platinum FaroArm 测量臂进行机械臂尾部位置的坐标测量，得出相关数据，验证机械臂在采摘极限及在实际采摘过程运行平稳无抖动，从而证明了机械臂设计的合理和机械臂结构参数改良的可行性。但是机械臂由于一些原因产生了一些误差，造成的原因可能有：1）各部件的电动设备都是独立控制，所以在动作的惯性和重力等项目上会彼此影响，因此造成各关
7、节的角度控制误差；2）机械手连接杆的参数在制造和装配时可能会存在一定的误差。针对以上的情况可以采取对应的措施来弥补。机械臂角度的控制误差可通过利用控制方法的改进，或可以利用控制机械臂动力模型来改进。装配方面的误差，可通在装配过程中安装优化软件来控制装配偏差，进而使机械臂运行更加精确无误。 4.结论 1）本次设计的关节型机械臂解决了以往投入高占地面积大的不足，具有轻便简介的外观，投资少，但承载力与强度都能达到相应的作业要求。 2）设计了一种可高效利用机械臂的立方空间，并提出了一种改良机械臂参数的方法，在温室黄瓜采摘的背景，利用 Matlab 优化箱对机械臂进行了设计参数的改良。 3）在温室环境中
8、进行黄瓜采摘作业，结果表明实践检验机械臂设计参数的合理，机械臂可在相应的采摘点进行作业，虽存在误差但可满足温室黄瓜采摘的要求，对于精度上的误差问题有待以后的不断改进。 参考文献 1 赵才军.机器人工作空间及关节运动可靠性规划D.南京： 南京理工大学，2003. 2 Van Henten E J，Henmming J，Van TuijL B J A，et al.Collision-free montion planning for a cucumber picking robotJ.Biosystems Engineering，2003，86（2）：135-144. 3 Foglia M M，
9、Reina G.Agricultural robot for radicchio harvestingJ.Journal of Filed Robotics，2006，23（6）：363-377. 4 Kondo N，Monta M.Basic study on chrysanthemum cutting sticking robotC/Proceedings of the International Symposium on Agricultural Mechanization and Automation，1997， （1）：93-98. 5 赵金英，张铁中，杨丽。西红柿采摘机器人视觉系统的目标提取J.农业工程学报，2008，24（10）：89-94. 作者简介 肖兵兵（1994） ，汉族，男，河南信阳罗山人，学生，本科在校生，单位：郑州大学机械工程学院机械工程及自动化专业，研究方向：故障诊断。
