柑橘采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)算法

1、第卷第期東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）年（）：柑橘采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)算法盧偉宋愛國蔡健榮孫海波陳曉穎（東南大學(xué)儀器科學(xué)與丁程學(xué)院，南京）（江蘇大學(xué)食晶與生物工程學(xué)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(jiān)硬的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新穎的柑橘采摘機(jī)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(yùn)算速度的約束條件，并運(yùn)用法建立了機(jī)器人坐標(biāo)變換矩陣，分別給出了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的合理性、有效性機(jī)器人臂展、工作空間，末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)緊湊、功率低、剪切效率高且不會(huì)損傷柑橘，切割果梗和的柑橘平均時(shí)間分別為和該機(jī)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(dòng)化采摘，同時(shí)適應(yīng)于蘋果、梨、桃及西紅柿等果蔬的自動(dòng)化采摘關(guān)鍵詞：水果采摘；柑橘采摘；末端執(zhí)行器；運(yùn)動(dòng)學(xué)；機(jī)器人中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文章編號(hào)：（）（。，）（，。）：曲璐，【，。磚鼯忙聊甲，佻，。，：；在果蔬生產(chǎn)作業(yè)中，采摘效牢低，費(fèi)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(chǔ)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(dòng)力人口向城市轉(zhuǎn)移，迫切需要自動(dòng)化的采摘設(shè)備但是果蔬的生長隨時(shí)空環(huán)境的變化而變化，存在非結(jié)構(gòu)性和不確定性，果實(shí)嬌嫩、果梗堅(jiān)硬，并且枝葉茂密，工作環(huán)境復(fù)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(dǎo)師咖基金項(xiàng)目：教育部聞防】鴦礎(chǔ)研究資助項(xiàng)（）、教部霞人創(chuàng)新？氍培育資金項(xiàng)（）引文格式：盧偉朱愛閑禁健榮等柑倆采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)及運(yùn)動(dòng)學(xué)：法【】東南人學(xué)學(xué)撤：然科學(xué)版，（）：】萬方數(shù)據(jù)東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第卷動(dòng)采摘設(shè)備的研發(fā)心】現(xiàn)在國內(nèi)外的果蔬采摘機(jī)器人的主要工作目標(biāo)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?yàn)楣６糖夷举|(zhì)化程度高，較為堅(jiān)硬，因此是自動(dòng)化采摘的難點(diǎn)之一，以此為采摘目標(biāo)的機(jī)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(shí)目標(biāo)的識(shí)別和定位上，而對于機(jī)器人機(jī)械本體的研究較少本文提出了一種柑橘采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包

4、括手臂和末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)，并根據(jù)柑橘采摘機(jī)器人的工作特征給出了能夠提高運(yùn)算速度的約束條件及基于此的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，最后通過仿真和試驗(yàn)研究進(jìn)行了驗(yàn)證機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人在相同體積條件下比非關(guān)節(jié)型機(jī)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(yīng)用于丁業(yè)焊接、噴漆、搬運(yùn)和裝配等場合，因此柑橘采摘機(jī)器入宜選擇關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)柑橘采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器作時(shí)基本處于水平姿勢，無需像工業(yè)機(jī)器人手腕那樣多維度運(yùn)動(dòng)，且柑橘樹冠較高，機(jī)器人工作空間較大，因此傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不太適宜柑橘機(jī)器人而要實(shí)現(xiàn)立體空間內(nèi)的柑橘采摘，機(jī)器人的關(guān)節(jié)最少應(yīng)為個(gè)，又考慮柑橘枝葉等環(huán)境較為復(fù)雜

5、，在采摘中機(jī)器人往往需要避障并深入到狹小的枝葉間隙空間進(jìn)行作業(yè)，因此需要冗余設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)數(shù)可取或個(gè)機(jī)器人末端執(zhí)行器重量及采摘時(shí)柑橘的拉力都較大，導(dǎo)致機(jī)器人手臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率和重量也較大，關(guān)節(jié)多則電機(jī)也多，且隨著前端電機(jī)數(shù)量及重量的增加，后端電機(jī)的重最和功率將顯著增加，因此設(shè)計(jì)中選擇具有冗余的最小關(guān)節(jié)數(shù)，即確定機(jī)器人為個(gè)關(guān)節(jié)本文設(shè)計(jì)的五關(guān)節(jié)串聯(lián)型柑橘采摘機(jī)器人由腰關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及大臂、中臂、小臂個(gè)俯仰關(guān)節(jié)構(gòu)成根據(jù)采摘對象柑橘樹的生長狀況確定了采摘機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并綜合考慮各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇以及機(jī)器人手臂各部分的尺寸應(yīng)最大程度發(fā)揮電機(jī)的

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

7、置的步進(jìn)電機(jī)通過一對傘齒副耦合輸出的方式，使得整個(gè)步進(jìn)電機(jī)的重心都落在腰部回轉(zhuǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)，空心杯電機(jī)經(jīng)減速器輸出，再通過一對傘齒副耦合輸出驅(qū)動(dòng)手臂腕關(guān)節(jié)采用小功率步進(jìn)電機(jī)通過減速器耦合后直接驅(qū)動(dòng)此外，因?yàn)闄C(jī)器人手臂伸展較長，扭矩較大，設(shè)計(jì)中在手臂對面一側(cè)殼體內(nèi)加裝有線拉式配重塊一腰關(guān)節(jié)；一肩關(guān)節(jié)；，一大臂；一中臂；卜小臂；粼器圖關(guān)節(jié)型柑橘采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖步進(jìn)電機(jī)選用了混合式步進(jìn)電機(jī)，其混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛空心杯電機(jī)選用的系列直流空心杯電機(jī)，這種電機(jī)體積小、重量輕、速度高和效率高，被廣泛應(yīng)用于航空航天和深海

8、探測的自動(dòng)化儀器設(shè)備中空心杯電機(jī)都配裝減速比：、型號(hào)為的行星齒輪減速器機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)階段，機(jī)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(biāo)設(shè)計(jì)專用的結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，另一方面，設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器又要盡可能具有普適性本設(shè)計(jì)的工作目標(biāo)是萬方數(shù)據(jù)第期盧偉，等：柑橘采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jī)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過果樹剪刀剪切柑橘果梗時(shí)，平均需要施加的力才能確保剪切成功本設(shè)計(jì)采用電動(dòng)惻盤齒形鋸刀片來切割柑橘的果梗，所需切割電機(jī)的（平均功率為，最高轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shí)，螺紋吸管前端安裝的吸盤用于將遠(yuǎn)處或藏于樹葉中的水果吸引住，伸縮電機(jī)通過齒輪副帶動(dòng)螺紋吸管將水果牽引向圓筒，當(dāng)水果接近網(wǎng)筒時(shí)，趕果環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過拉繩將趕果環(huán)拉起，趕果環(huán)將水果趕入圓筒同時(shí)將果梗推向鋸刀片，切割電機(jī)通過高速傳動(dòng)輪和皮帶帶動(dòng)鋸刀片高速旋轉(zhuǎn)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(jìn)人果籃 一連接桿；一螺紋吸管；一伸縮電機(jī)；一趕果環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；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(dòng)輪；一切割電機(jī)；一吸毅傳動(dòng)由輪；一托簧；一吸盤圈末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析機(jī)器人坐標(biāo)系的建立及坐標(biāo)變換矩陣本文機(jī)器人是開鏈連桿式關(guān)節(jié)型機(jī)器人，由一系列通過關(guān)節(jié)連接起來的連桿構(gòu)成可為每個(gè)連桿在關(guān)節(jié)處同接一個(gè)坐標(biāo)系，并通過齊次變換來描述這些坐標(biāo)系之間的相對位置和姿態(tài)為了減少計(jì)算量，進(jìn)行了等效處理，將腰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系原點(diǎn)和大臂關(guān)節(jié)坐標(biāo)系原點(diǎn)進(jìn)行重合，共給出個(gè)坐標(biāo)系，如圖所示，其中一戈為基坐標(biāo)系，一為固接于末端執(zhí)行器上用于表述機(jī)器人位

11、姿的坐標(biāo)系圖末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖根據(jù)圖所示的機(jī)器人連桿坐標(biāo)系可以求得各個(gè)連桿的變換矩陣：（，）（，一）（，仍）（，）（，島）（，）一（）一是一與黽島：習(xí)（）而（）（，）（，）（，。）（，。）一（）萬方數(shù)據(jù)東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人末端執(zhí)行器在采摘水果的時(shí)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(yīng)與大地平行。如圖所示

12、圖采摘水果時(shí)手臂姿態(tài)圖如根據(jù)傳統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，應(yīng)先求出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，然后將末端執(zhí)行器的約束轉(zhuǎn)換成位姿，再代入求出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，這樣計(jì)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解時(shí)可減少一個(gè)獨(dú)立變量同時(shí)機(jī)器人在采摘時(shí)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(guān)節(jié)的角度有唯一解，于是可將末端執(zhí)行器腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)獨(dú)立出來這樣求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解時(shí)儀需求出機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)的個(gè)獨(dú)立變量，因此可以提高運(yùn)算和控制的速度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解基于以上約束，重新建立簡化坐標(biāo)系如圖所示圖柑橘采摘機(jī)器人簡化連桿坐標(biāo)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(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)算法廳￥一￥（）（）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解運(yùn)動(dòng)反解要求由末端執(zhí)行器坐標(biāo)系的笛卡爾空間到關(guān)節(jié)空間的逆變換，以求出諸關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)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(jì)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(xiàng)相等得：。，可以推出一生；由（，）項(xiàng)相等、口，得：矗（占甩

14、，一，）（，一），可推出以型二魚生；由（，）項(xiàng)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(dāng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法相比，本算法步驟得到減少，計(jì)算速度較傳統(tǒng)算法提高約仿真及試驗(yàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真通過的丁具箱對上文中的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了仿真，并利用三維繪圖函數(shù)繪制機(jī)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(diǎn)密集，通過計(jì)算可知機(jī)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(jī)器人作空間的邊界情況和實(shí)際作業(yè)范圍，仿真結(jié)果驗(yàn)證了

15、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的科學(xué)性、合理性目商一一圈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真機(jī)器人采摘試驗(yàn)柑橘采摘機(jī)器人的試驗(yàn)樣機(jī)和采摘柑橘的實(shí)景圖如圖所示通過控制機(jī)器人可以流暢地對日標(biāo)柑橘進(jìn)行精確定位和高效采摘，機(jī)器人末端定位精度為萬方數(shù)據(jù)東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 第卷 ， ， ， ， （）：（ ） 宋健，張鐵中，徐麗明。等果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展 與展望【農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，（）： ， ， ， “ 歸 ，（）： （ ） 梁喜風(fēng)，苗香雯，崔紹榮，等番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué) 優(yōu)化與仿真試驗(yàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，（）： 一 ， ， ， ， 圖機(jī)器人樣機(jī)及柑橘采摘實(shí)景圖 ，（）：（ ） ， ， ， 末端取樣器對果梗直徑為 的柑橘，平 均單只剪切時(shí)日為 ，對果梗直徑為 的柑 橘平均單只剪切時(shí)間為 ，因此采摘試驗(yàn)效果較 為理想 ， ，貸（）： 宋健孫學(xué)巖，張鐵中等茄子采摘機(jī)器人機(jī)械傳動(dòng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)機(jī)械傳動(dòng)，（）： ， ， 結(jié)語 針對柑橘樹冠較高、果實(shí)空間分布較大，且其 ， ， （）：（ ） 果梗木質(zhì)化程度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新穎的關(guān)節(jié) 型柑橘采摘機(jī)器人，其中包括手臂和末端執(zhí)行器 本文中所述的機(jī)器人高度高、臂展長、作空間大， 能夠滿足大棚種植模式下