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摘要：目前国内果蔬采摘作业基本上都是手工进行。但是随着人口的老龄化和农业劳动力的减少.农业生产成本也相应提高,这样会大大降低产品的市场竞争力。如何以低成本获得高品质的产品是果蔬生产环节中必须重视和考虑的问题,而机器人正在或已经替代人的繁重体力劳动,可以连续不问断地工作,极大地提高了劳动生产率,是农业智能化不可缺少的重要环节。大力发展机械的自动化收获采摘技术,加快研发果蔬采摘机器人的步伐是解决该问题的有效措施,并且对我国农业综合水平的提高具有重要的意义。
关键词:气动机械手,苹果采摘；设计
1.气动机械手发展状况
气动技术—这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术,在加工制造业领域越来越受到人们的重视,并获得了广泛应用。目前,伴随着微电子术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展,气动技术也不断创新,以工程实际应用为目标,得到了前所未有的发展。
另一方面,气动技术作为“廉价的自动化技术”,气动机械手与其它控制方式的机械手相比,具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点。由于其元器件性能的不断提高,生产成本的不断降低,被广泛应用于现代工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上,几乎都配有气动系统。许多工业发达国家的气动元件产值己接近液压元件的产值,且仍以较大速度发展。完全可以想象,类同“家用电器”,将来会出现“家用气动”这样的名词为人们熟知。
随着气动技术获得了快速发展,其中利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视,气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术。
2.采摘机器人机构选型原则
由于农业环境的复杂性、不确定性和果实分布的随机性,采摘机械手的选型既要遵循工业机械手的基本原则,又要考虑其作物的特殊性。归纳采摘机械手的选型原则为:
2.1遵循工业机械臂的基本选型原则。
工业机械臂主要有四种形式，其具体功能特点如下:
(1)直角坐标型:该型机械臂前三个关节为移动关节,运动方向垂直,其控制方案与数控机床类似,各关节之间没有藕合,不会产生奇异位形,刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。
(2)圆柱坐标型:该型机械臂前三个关节为两个移动关节和一个转动关节,这种形式的机器人占用空间小,结构简单。
(3)极坐标型:具有两个转动关节和一个移动关节。该型机器人的优点是灵活性好,占地面积小,但刚度、精度较差。
(4)关节坐标型:前三个关节都是回转关节,特点是动作灵活,工作空间大、占地面积小,缺点是刚度和精度较差。
就工业机器人而言,机械臂的机构型式的选择取决于对机器人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制的难易的要求。通常以直角坐标型至圆柱坐标型、极坐标型、关节坐标型的顺序来看,同一手臂尺寸综合的机器人,其活动范围和灵活度由小到大,控制难易的程度由易到难,而位置精度由高到低,负荷能力由大到小。
2.2机械手的采摘能力要求
(1)最优的工作空间。工作空间越大,采摘范围越广,通用性也就越好。
(2)具有较好的避障能力。果实采摘过程中,机械手能避开障碍物。
(3)机构设计合理。若机构设计不合理,可能会出现运动干涉或驱动装置无法设置,机构不能运动等问题。在满足要求的前提下,尽量采用特殊结构的机械手机构,使相邻运动副的轴线相互平行或正交。
(4)农业机器人要求操作简单,成本低廉,因此尽量采用冗余度少、机构简单的形式。
3.果蔬采摘机器人在苹果采摘中的应用
3.1机器人采摘苹果的具体特点
由以上调研数据可以分析得出苹果采摘的一些具体特点:
1)苹果采摘机器人机械手要具有相对较大的工作空间。
2)机器人避障性能的要求随着苹果栽培模式的改变以及苹果果枝密度向着将会越来越小发展而降低
3)苹果采摘机械手因为苹果质量相对较小(0.18一0.25kg),持重能力的要求相对降低很多。
4)在开放的环境中,苹果可随果枝在风中摆动,其本身位置不固定,所以在对采摘机器人提出位置精度要求的时候
5)在保证以上要求的基础上,尽量减少自由度的数目
3 .2苹果采摘机械手选型结论
通过上面的分析,对于苹果采摘机器人机械手形式而言,得到一下选型结论:
1)机械手基体选择关节型机械臂形式最为合适,其包括腰部、大臂,小臂共三个部分。其动作灵活,工作空间大、占地面积小的优点很适合苹果的采摘作业。
2)以关节坐标型机械臂为基体,为扩大机械臂的工作空间和增强机械手多路径采摘的能力,在腰部添加了升降结构,此结构为连杆折叠机构,在垂直方向上增加了机器人的作业空间,使得机器人拥有了采摘较高处苹果的能力,代替了人们用梯子或登高采摘苹果。
3)在小臂添加了伸缩关节,此关节不仅可以进一步扩大机器人的工作空间而一且可以与末端执行器配合,以本机械手特有的、被命名为”Eyes一in一hand''轨迹的避障方式进行采摘,以尽量降低机械手末端与果枝碰撞的机率。
4)因为其后设计的末端执行器不需要腕部具有自由度来调整姿态来切割果柄,同时规范的苹果园中,人们为了增强枝叶透光性,增强苹果品质,果树通常要进行修剪,这也增加了果枝之间的空隙,而降低了对苹果采摘的避障要求。故综合考虑,设计机械手不需要腕部自由度。这将降低了机器人的控制难度和成本。
通过上述分析,得到苹果采摘机器人机械手拥有了腰部升降、腰部转动、大臂仰俯、小臂摆动,小臂伸缩五个自由度,是一种五自由度串联关节型苹果采摘机械手,其自由度配置:P一RRR一P 如图1所示：
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图1苹果采摘机械手机构类型
4.结语：
机器人(机械手)作为前沿的产品和自动化设备更新时的需要,可以大量代替单调往复或高精度需要的工作。近年来,各国对气动伺服系统做了大量工作,尝试各种控制方式和控制策略以期达到提高系统的定位精度,以提高机器人(机械手)的定位精度。国内对气动机械手的设计很多,但多为针对某一特定场合、特定的工况的设计。一个自动化车间里的机械手(机器人)往往不是几台,而是很多台流水线式的协同合作,如果每台都要重新设计就造成不必要的麻烦。适应工业需要,研究开发果蔬采摘机器人,发展机械化收获技术,具有重要的意义。
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论文作者:游黎鹏1陈东礼2
论文发表刊物:《基层建设》2016年14期
论文发表时间:2016/10/26
标签：机械手论文; 机器人论文; 苹果论文; 关节论文; 自由度论文; 工作论文; 果枝论文; 《基层建设》2016年14期论文;