采摘机器人避障末端臂的设计与试验

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自1983年第 1台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发历经了 30多年。在国外，日本、美国和西欧等发达国家相继立项开发了苹果、柑桔、西红柿、西瓜 和葡萄等智能采摘机器人 1-7]。日本 Kondo-N的团队研制的西红柿采摘机械手具有 7个 自由度，在机构灵活度方面增强了机械手的避障能力。Johan Baeten和Sven Boedrij等人研制的苹果采摘机器人，将工业机器人的6自由度手臂安装于可竖直升降的架子上，再由 1台拖拉机牵引在果园里作业。法国-家公司开发了苹果采摘机器人 ，其利用液压作为动力，机器人工作空间有限。在国内，对于果蔬采摘机器人的研究刚刚起步，中国农业大学对苹果采摘机械手的视觉识别系统和手臂控制进行了研究，东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人 J。此外，上夯通大学正在进行黄瓜采摘机器人的研究，浙江大学对 7自由度番茄收获机械手进行了机构分析与优化设计研究等 J。

目前 ，国内外对于采摘机器人机械臂结构主要采用两种类型：-是直接借用工业机械臂形式；二是基于避障而采用的冗余自由度机械臂。无论哪种类型，其机器人的关节类型多为转动形式，而在实际的机器收稿日期：2012-08-11基金项目：南京工业职业技术学院院级重大科研项 目(YK10-01-06)作者简介：队军(1963-)，男，江苏姜堰人，副教授，高级工程师，(E- mail)dingij###nit.edu.cn。

人采摘作业中，转动关节臂动作时，臂杆在果树内扫过的面积是-个扇面，而移动关节臂的伸缩动作路径只是-条直线。相比而言，转动关节臂增大了采摘机器人机械臂与果树枝叶的碰撞几率，降低了机器人的避障能力，增加了采摘机器人路径规划和运动控制的难度。所以，在保证采摘成功率的前提下，机械臂的后关节采用移动关节具有更优的避障性能。

另外，目前用来感知外部环境信息的传感器大都装在机器人的末端执行器上，在机械臂上安装的很少。而机器人在采摘果树内部的果实时，机械臂的末端臂不可避免地要深入果树的内部进行作业，会与枝叶发生碰撞。如果机械臂没有感知碰撞力大小程度的功能，当其撞上较粗的树枝时就没有能力做出判断，那么这种碰撞即可对果树和机器人都造成损害。

基于以上调研及分析，本文提出了-种能够感知危险碰撞力的、具有伸缩功能的采摘机器人避障末端臂(下文简称末端臂)，其通过转动关节与机器人大臂连接 ，并安装上相应的末端执行器之后，进行了试验，收到了良好的效果。

1 总体结构方案设计的末端臂(如图 1所示)主要由大臂关节法兰件、丝杠螺母机构、伸缩杆和 3组感知碰撞部件组成。末端臂通过大臂关节法兰件与机器人大臂形成转动连接，整体相对于大臂可以进行仰俯动作；丝杠螺母机构中的螺母件与伸缩杆固定连接，从而使伸缩杆具有直线伸缩的功能，伸缩杆末端加工出M16螺纹2013年 2月 农 机 化 研 究 第 2期缩弹簧固定在弹簧支撑架上，圆柱卡片设置于弹簧支撑架的底部。其中，弹簧支撑架上的孔径小于圆柱卡片直径，导柱依靠弹簧支撑架上的光孔进行对压缩弹簧的压缩定向，导柱和圆柱卡片固定相连，圆柱卡片的直径大于光孔直径是为了限制导柱连接的碰撞片不会因为压缩弹簧的预紧力使其从架体上飞出去，从而限定了碰撞片的活动空间。

开关组件包括微动开关和微动开关支架 ，如图 5所示。微动开关支架固定在架体上，支架上相应加工出两条腰形孔，微动开关可以上下调节高度后固定在支架上，同时要保证微动开关的高度小于相应的碰撞片的高度。

1.微动开 关支架 2.微 动开关图 5 微动开关组件微动开关和机器人的控制系统相连，压缩弹簧-端由于受到预紧力作用将相应的碰撞片顶起，另-端压在弹簧支撑架上。当碰撞片受到大于相应压缩弹簧预紧力的压力碰撞后，压缩弹簧将沿着导柱向下收缩，直至碰撞片压到其下的微动开关动作为止。微动开关发信号给机器人控制系统 ，提示该方向上碰到危险障碍物，机械臂应该停止在这个方向上的运动，重新规划采摘路径，或选择其他方向进行采摘。弹簧组件的个数、弹簧的刚度系数 、预紧力和碰撞片与微动开关的距离决定了机械臂对何种大小程度的碰撞力做出反应。在实际的机器人采摘果实过程中，特别是枝叶较茂密的果树，机械臂经常碰到很多柔韧性好的细枝条，这时机械臂不必对此做出反应，即此时的机械臂的碰状应力应大于碰撞力，这样既避免了机器人做无谓的判断和规划，又有利于提高机器人整体的采摘效率和成功率。

2 试验及改进根据设计图纸要求，加工制作的末端臂实物样机如图6所示。同时，在伸缩杆末端利用螺纹连接装配相应的末端执行器，整体通过大臂关节法兰件与大臂上此处的行星齿轮减速器法兰输出端固定连接，由交流伺服电机驱动，末端臂可相对与大臂做仰俯的旋转运动。

图 6 试验样 机试验中，启动末端臂的交流伺服电机，伸缩杆随即在丝杠螺母机构的带动下进行相应的直线伸缩运动，动作平稳，但换向时整体有轻微的晃动。经试验分析查明，原设计的架体和支撑架之间只靠两根导杆固定，加上制造配合误差的影响，致使整体结构不稳。

后设计制造了加固板，同时固定了架体和支撑架，问题得到解决，测定伸缩杆最大速度为0.154m/s。用压力计模拟树枝撞 3个方向的碰撞片，其中压力计显示8.6N时，上方的感知碰撞部件的微动开关动作，发出了信号；而当压力计显示 l3.3N与 12.6N时，左右方的感知碰撞部件分别发出了信号。各个方向上感知的碰撞力不同原因有4点：-是感知碰撞部件的弹簧组件个数不同，上方的弹簧组件有3个，其他分别为4个；二是各弹簧长度及预紧力存在差异；三是各导柱和弹簧支撑架存在不确定的干摩擦；四是微动开关与碰撞片的间距不等。而当样机制造完成后，前两条因素已确定，不便再改动调整。试验证明，导柱改用相应的光滑圆钢，支撑架孔上再安设直线轴承与导柱配合，可有效地减小摩擦，同时提高导柱动作的稳定性。

所以，通过调节微动开关的高度是可行的调整感知碰撞力大小的合适方法。试验表明，微动开关不同高度使其能够对不同碰撞力做出反应。

201 3年 2月 农 机 化 研 究 第 2期3 结束语本文通过总结国内外已有成果和分析机器人采摘实际情况，提出了采摘机器人末端臂伸缩功能相比转动关节在避障方面的更具优势的观点，并且指出末端臂具有感知碰撞力的重要性。为此，设计了-种能够感知危险碰撞力的、具有伸缩功能的采摘机器人避障末端臂 ，加工制造了样机，通过试验改进了部分结构，样机伸缩杆动作稳定自如，感知碰撞结构动作可靠，并可通过调节微动开关的高度位置对不同碰撞力做出反应，发出危险力的开关量信号，实现避障感知，从而适应多种果蔬的采摘作业。