杜金财ꎬ尹建军ꎬ贺㊀坤ꎬ余成超
扁蓿豆排卵检测仪(江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室ꎬ江苏镇江㊀２１２０１３)
智能游戏者
摘㊀要：为实现篱架式栽培的食用葡萄自动化采摘ꎬ设计了一种关节型四自由度(４－ＤＯＦ)机械臂ꎬ并利用Ｄ－Ｈ参数法建立机械臂的连杆坐标系ꎮ通过ＭａｔＬａｂ里的ＲｏｂｏｔｉｃｓＴｏｏｌｂｏｘ建立机械臂的数学模型ꎬ对机械臂的正㊁逆运动学进行仿真ꎬ对末端执行器走直线轨迹进行了轨迹规划ꎮ利用ＡＤＡＭＳ建立机械臂的虚拟样机ꎬ将轨迹规划仿真数据作为驱动ꎬ进行动力学仿真ꎬ获得夹持２ｋｇ葡萄时腰关节㊁肩关节㊁肘关节及腕关节所需驱动力矩分别为９５㊁５２㊁４８㊁１２Ｎ ｍꎬ从而为采摘机械臂的物理样机制造与采摘试验提供了技术依据ꎮ 关键词：葡萄采摘ꎻ４－ＤＯＦ机械臂ꎻ轨迹规划ꎻ虚拟样机ꎻ动力学仿真
中图分类号:Ｓ２２５ꎻＴＰ２４２㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ文章编号:１００３－１８８Ｘ(２０１９)０８－００５８－０７
门槛记０㊀引言
水果产业已经跃居农作物排行榜的第３位[１]ꎬ葡萄作为水果产业的一种得到大家的广泛喜爱ꎮ但是ꎬ葡萄采摘的季节性强㊁劳动强度大㊁成本高ꎬ成为了农业生产链中最费时费力的环节ꎻ再加上人口老龄化问题及农村劳动力流失等问题ꎬ使得从事农业生产的劳动力越来越少ꎮ因此ꎬ自动化采摘作业已经成为设施农业生产发展中的迫切需要[２－４]ꎮ
国内外对于水果采摘机器人的设计已投入大量科研力量ꎮ早期日本近藤(ＫＯＮＴＯ)[５]等研制的番茄采摘机器人ꎬ采用了７自由度机械臂ꎬ成功率为７０％左右ꎬ采摘速度大约是１５ｓ/个ꎮ但该机械手无法避开叶茎障碍物ꎬ被叶茎遮挡的成熟番茄未被采摘ꎬ需要在结构和避障等方面加以改进ꎮ荷兰ＩＭＡＧ研究所[６]开发了一种７自由度关节型机械臂ꎬ可实现收获与摘叶同时进行ꎬ采摘速度为４５ｓ/根ꎬ采摘成功率为８０％ꎮ我国开展水果采摘机器人的研究时间较晚ꎬ但目前科研力度的投入及成果已步入世界前列ꎮ桂林电子科技大学伍锡如㊁黄国明[７]等进行了新型苹果采摘机器人的设计与试验ꎬ采摘成功率为９１.３１％ꎬ平均采摘周期约为２９ｓꎮ中国农业大学李伟[８]等开发的４自由度关节型机械臂平均采摘周期为２８ｓꎬ采摘成功收稿日期:２０１８－０３－３０ 基金项目：国家自然科学基金项目(５１４７５２１２)
作者简介：杜金财(１９９３－)ꎬ男ꎬ山东滕州人ꎬ硕士研究生ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)５７５９２３８２６＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ
通讯作者：尹建军(１９７３－)ꎬ男ꎬ山西大同人ꎬ研究员ꎬ硕士生导师ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)ｙｉｎｊｉａｎｊｕｎ＠ｕｊｓ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ
葛根素片包装箱制作率为８６％ꎻ但视觉识别中阴影㊁遮挡㊁亮斑影响较大ꎬ末端执行器对较粗果梗无法剪断或容易造成果实的掉落ꎮ对于棚架栽培草莓的采摘ꎬ国家农业智能装备工程中心的冯青春[９]等研发了一种６自由度的关节式机械臂与双目视觉系统ꎬ平均采摘周期为２２.３ｓꎬ成功采摘周期为３１.３ｓꎮ郭素娜㊁张丽㊁刘志刚[１０]等基于自主导航设计了一种６自由度葡萄采摘机器人ꎬ采用ＣＡＮ(ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ)总线对运动进行控制ꎬ对葡萄树的准确识别率达到９５％以上ꎬ对成熟葡萄的识别率达到９８％以上ꎮ尽管对于采摘机器人的研究取得了重大的进步ꎬ但同时也存在着结构与控制复杂㊁制造成本高及采摘周期长等问题ꎮ
针对上述问题ꎬ笔者进行了葡萄采摘机器人机械臂各部分的结构设计ꎬ通过ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件建立了葡萄采摘机器人机械臂的三维整体构造模型ꎬ利用Ｍａｔ￣
ｌａｂ与ＡＤＡＭＳ进行运动学与动力学仿真ꎬ根据仿真内容进行基于时间的运动及动力分析ꎬ为葡萄采摘机器人机械臂的电机选型㊁调试和实际操作提供了依据ꎮ１㊀葡萄采摘机械臂的结构设计
１.１㊀构型与自由度的选择
以篱架整枝的食用葡萄为采摘对象ꎬ葡萄植株成行种植ꎬ一般位于距地面高１~１.８ｍ之间ꎬ行距４~６ｍꎻ植株行之间的垄道即为作业道ꎬ葡萄距ＡＧＶ(Ａｕ￣ｔｏｍａｔｅｄＧｕｉｄｅｄＶｅｈｉｃｌｅ)小车位置为０.４~０.５ｍ之间ꎮ由于小车可以实现前后移动ꎬ规定机械臂可采摘纵向深度为０.４ｍꎬ则机械臂需要达到的工作空间为(０.５ˑ０.４ˑ０.８)ｍ３ꎮ
机械臂的作用是为了通过编程使末端执行器运 ８５
２０１９年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第８期
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