呂俊霞,李玉華,汪小志，鮑秀蘭

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 南陽(yáng)　473000；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌　330031；4.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢　430070)

?

采摘機(jī)器人執(zhí)行端機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電量模糊控制設(shè)計(jì)

呂俊霞1,李玉華1,汪小志2,3，鮑秀蘭4

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 南陽(yáng)473000；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌330031；4.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢430070)

摘要：末端執(zhí)行器是果蔬采摘機(jī)器人的另一重要部件，通常被認(rèn)為是機(jī)器人的核心技術(shù)之一。為了提高采摘機(jī)器人執(zhí)行末端的工作效率，增加機(jī)器人的有效作業(yè)時(shí)間，提出了一種新的優(yōu)化方法。該方法將采摘機(jī)器人執(zhí)行末端采用伺服電機(jī)控制，對(duì)機(jī)器人的電量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以備及時(shí)充電；對(duì)機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)學(xué)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用模糊控制理論實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行末端輸出功率和電量的模糊控制。該設(shè)計(jì)縮短了采摘機(jī)器人執(zhí)行末端的響應(yīng)時(shí)間，降低了果實(shí)破損率，提高了作業(yè)的有效時(shí)間，為采摘機(jī)器人的現(xiàn)代化和自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了較有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；執(zhí)行末端；輸出功率；模糊控制

0引言

獲得果實(shí)和分離果實(shí)是采摘機(jī)器人末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要任務(wù)，主要通過(guò)抓取、吸收和勾取等方式完成，同時(shí)用扭斷和剪切等方法實(shí)現(xiàn)果實(shí)和果更梗的分離。一般來(lái)說(shuō)，果實(shí)的獲取方法主要分為夾持類和非夾持類，分離果實(shí)與果梗的方式有傳統(tǒng)的扭斷、折斷、拉斷及通過(guò)剪刀或切刀進(jìn)行切斷，還有新式的熱切割方法等。

圖1為美國(guó)研發(fā)的一款西紅柿采摘機(jī)器人的執(zhí)行末端。該機(jī)器人的執(zhí)行末端是夾持類執(zhí)行末端，本文設(shè)計(jì)的果實(shí)采摘機(jī)器人也采用夾持類執(zhí)行末端。

圖1　采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器

1采摘機(jī)器人執(zhí)行末端機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了完成果實(shí)的采摘任務(wù)，選取了夾持類抓取工具作為采摘機(jī)器人的機(jī)械執(zhí)行末端，其材料應(yīng)用可變形材料，大大提高了變形的適應(yīng)能力，避免了快速抓取帶來(lái)的損害。抓取結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.機(jī)械爪　2.彈性材料硅膠　3.連接桿　4.止動(dòng)塊

圖3為采摘機(jī)器人執(zhí)行末端的抓取結(jié)構(gòu)。其中，在兩指上使用了橡膠等可變形材料，防止對(duì)果實(shí)產(chǎn)生機(jī)械損傷。手指的夾持結(jié)構(gòu)采用伺服電機(jī)機(jī)械控制，利用錐齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

在采摘機(jī)器人的采摘作業(yè)過(guò)程中，主要使用直流伺服電機(jī)進(jìn)行控制，采摘任務(wù)主要通過(guò)兩個(gè)動(dòng)作來(lái)完成：一是攝像機(jī)的果實(shí)定位過(guò)程，二是機(jī)械抓取過(guò)程。采摘機(jī)器人的攝像機(jī)部分采用eye-in-hand方式安裝。假設(shè)目標(biāo)果實(shí)在基坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為(Xbo,Ybo,Zbo)，其在攝像機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為(Xg,Yg,Zg)，與其在攝像機(jī)成像平面上的2D坐標(biāo)(X1,Y1)之間的關(guān)系為

(1)

其中，f為攝像機(jī)的焦距。

采摘機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)學(xué)上可以將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，如圖4所示。

1.手指　2.真空波紋吸盤　3.雙向螺桿

圖4　采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

利用該簡(jiǎn)化模式，可以對(duì)機(jī)器人基坐標(biāo)和攝像機(jī)坐標(biāo)進(jìn)行位置轉(zhuǎn)換，利用幾何方法可以得到如圖5的幾何關(guān)系圖。

圖5　采摘機(jī)器人關(guān)節(jié)幾何關(guān)系圖

由圖5可得

X={L22+L32-2×L2×L3×cos(π-θ3)-[L2×

sinθ2+L3×sin(θ2+θ3)]2/(1+tg2θ1)}1/2

(2)

Y=X×tgθ1

(3)

Z=L1+L2×sinθ2+L3×sin(θ2+θ3)

(4)

其中，L1、L2、L3為采摘機(jī)器人腰部、大臂、小臂的長(zhǎng)度；θ1、θ2、θ3為采摘機(jī)器人2、3、4空間自由度。

據(jù)此可以得到果實(shí)在基本坐標(biāo)系(Xbo,Ybo,Zbo)內(nèi)與其在攝像機(jī)坐標(biāo)內(nèi)的關(guān)系為

Xg=Xbo-X,Yg=Ybo-Y,Zg=Zbo-Z

(5)

為了實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人執(zhí)行末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可針對(duì)伺服電機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為

n=(線速度×60×減速比)/(2×pi×軸半徑)

(6)

則末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的計(jì)算功率為

(7)

根據(jù)計(jì)算功率，可以合理地選擇電機(jī)。根據(jù)輸出功率方面進(jìn)行選擇，則有

(8)

其中，F(xiàn)ω為工作機(jī)阻力；vω為工作機(jī)的線速度；ηω為工作機(jī)的效率；Fω=μN(yùn)，μ表示輪與地面之間的摩擦因數(shù)。

2機(jī)器人電池電量精確顯示和模糊控制

現(xiàn)在的機(jī)器人在待機(jī)時(shí)電流很大，電量的消耗非?？欤虼穗姵氐膲勖急容^短暫。為了將電池的壽命延長(zhǎng)，推出了各種解決方案。通用的方法如下：通過(guò)計(jì)算電池的電壓、電流、電路、溫度及電池的時(shí)間得到電池的電量，使用這樣的方法，電量的顯示用百分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)量，并且需要精度非常高的放大器、儲(chǔ)存器及電流感應(yīng)的電阻器。采摘機(jī)器人執(zhí)行末端伺服直流電機(jī)電池為二次充放電電池，其特性如表1所示。

在多數(shù)便攜應(yīng)用中，需要隨時(shí)了解電池剩余容量以估算電池使用時(shí)間，其庫(kù)侖計(jì)法如圖6所示。

庫(kù)侖計(jì)法對(duì)電池的剩余電量的估算方法是通過(guò)對(duì)流入和流出的電流凈電荷來(lái)進(jìn)行估算。使用這樣的方法對(duì)流入和流出的電池總電流來(lái)進(jìn)行積分，最終所得到的靜電荷數(shù)就是剩余的電池容量。電池的容量可以進(jìn)行預(yù)置，也可以后期在充電完整周期當(dāng)中進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過(guò)對(duì)電池的自放電進(jìn)行補(bǔ)償，使容量隨著溫度的變化而變化，最終可以獲得讓人比較滿意的精度。電池電量計(jì)將流入和流出的電池總電流持續(xù)進(jìn)行積分，最終把積分所得到的凈電荷數(shù)當(dāng)作所剩余的容量。其中，RSNS是mΩ級(jí)的檢流電阻，RL是負(fù)載電阻。電池通過(guò)RSNS、開(kāi)關(guān)對(duì)RL放電時(shí)的電流I0在RSNS的兩端所產(chǎn)生的壓降為VS(t)=I0(t)×RSNS。電量計(jì)將持續(xù)檢測(cè)RSNS兩端所產(chǎn)生的壓差VS，并將它通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為N位數(shù)字量Current(簡(jiǎn)稱CR)，之后用時(shí)基確定的速率對(duì)其進(jìn)行累加，M位累加結(jié)果Accumulated_Current(簡(jiǎn)稱ACR)的單位是Vh(伏時(shí))。將量化后的VS最終進(jìn)行累加，相當(dāng)于對(duì)它進(jìn)行了積分，則電池電量的結(jié)果為

(9)

因此，將ACR值除以檢流電阻RSNS的阻值即得到以Ah(安時(shí))為單位的電池容量。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果和累加后的結(jié)果都帶有符號(hào)位，按照?qǐng)D1中的連接方式，充電時(shí)CR為正，ACR遞增；放電時(shí)CR為負(fù)，ACR遞減。外部微控制器可以讀取CR和ACR值，經(jīng)過(guò)換算得到真實(shí)的充放電電流和電量值。在機(jī)器人電池工作過(guò)程中，電池容量受溫度的影響，平臺(tái)加溫度補(bǔ)償電路如圖7所示。

表1　二次充放電電池特性數(shù)據(jù)表

圖6　庫(kù)侖發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖

圖7　溫度補(bǔ)償示意圖

在圖7中的NTC電阻的B值在2 000～6 000k之間，這里的溫度系數(shù)為k。對(duì)B組的值不能用越大越好或者越小越好來(lái)衡量，應(yīng)主要看在什么地方使用。一般來(lái)說(shuō)，作為溫度補(bǔ)償、溫度測(cè)量和抑制浪涌電阻所使用用的產(chǎn)品，在相同條件下是B組越大越好。原因是：隨著溫度變化，電阻值的變化隨著B(niǎo)組值的增大而增大，從而更加靈敏。

為了對(duì)機(jī)器人的電量和輸出功率進(jìn)行聯(lián)合控制，達(dá)到節(jié)能的效果，對(duì)執(zhí)行末端采用模糊控制，以電量作為輸入端，以輸出功率作為輸出端，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8　運(yùn)動(dòng)學(xué)模糊控制示意圖

3機(jī)器人執(zhí)行末端性能測(cè)試結(jié)果與分析

為了測(cè)試采摘機(jī)器人執(zhí)行末端機(jī)械優(yōu)化的有效性和可靠性，本次研究采用機(jī)器人大棚草莓采摘試驗(yàn)的形式，對(duì)優(yōu)化前后的機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試，過(guò)程如圖9所示。

在相同實(shí)驗(yàn)大棚內(nèi)對(duì)優(yōu)化前和優(yōu)化后的果實(shí)采摘機(jī)器人效果進(jìn)行了測(cè)試，在對(duì)比測(cè)試之前，首先測(cè)試機(jī)器人的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)，結(jié)果如圖10所示。

圖9　機(jī)器人測(cè)試示意圖

圖10　采摘機(jī)器人執(zhí)行末端響應(yīng)時(shí)間

由圖10可以看出：采摘機(jī)器人采用模糊控制后，響應(yīng)時(shí)間較短，魯棒性較好，響應(yīng)過(guò)程平穩(wěn)。通過(guò)響應(yīng)時(shí)間和優(yōu)化前機(jī)器人的比較，得到了如表2所示的結(jié)果。

表2　優(yōu)化前后響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出:相對(duì)于優(yōu)化前的執(zhí)行末端，優(yōu)化后響應(yīng)時(shí)間更短，從而大大提高了機(jī)械作業(yè)效率。

表3表示采摘機(jī)器人執(zhí)行末端的總體測(cè)試數(shù)據(jù)。由表3可以看出:優(yōu)化后機(jī)器人執(zhí)行末端表現(xiàn)出了優(yōu)良的特性，在破碎率和漏率上都有所降低，作業(yè)時(shí)間也大大縮短，從而驗(yàn)證了該機(jī)器人的果實(shí)采摘的高效和可靠性。

表3　機(jī)器人執(zhí)行末端測(cè)試數(shù)據(jù)

4結(jié)論

為了提高采摘機(jī)器人執(zhí)行末端伺服電機(jī)電池的有效作業(yè)時(shí)間、降低果實(shí)采摘的漏采率和破碎率，提出了一種新的機(jī)器人執(zhí)行末端優(yōu)化方法。該方法采用模糊控制理論實(shí)現(xiàn)了電池和執(zhí)行末端的聯(lián)合控制，建立了攝像機(jī)和執(zhí)行末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)；通過(guò)對(duì)電池電量的實(shí)時(shí)顯示功能，實(shí)現(xiàn)了電量的優(yōu)化配置；通過(guò)對(duì)輸出功率的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的效果。

為了測(cè)試采摘機(jī)器人執(zhí)行末端機(jī)械優(yōu)化的有效性和可靠性，通過(guò)大棚草莓采摘試驗(yàn)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化后大大縮短了采摘機(jī)器人執(zhí)行末端的響應(yīng)時(shí)間，且降低了果實(shí)的破損率，提高了作業(yè)的有效時(shí)間，從而驗(yàn)證了該機(jī)器人的果實(shí)采摘的高效和可靠性。

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Mechanical Structure Optimization and Power Fuzzy Control Design of Picking Robot end Effector

Lv Junxia1, Li Yuhua1, Wang Xiaozhi2,3, Bao Xiulan4

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China; 3.School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China; 4.Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：The end effector is fruit and vegetable picking robots is another important component, its design is generally considered to be one of the core technology of the robot. In order to improve the picking robot execution at the end of the work efficiency, increase the robot time for the effective operation of the proposed a new optimization method, which will be picking robot end effector is controlled by the servo motor, power of the robot for real-time display, to prepare for the timely charge, and manipulator in kinematics to optimize the design of the fuzzy control theory to realize the terminal output power and electric quantity of fuzzy control is performed. Greatly shorten the picking robot to perform at the end of the response time, and reduce the breakage rate of fruit, improve the operation time, provides a valuable reference for picking the modernization and automation design of robot.

Key words：picking robot; end effector; output power; fuzzy control

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0036-05

中圖分類號(hào)：S24；S225.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：呂俊霞(1963-)，女，河南新鄉(xiāng)人，副教授，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB322)

收稿日期：2015-05-20