番茄采摘机器人末端执行器的硬件设计概要

2008年3月农业机械学报第39卷第3期番茄采摘机器人末端执行器的硬件设计3刘继展李萍萍李智国【摘要】设计的基于多传感器信息融合和开放式控制的智能型番茄采摘机器人末端执行器，其硬件主要包括执行系统、感知系统、控制系统和供电系统，执行系统中真空吸盘装置使果实从果束中分离，手指夹持机构对番茄可靠抓持，果梗切断装置利用激光对果梗进行切断。该末端执行器设计质量为112kg,完成一次采摘动作只需3s。只需更换联接板，即可与其他机械手顺利联接。关键词:番茄采摘机器人末端执行器多传感器硬件设计中图分类号:TP24216文献标识码：A1学HardwareDesignoftheEnd2effectorfor2LiuJizhanLi(UAnend2effectorfortomato2harvestingrobotwasdevelopedbasedonmulti2sensorinformationfusionandopencontrol.Theend2effectoriscomposedofactuatingsystem,perceptionsystem,controlsystemandpower2supplysystem.Inactuatingsystem,thevacuumsuctionpaddeviceseparatesthefruitfromthecluster,andthenagrippergraspsthetomatofruitreliably,finallythepeduncle2cuttingdevicecutsthepedunclewithlaser.Designmassofthisend2effectoris112kg,whichneedsonly3stoperformactionsofharvesting.Bychangingaconnectingplate,theend2effectorcanbemountedondifferentmanipulators.KeywordsTomato2harvestingrobot,End2effector,Multi2sensor,Hardware,Design收稿日期：20072032143国家自然科学基金资助项目（项目编号:60575020刘继展江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室讲师博士生，212013镇江市李萍萍江苏大学副校长教授博士生导师李智国江苏大学农业工程研究院硕士生引言采摘机器人的末端执行器是安装在机械手前端，直接与采摘目标相接触，以实现果蔬采摘所需运动和附加功能的装置，是采摘机器人实现果蔬采摘的关键执行部分。与工业机器人的末端执行器相比，由于其作业对象和环境的柔嫩性、不规则性和复杂多变性特征，采摘机器人的末端执行器具有明显的特殊性和更高的智能化要求。日本、美国、荷兰等国曾开发了各类末端执行器110,但智能化程度较低，对于作业对象与环境的柔嫩性、不规则性和复杂多变性缺乏适应能力，影响了果实采摘的效率和成功率；末端执行器的移动性和轻便性差，多数采摘机器人及其末端执行器由交流供电，无法实现移动采摘，普普通铅酸电池的体积、质量和容量等则难以达到要求；采摘机器人及其末端执行器应用工控机控制，轻便性差，灵活性不足。我国目前虽然在果蔬采摘机器人的机器视觉、智能小车、机械手等研究上均已取得一定进展，末端执行器的研究却仍是空白。为此，提出一种基于多传感器信息融合和开放式控制的智能型番茄采摘机器人末端执行器，并进行硬件的设计开发。1总体结构与原理本采摘机器人末端执行器以番茄为主要对象，具硬件由执行系统、感知系统、控制系统和供电系统1994-2008组成，其主体结构如图1所示。通过感知系统中距离与接近传感器获取作业对象的位置、距离、形状等信息，通过多传感器的信息融合，控制真空吸盘前进，当吸住果实后拉动其后退，使果实从果束中分离出来；手指合拢，通过力传感器反馈夹持力与滑动等信息，控制手指可靠夹持而又不对果实造成破坏；激光聚焦透镜转动，定位于果梗并由激光束将果梗切断；机械手带动末端执行器将果实放入贮藏箱，从而完成番茄的采摘12II1098图1Fig.1Bodyof2robot1.手指2.3.4、8、11.直流伺服电动机5.6.齿条7.外壳9、10.锥齿轮12.齿轮2执行系统番茄采摘机器人末端执行器的执行系统包括真空吸盘装置、手指夹持机构和果梗激光切断装置，分别完成果实吸附拉动、夹持和切断动作。211真空吸盘装置番茄成束生长，为了使目标果实从果实束中脱离出来，以增加手指夹持的成功率并避免在夹持过程中手指对其他果实的损害，设置了真空吸盘装置。该装置包括真空系统和吸盘进给机构。真空系统用于使吸盘产生吸力，稳定可靠吸住果实，由真空发生设备、真空监测控制元件、吸盘和联接附件组成。考虑移动式采摘机器人的实际作业特点，采用小型压缩气罐为气源，与集成了监测控制元件、质量仅为01275kg的小型真空发生器共同作为真空发生设备；采用适应曲面及不平整工件、具有良好缓冲性能的真空波纹吸盘，由真空软管、接头等附件联接组成番茄采摘机器人末端执行器的真空系统。吸盘进给机构中，真空波纹吸盘固定于齿条的前端，由微型直流伺服电动机驱动齿轮转动，通过齿轮齿条传动带动吸盘前进和后退，并与真空系统相配合，完成吸住并拉动果实的任务。该装置中吸盘直径20mm，吸力和拉脱力分别为318N、1211N,行程为110mm（图2。212手指夹持机构图2手指尺寸及吸盘行程Fig. 2 Fingersizeandpadstroked指夹持机构用于抓紧果实,以便进行果梗的断开，手指数目可以为两指或多指。多指末端执行器虽然夹持更为稳定可靠，但机构及控制的复杂性增加，通用性变差，同时在采摘空间中与果梗、枝叶的干涉现象也会随之增多，故设计中采用了两指夹持方式。手指宽为45mm，为了增强夹持的可靠性,面，5mm（一带动,使与之,从而合拢或者松开。两指夹持力可达30N,可在015s内对4090mm番茄果实完成夹持。213果梗激光切断装置番茄采摘机器人必须通过各种方式将梗断开，以实现对果实的采摘。目前一般利用剪刀剪切或扭断的方法，但是剪刀剪切要求具有相应的机构，并有较大的驱动力这会增大采摘机器人末端执行器的尺寸和质量；同时，剪刀剪切会带来植株间病菌的相互传染和果实水分的流失。利用扭断果梗的方法，要求对果实有较大的夹紧力，因而必须精确控制夹紧力，否则容易造成果实的破裂和损伤。图3果梗切断装置结构示意图Fig. 3 Schematicdiagramofpeduncle2cuttingdevice1 .聚焦透镜2.固定环3.止推轴承4.直流伺服电动机5.光纤6.电压表7.时间继电器8.可变电阻9.电流表10.电源开关11.锂电池组为了克服现有果梗分离装置的不足，设计了一种果梗激光切断装置（图3,通过非接触式的激光能够方便地切断果梗，并大大降低机器人末端执行011农业机械学报2008年器装置的复杂性和对夹紧力控制精度的要求。果梗激光切断装置由激光发生控制单元和果梗聚焦切断单元组成。其中激光发生控制单元由尺寸仅为92mmX86mmX20mm的小型30W高功率光纤耦合半导体激光器和保护控制电路组成，保护控制电路对激光器进行直流供电和稳压保护，通过并联的可变电阻调节激光器供电电流。果梗聚焦切断单元由聚焦透镜、直流伺服电动机、联接与支承部件组成。激光器通过标准的SMA905型光纤连接头与聚焦透镜联接。作业时由固定于机械手上的双目视觉系统与末端执行器上的距离传感器相配合，以进行果梗的精确定位；通过直流伺服电动机带动聚焦透镜转动，使透镜对准果梗；由电磁阀控制激光器打开，激光束聚焦于果梗上(焦距为50mm将其切断。聚焦透镜的倾角可以进行调整，以满足不同品种果实的梗长需要。3感知系统、接近传感器、指力传感器、腕力传感器和压力传感器组成，以充分感知末端执行器的内部和外部信息。其中内部感觉包括：在直流伺服电动机系统中，与直流电动机和微型减速器集成为一体的直流伺服电动机编码器，用于检测电动机的转速和位置，构成半闭环伺服控制系统，以精确控制真空吸盘、手指和激光聚焦透镜的运动位置和速度。在真空发生器中集成压力传感器，测量并反馈真空负压，判断真空波纹吸盘对果实的吸附和拉动状态，并为末端执行器的下一步动作提供信息。番茄采摘机器人末端执行器借助多种传感器来充分感知作业目标及环境的距离觉、接近觉、力觉等外部信息：在末端执行器中部安装有远距传感器，可以检测20150cm范围内物体的距离；在两手指前端分别安装1个近距传感器，可以检测1060cm范围内物体的距离；在两手指前端分别安装1个接近传感器，用来感知10cm距离范围内物体的接近情况。以上1个远距传感器、2个近距传感器和2个接近传感器所获取的信息相融合，以辅助采摘机器人及其末端执行器发现目标、空问定位、测定果实的表面形状、决定抓取的姿态和动作并避免手指对果实的碰撞。在末端执行器两手指内侧面分别安装了三维指力传感器，能同时检测三维力信息(Fx,Fy,Fz,在末端执行器与机械手腕部连接处安装有六维腕力/力矩传感器，可以同时检测三维空间内的全部力和力矩信息(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz。2个三维指力传感器和1个六维腕力/力矩传感器感知的力觉信息相融合，以检测控制手指对果实的夹持力和滑动摩擦力，实现对果实的精确可靠抓持；六修眼。中梅悟制健mK计机同时感测末端执行器抓取的姿态和对果实进行称量，根据果实质量进行分级。4控制系统以便携式计算机+多轴运动控制卡为上位控制单元，构建开放式控制系统（图质量轻，无需交流电源，更4。与工控机和台式机相比，便携式计算机占用空间小、适合于移动采摘机器人和末端执行器的控制。便携式计算机与多轴运动控制卡之间以USB方式进行通讯，方便联接和断开；多轴运动控制卡内置DSP数字信号处理器,便携式计算机，一使采摘、灵活。图4末端执行器控制系统组成框图Fig.：04Composingofcontrolsystemfortheend2effector末端执行器的所有传感器信号经过A/D转换由扩展I/O口输入多轴运动控制卡，同时通过多轴运动控制卡的I/O口输出控制信号，构成反馈控制系统。输出控制信号通过驱动器的信号放大，控制电动机的位置和速度，实现手指夹持机构和真空吸盘机构的力与运动的精确控制。同时通过电磁阀控制真空发生器的开闭，通过继电器控制光纤耦合半导体激光器的开闭，按照一定的顺序执行动作，完成果实的采摘。111第3期刘继展等：番茄采摘机器人末端执行器的硬件设计该控制系统开放、灵活、功能强大、易于扩展，并可与机器人本体控制器进行通讯。5结束语番茄采摘机器人末端执行器集一系列最新技术及元器件、设备于一体。执行机构采用瑞士Maxon微型直流伺服电动机系统驱动，其中最小的电动机及减速器总质量仅为9g。同时考虑采摘机器人在田间或温室环境下的移动作业，该末端执行器采用质量、体积仅为普通铅酸电池的1/31/4,且容量大、寿命长的高能锂电池组进行供电。系统设计质量仅为112kg，末端执行器完成采摘动作的时间为3s。除了应用于番茄采摘以外，对形状大小相近的柑橘、苹果等也具有一定的通用性。该末端执行器硬件设计过程中注重了末端执行器机械主体与实验室现有机器人本体、特别是机械手的良好匹配，同时只需更换联接板，即可实现与其他机械手的顺利联接。参考文献1ShinsukeKitamura,KoichiOka.Recognitionandcuttingsystemofsweetpepperforpickingrobotingreenhousehorticulture1 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年机械学报