1、第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 番茄采摘机器人模块化设计与分析杨乐平，王加泽，朱宣任，张健滔，何斌，刘士辉，黄允，翟彬梁（上海大学机电工程与自动化学院，上海 ；上海孙桥现代农业联合发展有限公司，上海 ）摘要：针对蔬菜大棚中的番茄生长周期短、产量大，在成熟期需要大量人力来采摘的问题，设计了一款番茄采摘机器人系统，包括多自由度机器人、视觉识别系统、运动控制系统、柔性末端执行器等。机器人通过深度相机和识别算法完成番茄的识别定位，并实时反馈给控制模块，基于 实现机器人的运动规划，配合柔性末端执行器实现番茄的采摘。对机器人关键部件进行了有限元分析，获得了部件的应力分布，校验了其安全可靠性。建立了
2、采摘机器人运动学方程，并利用 进行了仿真分析，求解出采摘机器人的工作空间。基于 建立了采摘机器人动力学仿真模型，通过仿真求解出各关节所需力矩。制作了番茄采摘机器人样机，在实验室环境下进行了采摘试验，验证了采摘机器人系统设计的有效性。关键词：番茄采摘机器人；模块关节；运动学分析；动力学分析；有限元分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：上海市科技支撑项目（）；国家自然科学基金资助项目（）第一作者：杨乐平（），男，硕士研究生，主要研究方向为采摘机器人、机器人运动控制通信作者：张健滔，教授，主要研究方向为先进机器人技术、人工智
3、能辅助诊断检测技术、压电能量收集等，番茄营养丰富，具有开胃消食、防癌、降压降脂的作用。中国是世界上番茄栽培面积最大、生产总量最多的国家，常年产量 万以上，而且呈现增长态势。为满足日益增长的市场需求，各地采用温室大棚种植番茄的比例越来越大，设施农业种植的番茄产量逐年递增。采摘是果蔬生产过程中最耗时、耗力且时效性强的生产环节之一，所投入的劳动力约占整个生产种植过程的 。而在温室中，果蔬采摘环境比室外好，更适合开展果蔬自动化采摘。因此，农业机器人成为机器人领域的一个新的发展方向，尤其是对温室番茄采摘机器人的需求量极大。温室大棚中，面临番茄生长条件和生长环境的差异化，针对不同的采摘场景，需要相应的机器
4、人构型，传统的机器人只针对特定的工作需要，无法实现番茄采摘的需求。目前，针对机器人模块化问题的研究主要集中在模块设计、构型设计和重构方法等方面，模块化思想最终需要实现模块的标准化、独立化和轻便化。世界上广泛应用温室进行设施栽培，国内外对应用于果实采摘的机器人已进行了大量研究，美国、日本、英国、瑞士等农业生产大国的设施农业发展尤为显著。介绍了基于轻质的关节模块设计的双臂黄瓜采摘机器人，其使用多光谱相机和智能图像处理算法定位黄瓜位置。等通过个彩色相机和 深度相机，设计了甜椒采摘机中 国 科 技 论 文第 卷器人，其由自由度的冗余模块化机械关节组成。等研制了仿人柔性机械手臂 ，通过伺服舵机带动连接在
5、关节处的柔性肌腱进行驱动，使其具有更好的柔性，从而适应复杂的环境。李伟研制了自由度机械臂果蔬采摘机器人，其采用 相机作为视觉传感元件，该采摘机器人可以实现对多种果蔬进行采摘。近年来，随着机器人技术、图像识别技术、人工智能技术的发展，如何大规模量产、使用机器人代替人工完成采摘作业成为亟待解决的问题。本文针对温室大棚中番茄生产周期短、采摘需求量大的生产环境，设计一款模块化多自由度番茄采摘机器人，其结构采用模块化设计。基于模块体积和受载能力分别设计种驱动模块，通过良好的接口组合各个模块，模块间的重构通过建立运动模型和设计控制系统实现，运用不同的重构方法来满足不同的采摘环境需求。对关键部件进行有限元分
6、析，以校对设计部件的安全可靠性。建立采摘机器人运动学方程，基于 分析机器人的工作空间。基于 建立采摘机器人动力学仿真模型，通过仿真求解出各关节所需力矩。制作机器人样机及试验平台，并进行采摘试验，以验证设计的有效性。系统架构及原理番茄采摘机器人作业于蔬菜大棚温室环境中，相比于室外的工作环境，这里更适合利用高度协同自动化系统。番茄大棚生长环境如图所示，大棚室内高度为，轨道外宽度为 ，个相邻轨道中心线的距离为。根据番茄生长环境，设计了番茄采摘机器人系统，该系统由多自由度机器人、视觉识别系统、运动控制系统、柔性末端执行器组成，如图所示。图番茄大棚生长环境 番茄采摘机器人整体结构如图所示，各关节采用模块
7、化设计。番茄采摘机器人工作时，通过视觉识别系统的深度相机和人工智能图像识别算法识别出成熟的番茄，并获得成熟番茄的空间坐标，将成图番茄采摘机器人系统 图番茄采摘机器人结构 熟番茄的空间坐标发送至多自由度机器人的 控制系统。在 控制系统中建立真实多自由度机器人的仿真模型，再通过 的 规划仿真模型运动，使仿真模型按照合理位姿运动至目标位置。进而同步现实多自由度机器人与仿真模型的动作，实现现实机器人的运动。控制柔性末端执行器精准到达成熟番茄的空间坐标位置，实现番茄的自动采摘。通过将番茄采摘机器人安装在自主移动平台上，实现对整个温室大棚区域内成熟番茄的自动化采摘。结构设计 关节模块设计番茄采摘机器人采用
8、模块化设计，可以根据驱动模块的数量改变机器人的自由度，图所示的番茄采摘机器人是由个驱动模块组成的自由度机器人。驱动模块的执行器选用集成了电机、驱动器、谐波减速器、编码器的执行机构，形支撑连接板用来连接执行机构，限位挡销起到驱动模块的安全限位作用。所设计的驱动模块结构简单，安装方便，可降低机器人的生产成本。驱动模块及其连接如图所示，构成个自由度。针对本文的采摘机器人，根据不同的关节负载，共设计 种模块化的关节。从采摘机器人底部向上，第二关节与第三关节为俯仰关节，分别记为模块第期杨乐平，等：番茄采摘机器人模块化设计与分析执行器；外壳；限位挡销；形支撑连接板图驱动模块及其连接 与模块；第四关节、第五
9、关节与第六关节设计为相互垂直的个腕关节，记为模块。旋转基座设计采摘机器人的第一关节为旋转基座，其结构如图所示。旋转基座上的法兰盘与执行器的固定法兰盘通过螺栓相连接，执行器的驱动法兰盘与采摘机器人第二关节（关节模块）上的 形支撑连接板通过螺栓相连接，这样第一关节与第二关节之间就可以完成相对转动。第二关节（模块）；第一关节（旋转基座）图旋转基座结构 旋转基座底部留有供驱动模块与上位机之间进行运动控制的动力和信号传输的根综合线缆。旋转基座通过底部的螺栓固定在番茄采摘机器人的移动平台上。大小臂连杆设计大臂结构连接采摘机器人的第二关节与第三关节。大臂与第二关节相连接，需要先通过螺栓将大臂连接在大臂转弯关
10、节 形支撑连接板的一面，大臂转弯关节形支撑连接板的另一面与采摘机器人第二关节上的驱动法兰盘通过螺栓相连接，这样可以通过驱动法兰盘的转动带动大臂做采摘机器人的俯仰动作。由于第三关节模块比第二关节模块的直径小，所以大臂上端与下端的直径不同，将大臂设计为腰形结构，上端口直径小，下端口直径大，并且腰形结构的力学性能好。大臂上端通过螺栓与采摘机器人第三关节形支撑连接板相连接。采摘机器人大臂设计为中空结构，一方面，可以减轻整体的质量，达到轻量化要求；另一方面，第二关节与第三关节的驱动线缆可以布置在中空结构里面，使采摘机器人外观简洁。大臂结构如图所示，小臂结构与其类似。第三关节；大臂；转弯关节；第二关节图大
11、臂结构 静力学分析采摘机器人的受力支撑结构由各执行器、大臂、小臂、各关节形支撑连接板组成，整个系统的第一关节与第二关节的形支撑连接板不仅承受整个系统的重力和力矩，而且承受采摘过程中的交变载荷，尤其是在如图所示的极限位置时，其为整个系统受力最为集中的关节，故对其进行静力学分析。图机器人极限位置 利用 软件建立有限元分析模型，材料选择铝合金，有限元分析结果如图所示。在图所示位置将机器人整体质量作用在顶端第六关节处，在极限载荷情况下，第二关节形支撑连接板最大变形量为 ，大臂转弯形连接板最大变形量为 ，满足设计要求。由于合金材料为塑性材料，故采用形状改变比能理论对支撑关节进行安全系数分析。当材料的最大
12、等效应力大于材料的许用应力时，材料就会发生屈服破坏。安全系数 ，由图可知，关节的安全系数为 左右，结构安全。运动学分析机器人运动学分析主要研究机器人末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系，采用参数法建立采摘机器人的运动学方程 ，将总体坐标系固定在基座上并与第坐标系重合。其关节旋转示意图与连杆坐标系如图所示。正运动学分析根据图所示的连杆坐标系得出机器人的 参数，见表。表中，为连杆长度；为连杆扭转角度；为连杆偏移量；为关节扭转角度；关节转角范围为各关节允许转动最大范围。中 国 科 技 论 文第 卷图有限元分析结果 图机器人关节旋转示意图与连杆坐标系 表机器人参数 关节号关节转角范围 （，）（，）（
13、，）（，）（，）（，）机器人第坐标系相对于第坐标系的齐次变换矩阵为 。（）将表中采摘机器人的 参数代入式（），即可得到个相邻坐标系之间的齐次变换矩阵、。，。（）得到每组相邻杆件的齐次变换矩阵后，将式（）中各个矩阵依次右乘即可得到采摘机器人柔性末端执行器相对于基座的齐次变换矩阵：。（）第期杨乐平，等：番茄采摘机器人模块化设计与分析式中，变量的展开式如式（）所示，其中，；（）；（）。（），（），（），（），（），（），（），（），（）（）（），（）（）（），（）（）。（）逆运动学分析机械臂求逆解相比于正运动学更复杂，存在多个非线性方程需要求解，通常存在多个解。逆运动学分为运动学位置逆解和运动学姿态
14、逆解，采用代数法对机械臂进行求逆，通过坐标系之间的齐次变换矩阵，求出每个关节的变量、，具体求解步骤如下：由式（）可得 。（）由式（）可得 ，。（）。（）在逆运动学求解中，末端执行器的位姿是给定的。而由正运动学可得 。（）（），（），（），（），（），（），（），（），（）（）（），（）（）（），（）（）。（）将式（）与式（）齐次变换矩阵第三行各列对应相等，即可求得采摘机器人末端执行器在给定位姿下的、值。同理，有 ，（）。（）将式（）与式（）的齐次变换矩阵第二行各列对应相等，即可求得、值。以上求得的值并非是唯一值，可根据前一关节值的二范数最小原则选取较优解，保证关节的前进角度值最小，并且所计算的
15、每个关节值应在每个关节对应的关节转角范围之内 。工作空间分析机器人末端参考点可以到达的所有点的集合构成了工作空间，机器人的工作空间是完成采摘工作的重要指标之一。结合表的参数，采用随机抽样的蒙特卡洛法计算采摘机器人的工作空间。通过 建立仿真模型，计算出末端执行器可到达的点云，即采摘机器人的工作空间，如图 所示。根据图所示番茄大棚生产环境，采摘机器人所在的移动平台在列番茄植株中间，采摘机器人工作示意图如图 所示。番茄生长在距离地面 的区域，列番茄植株间的距离为 ，为基座的高度，基座距离地面 ，位于列番茄植株的中间，距离番茄植株中心 ，为大臂的长度 ，为小臂的长度 ，为机器人柔性末端执行器的长度 ，
16、为最长工作距离。结合图 所示的采摘机器人工作空间，采摘机器人可以摘取到番茄生长区域的大部分番茄。中 国 科 技 论 文第 卷图 采摘机器人工作空间 图 采摘机器人工作示意图 采摘机器人动力学仿真分析 动力学方程的建立动力学主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。本文主要根据机器人的质量、运动学及动力学参数进行动态仿真，以验证设计的可靠性。针对该问题，采用拉格朗日法建立采摘机器人的动力学方程。通过建立机器人关节与杆件的动能和势能对应关系式，求得机器人系统动能和系统势能，总动能与总势能之差构成拉格朗日函数：。（）式中：为拉格朗日函数；为系统动能；为系统势能。将采摘机器人总动能、总势能和广义力代入拉格朗日方程，可以得到机械臂的动力学方程：（）?（）。（）式中：为阶机器人惯性矩阵中的元素；、?、分别为系统的广义坐标、广义速度、广义加速度；为基础坐标系下的重力加速度向量；为基础坐标系下关节质心的向量；为关节上的广义力。通过式（）可以看出，求解机械臂的动力学方程比较复杂，因此一般通过对机械臂进行动力学仿真来求解各关节的力或力矩。动力学仿真分析在 中建立采摘机器人模型，通过动态仿真分析完成机器人动力