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1、2008年3月 農(nóng)業(yè)機械學報 第39卷第3期 番茄采摘機器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計 3 劉繼展李萍萍李智國 【摘要】 設(shè)計的基于多傳感器信息融合和開放式控制的智能型番茄采摘 機器人末端執(zhí)行器，其硬件主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng) ，執(zhí) 行系統(tǒng)中真空吸盤裝置使果實從果束中分離，手指夾持機構(gòu)對番茄可靠抓持，果梗切 斷裝置利用激光對果梗進行切斷。該末端執(zhí)行器設(shè)計質(zhì)量為 112kg ,完成一次采摘 動作只需3s。只需更換聯(lián)接板，即可與其他機械手順利聯(lián)接。 關(guān)鍵詞:番茄采摘機器人末端執(zhí)行器多傳感器硬件設(shè)計中圖分類 號:TP24216 文獻標識碼：A 1學 H ardw

2、 are Design of the End 2effector for 2Liu Jizhan Li (U An end 2effector for tomato 2harvesting robot was developed based on multi 2sensor information fusion and open control. The end 2effector is composed of actuating system , perception system , control system and power 2supply system. In actuating

3、 system , the vacuum suction pad device separates the fruit from the cluster , and then a gripper grasps the tomato fruit reliably , finally the peduncle 2cutting device cuts the peduncle with laser. Design mass of this end 2effector is 112kg , which needs only 3s to perform actions of harvesting. B

4、y changing a connecting plate , the end 2effector can be mounted on different manipulators. K ey w ords Tomato 2harvesting robot , End 2effector , Multi 2sensor , Hardware , Design 收稿日期：2007203214 3國家自然科學基金資助項目（項目編號:60575020劉繼展 江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 裝備與技術(shù)省部共建教育部重點實驗室 講師 博士生，212013鎮(zhèn)江市李萍萍 江蘇大學副校長教授博士生導師李智國 江蘇大

5、學農(nóng)業(yè)工程研究院 碩士生 引言 采摘機器人的末端執(zhí)行器是安裝在機械手前端，直接與采摘目標相接觸，以實現(xiàn) 果蔬采摘所需運動和附加功能的裝置，是采摘機器人實現(xiàn)果蔬采摘的關(guān)鍵執(zhí)行部 分。與工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器相比，由于其作業(yè)對象和環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性 和復雜多變性特征，采摘機器人的末端執(zhí)行器具有明顯的特殊性和更高的智能化要 求。 日本、美國、荷蘭等國曾開發(fā)了各類末端執(zhí)行器 [1?10],但智能化程度較低， 對于作業(yè)對象與環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復雜多變性缺乏適應能力 ，影響了果實 采摘的效率和成功率；末端執(zhí)行器的移動 性和輕便性差，多數(shù)采摘機器人及其末端執(zhí)行器由交流供電，無法實現(xiàn)移動采

6、摘， 普普通鉛酸電池的體積、質(zhì)量和容量等則難以達到要求 ；采摘機器人及其末端執(zhí)行 器應用工控機控制，輕便性差，靈活性不足。我國目前雖然在果蔬采摘機器人的機器 視覺、智能小車、機械手等研究上均已取得一定進展 ，末端執(zhí)行器的研究卻仍是空 白。為此，提出一種基于多傳感器信息融合和開放式控制的智能型番茄采摘機器人 末端執(zhí)行器，并進行硬件的設(shè)計開發(fā)。 1總體結(jié)構(gòu)與原理 本采摘機器人末端執(zhí)行器以番茄為主要對象，具硬件由執(zhí)行系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng) 1994-2008 組成，其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過感知系統(tǒng)中距 離與接近傳感器獲取作業(yè)對象的位置、距離、形狀等信息 ，通過

7、多傳感器的信 息融合，控制真空吸盤前進，當吸住果實后拉動其后退，使果實從果束中分離出來； 手指合攏，通過力傳感器反饋夾持力與滑動等信息，控制手指可靠夾持而又不對果實 造成破壞；激光聚焦透鏡轉(zhuǎn)動，定位于果梗并由激光束將果梗切斷；機械手帶動末端 執(zhí)行器將果實放入貯藏箱，從而完成番茄的采摘 12 II 10 9 8 圖 1 Fig. 1 Body of 2robot 1.手指2. 3. 4、8、11.直流伺服電動 機 5. 6.齒條 7.外殼 9、10.錐齒輪 12.齒輪 2執(zhí)行系統(tǒng) 番茄采摘機器人末端執(zhí)行器的執(zhí)行系統(tǒng)包括真空吸盤裝置、手指夾持機構(gòu)和果 梗激光切斷裝置，分 別完

8、成果實吸附拉動、夾持和切斷動作。211真空吸盤裝置 番茄成束生長，為了使目標果實從果實束中脫離出來，以增加手指夾持的成功率 并避免在夾持過程中手指對其他果實的損害，設(shè)置了真空吸盤裝置。該裝置包括真 空系統(tǒng)和吸盤進給機構(gòu)。 真空系統(tǒng)用于使吸盤產(chǎn)生吸力，穩(wěn)定可靠吸住果實，由真空發(fā)生設(shè)備、真空監(jiān)測 控制元件、吸盤和聯(lián)接附件組成。考慮移動式采摘機器人的實際作業(yè)特點 ，采用小 型壓縮氣罐為氣源，與集成了監(jiān)測控制元件、質(zhì)量僅為 01275kg的小型真空發(fā)生器 共同作為真空發(fā)生設(shè)備；采用適應曲面及不平整工件、具有良好緩沖性能的真空波 紋吸盤，由真空軟管、接頭等附件聯(lián)接組成番茄采摘機器人末端執(zhí)行器的真空

9、系 統(tǒng)。吸盤進給機構(gòu)中，真空波紋吸盤固定于齒條的前端，由微型直流伺服電動機驅(qū)動 齒輪轉(zhuǎn)動，通過齒輪齒條傳動帶動吸盤前進和后退，并與真空系統(tǒng)相配合，完成吸住 并拉動果實的任務。該裝置中吸盤直徑 20mm，吸力和拉脫力分別為318N、1211N ,行程為110mm （圖2。 212手指夾持機構(gòu) 圖2手指尺寸及吸盤行程 Fig. 2 Finger size and pad stroked指夾持機構(gòu)用于抓緊果實,以便進行果梗的 斷開，手指數(shù)目可以為兩指或多指。多指末端執(zhí)行器雖然夾持更為穩(wěn)定可靠 ，但機構(gòu) 及控制的復雜性增加，通用性變差，同時在采摘空間中與果梗、枝葉的干涉現(xiàn)象也會 隨之增

10、 多，故設(shè)計中采用了兩指 夾持方 式。手指寬為45mm，為了增強夾持的可靠性,面，5mm （一帶動 ,使與之,從而合攏或者松開。兩指夾持力可達 30N ,可在015s內(nèi)對＜40? 90mm番茄果實完成夾持。213果梗激光切斷裝置 番茄采摘機器人必須通過各種方式將梗斷開，以實現(xiàn)對果實的采摘。目前一般 利用剪刀剪切或扭斷的方法，但是剪刀剪切要求具有相應的機構(gòu)，并有較大的驅(qū)動力 這會增大采摘機器人末端執(zhí)行器的尺寸和質(zhì)量；同時，剪刀剪切會帶來植株間病菌 的相互傳染和果實水分的流失。利用扭斷果梗的方法，要求對果實有較大的夾緊力， 因而必須精確控制夾緊力，否則容易造成果實的破裂和損傷。 圖3果

11、梗切斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig. 3 Schematic diagram of peduncle 2cutting device 1 .聚焦透鏡 2.固定環(huán) 3.止推軸承 4.直流伺服電動機 5.光纖 6.電壓表 7.時間繼電器 8.可變電阻 9.電流表 10.電源開關(guān) 11.鋰電池組 為了克服現(xiàn)有果梗分離裝置的不足，設(shè)計了一種果梗激光切斷裝置（圖3 ,通過 非接觸式的激光能夠方便地切斷果梗，并大大降低機器人末端執(zhí)行 011農(nóng)業(yè)機械學報 2008年 器裝置的復雜性和對夾緊力控制精度的要求。果梗激光切斷裝置由激光發(fā)生控 制單元和果梗聚焦切斷單元組成。其中激光發(fā)生控制單元由尺寸僅為 9

12、2mm X86mm X20mm的小型30W高功率光纖耦合半導體激光器和保護控制電路組成 ，保 護控制電路對激光器進行直流供電和穩(wěn)壓保護，通過并聯(lián)的可變電阻調(diào)節(jié)激光器供 電電流。果梗聚焦切斷單元由聚焦透鏡、直流伺服電動機、聯(lián)接與支承部件組成。 激光器通過標準的SMA905型光纖連接頭與聚焦透鏡聯(lián)接。作業(yè)時由固定于機械 手上的雙目視覺系統(tǒng)與末端執(zhí)行器上的距離傳感器相配合，以進行果梗的精確定位； 通過直流伺服電動機帶動聚焦透鏡轉(zhuǎn)動，使透鏡對準果梗；由電磁閥控制激光器打 開，激光束聚焦于果梗上(焦距為50mm將其切斷。聚焦透鏡的傾角可以進行調(diào)整， 以滿足不同品種果實的梗長需要。 3感知系統(tǒng) 、

13、接近傳感器、指力傳感器、腕力傳感器和壓力傳感器組成 ，以充分感知末端 執(zhí)行器的內(nèi)部和外部信息。其中內(nèi)部感覺包括：①在直流伺服電動機系統(tǒng)中，與直流 電動機和微型減速器集成為一體的直流伺服電動機編碼器，用于檢測電動機的轉(zhuǎn)速 和位置，構(gòu)成半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，以精確控制真空吸盤、手指和激光聚焦透鏡的運 動位置和速度。②在真空發(fā)生器中集成壓力傳感器 ，測量并反饋真空負壓，判斷真空 波紋吸盤對果實的吸附和拉動狀態(tài)，并為末端執(zhí)行器的下一步動作提供信息。 番茄采摘機器人末端執(zhí)行器借助多種傳感器來充分感知作業(yè)目標及環(huán)境的距離 覺、接近覺、力覺等外部信息：①在末端執(zhí)行器中部安裝有遠距傳感器，可以檢測 20?1

14、50cm范圍內(nèi)物體的距離；在兩手指前端分別安裝1個近距傳感器，可以檢測 10?60cm范圍內(nèi)物體的距離；在兩手指前端分別安裝1個接近傳感器，用來感知 10cm距離范圍內(nèi)物體的接近情況。以上 1個遠距傳感器、2個近距傳感器和2個 接近傳感器所獲取的信息相融合，以輔助采摘機器人及其末端執(zhí)行器發(fā)現(xiàn)目標、空 問定位、測定果實的表面形狀、決定抓取的姿態(tài)和動作并避免手指對果實的碰撞。 ②在末端執(zhí)行器兩手指內(nèi)側(cè)面分別安裝了三維指力傳感器，能同時檢測三維力信息 (F x , F y , F z ,在末端執(zhí)行器與機械手腕部連接處安裝有六維腕力 /力矩傳感器，可 以同時檢測三維空間內(nèi)的全部力和力矩信息 (F x

15、 , F y , F z , M x , M y , M z。 2個三維指力傳感器和1個六維腕力/力矩傳感器 感知的力覺信息相融合，以檢測控制手指對果實的夾持力和滑動摩擦力，實現(xiàn)對 果實的精確可靠抓持； 六修眼。中梅悟制 健mK計?機 同時感測末端執(zhí)行器抓取的姿態(tài)和對果實進行稱量 ，根據(jù)果實質(zhì)量進行分級。 4控制系統(tǒng) 以便攜式計算機+多軸運動控制卡為上位控制單元 ，構(gòu)建開放式控制系統(tǒng)（圖 質(zhì)量輕，無需交流電源，更 4。與工控機和臺式機相比，便攜式計算機占用空間小、 適合于移動采摘機器人和末端執(zhí)行器的控制。便攜式計算機與多軸運動控制卡之間 以

16、USB方式進行通訊，方便聯(lián)接和斷開；多軸運動控 制卡內(nèi)置DSP數(shù)字信號處理器,便攜式計算機，一使采摘、靈活。 圖4末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)組成框圖 Fig. ：0 4 Composing of control system for the end 2effector 末端執(zhí)行器的所有傳感器信號經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換 由擴展I/O □輸入多軸運動控制卡，同時通過多軸運動控制卡的I/O 口輸出控 制信號，構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。輸出控制信號通過驅(qū)動器的信號放大 ，控制電動機的位 置和速度，實現(xiàn)手指夾持機構(gòu)和真空吸盤機構(gòu)的力與運動的精確控制。同時通過電 磁閥控制真空發(fā)生器的開閉，通過繼電器控制

17、光纖耦合半導體激光器的開閉，按照一 定的順序執(zhí)行動作，完成果實的采摘。 1 11第3期 劉繼展等：番茄采摘機器人末端執(zhí)行器的 硬件設(shè)計 該控制系統(tǒng)開放、靈活、功能強大、易于擴展，并 可與機器人本體控制器進行通訊。 5結(jié)束語 番茄采摘機器人末端執(zhí)行器集一系列最新技術(shù)及元器件、設(shè)備于一體。執(zhí)行機 構(gòu)采用瑞士 Maxon微型直流伺服電動機系統(tǒng)驅(qū)動，其中最小的電動機及減速器總質(zhì) 量僅為9g。同時考慮采摘機器人在田間或溫室環(huán)境下的移動作業(yè) ，該末端執(zhí)行器采 用 質(zhì)量、體積僅為普通鉛酸電池的1/3?1/4,且容量大、壽命長的高能鋰電池組 進行供電。 系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量僅為112kg，末端執(zhí)行

18、器完成采摘動作的時間為 3s。除了應用于 番茄采摘以外，對形狀大小相近的柑橘、蘋果等也具有一定的通用性。該末端執(zhí)行 器硬件設(shè)計過程中注重了末端執(zhí)行器機械主體與實驗室現(xiàn)有機器人本體、特別是機 械手的良好匹配，同時只需更換聯(lián)接板，即可實現(xiàn)與其他機械手的順利聯(lián)接。 參 考 文 獻 1 Shinsuke K itamura , K oichi Oka. Recognition and cutting system of sweet pepper for picking robot in greenhouse horticulture 1 C] // Proceedings of the

19、IEEE International Conference on Mechatronics &Automation , Nia gara Falls , 2005. 2 Bulanonet D M , K ataoka T , Okamoto H , et al. Determing the 32D location of the apple fruit during [C] // Proceed 2ings of the ASAE Conference , 2004. 3 Achmad Irwan Setiawan , Tomonari Furukawa , Adam Preston.

20、low 2[C] // Proceed 2ings of the IEEE International Conference on Robotics &4 Seiichi Arima , Naoshi K ondo , Sakae , robot ; information from s pray 2ing , harvesting [C ]of IEEE/ASME International Conference on Advanced 5 G ANNO , Yukitsugu ISHII , et al. Robotic harvesting system for eggplants[J

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24、線，計算出除 草機器人的位姿。試驗表明，光照變化、陰影對圖像分割算法的影響較小，可以 適應田間環(huán)境；除草機器人位姿計算值與測量值誤差小。 文獻 1楊為民，李天石，賈鴻社.農(nóng)業(yè)機械機器視覺導航研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2004, 20(1 :160?165. 2趙穎，陳兵旗，王書茂,等.基于機器視覺的耕作機器人行走目標直線檢測[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2006,37(4 :83?86. 3 William K Pratt.數(shù)字圖像處理[M ].鄧魯華,譯. 北京:機械工業(yè)出版社,2005. 4張衛(wèi)，杜尚豐.Hough變換在農(nóng)田機械視覺導航中的應用[J].儀器儀表學 報,2005,26(8

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