基于自动控制技术的多手臂水果采摘装置的设计

2015年9月农机化研究第9

基于自动控制技术的多手臂水果采摘装置的设计

1

赵东辉,张

2

(1.郑州电力高等专科学校,郑州

450004; 2.河南工业贸易职业学院,郑州451100)

要:随着人力劳动成本及农林作业自动化程度的提高,在未来的水果采摘作业中将逐步采用自动化采摘设

备。为此,探讨了多手臂自动水果采摘装置中的智能移动平台、五轴式机械臂、末端执行器及电气控制装置的设计过程。该装置机械部分主要采用了CAD /CAE 软件来进行设计分析,提高了设计的效率、可行性和科学性。该装置设计了4个手臂,可以同时采摘水果,大大提高了机械手的采摘效率,并在机械手抓部分安装有视觉传感器、压力传感器及位置传感器等。同时,对手指进行了应力分析。该装置采用了履带式行走机构,可以适应各种S7-200型号的复杂路面; 并安装了自动导航系统和视觉识别系统,能够准确定位水果位置并进行摘取。此外,PLC 和气动技术在该采摘装置中的应用,使设备整体结构紧凑,工作更加稳定。关键词:多臂机械手; 中图分类号:S225.93

智能移动平台;

末端执行器;

控制系统;

水果采摘

文章编号:1003-188X (2015) 09-0135-04

文献标识码:A

0引言

随着机器人技术的高速发展,农林产品在采摘中

抓紧,气缸6伸出使机械手张开气缸。而气缸5为回转马达,回转马达可以实现机械手抓部分高速旋转,从而将农产品扭断,并抓取下来。故该机械手在一定的空间范围内,可以精确定位到任意位置,并快速采摘高处的水果

[2]

越来越多地采用了自动化采摘机械来取代人的重复劳动。水果自动采摘设备是近年来逐步发展出来的一种新型采摘装置。水果自动采摘装置虽然不如人手那样灵活,但具有可不断重复工作、能够适应恶劣的环境、可以自动进行分拣、载重量大、定位精确和工作稳定等特点。随着人力劳动成本的不断增加,该自动采摘装置将会在未来的农林作业生产中逐渐得到广泛的应用

[1]

1水果自动采摘装置结构组成

该水果自动采摘装置主要由行走装置、躯干部

分、机械手部分、视觉成像装置、位置传感器和气动控制回路部分组成。该装置的核心部分为自动采摘机械手部分,可以通过伸出气缸旋转实现机械手的俯仰高度变化; 可以沿轨道实现x 轴和y 轴方向的运动。其通过视觉成像装置拍照对比树上水果来识别其成熟度,再通过位置传感器来定位水果空间坐标位置; 同时,通过气动控制回路和电气控制回路驱动机械手抓取成熟水果。如图1所示的5和6两个气动装置可以实现抓紧和旋转动作。如气缸6收缩可以使机械手

收稿日期:2014-10-08

基金项目:河南省教育厅自然科学项目(2007460013) ; 浙江省教育厅

科研项目(Y201224518)

(E -作者简介:赵东辉(1979-) ,男,河北邯郸人,副教授,硕士,

mail ) zdh308@163.com 。

1.储存装置2.摄像装置3.旋转气缸4.机械手

5,6.伸出气缸7.履带

图1

多手臂水果自动采摘装置三维图

many arms

Fig.1Three -dimensional of the automatic fruit picking device with

2

2.1

末端执行器机械结构及硬件结构设计

末端执行器的机械结构设计

末端执行器(又称机械手) 结构如图2所示。该

装置通过直动式气缸伸缩来抓紧和放开水果,通过旋转气缸旋转将水果扭下来。该装置上有视觉传感器分辨水果的成熟度,分辨方法为与数据库中的照片进行比对,从而明确该水果的成熟度,并决定是否抓取。通过位置传感器来准确定位水果的位置,并通过压力

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传感器确定所采摘水果需要多大的压力。由于不同的水果所需压力不同,故在摘取前需要调整压力值

[3]

还需要保证农产品不被夹烂,所以对手指部分需要粘上橡胶,这样农产品被夹住时就和人手抓住一样,不该机械手要抓取不同的农产品,有会被夹烂。同时,

些农产品质量较大,所以对机械手有较高的强度要求,因此选择了低合金钢。该合金钢有着较高的屈服强度和屈强比,还有着较好的冷热加工成型性及较好的抗腐蚀能力,可在比较恶劣的环境中作业

机械手手部的机构模仿人的手指,分为无关节、固定关节和自由关节3种; 手指的数量又可以分为二指、三指和四指等,该机械手设计为无关节四指。

该机械手手部材料采用了合金钢,手部结构如图

[4]

2所示。该机械手手部结构是可拆卸的,便于更换。

1.位置传感器2.机械手指3.旋转气缸4.视觉传感器

5.压力传感器6.直动式气缸

图2Fig.2

末端执行器结构End executor structure

Fig.3

图3采摘装置控制系统的硬件配置图

Diagram of a control system Picking device hardware configuration

3.2受力情况

由于该手指不仅要承受手指表面的夹紧力,还要

2.2末端执行器的硬件结构设计

采摘机器人控制系统采用工业PC 机作为控制器,主要实现采摘路径规划。通过串行通讯实现对机械臂关节的交流伺服驱动器的控制,各关节编码器反馈信息和传感器信息的处理及显示等功能。在末端操作器上,分别安装了视觉传感器、位置传感器和压力传感器。视觉传感器是机器视觉系统的核心部件,采用高像素的摄像头; 定位传感器为对射光电管; 压力传感器采用力敏电阻组成。为了使传感器有较宽阔的视觉范围,且不受末端操作器的影响,视觉传感器安装在机械手爪上。视觉传感器主要用于寻找和识别果实目标,位置定位传感器采用红外线对射开关构成。当末端操作器在视觉传感器的引导下向果实运动,果实进入夹持器挡住第一对光电线束时,机械臂开始减速运动,气缸缩回,手爪开始收缩; 当手爪抓紧果实时,压力传感器反馈压力信号,当达到设定的压力值时,表明夹持器夹紧,并启动旋转马达,将果实扭转下来。传感器安装分布图如图2所示。采摘装置

[5]

控制系统的硬件配置如图3所示。

承受高速转动时的较大扭矩力。经过分析,手指表面承受1200N 的力,而侧面承受600N ·m 大小的扭矩,并且要累计承受达到10万次以上的循环动作。通过SolidWorks 软件中的第三方插件cosmos ,对手指受力进行结构分析,如图4所示

图4Fig.4

手指应力分析图Stress analysis of fingers

3.3分析结果

第三方插件cosmos 对零件的分析采用的是一种

3

3.1

手指的应力分析

手指材料特征

由于机械手伸出的手指不仅要夹紧农产品,同时

被称为对等应力(也称von mises 应力) 的应力分析方von mises 等效应力其实就是一维屈服应力在多轴式,

应力状态下的等效表达。软件程序使用von Mises 屈

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服准则,该标准规定当对等应力达到材料的屈服力时,材料开始屈服3.4

小结

由图4手指应力分析图得出:手指的应力最大值在手指的端部,故此处连接可采用较平滑的圆角,可大大降低应力的集中

[7][6]

制末端执行器的伸缩、抓紧与放松、回转3个动作,分别由2个直动式气缸和1个回转气动马达组成。在气动回路设计过程中,通过二位四通的电磁换向阀控制换向。由于机械手的先后动作,所以需通过压力继电器、电磁换向阀及PLC 进行控制其先后动作顺序,可以通过调节节流阀的节流口大小控制流量大小,从而控制执行元件运动的速度。其气动回路图如图6所示

[8]

。由图4应力分析图可知:手

-1指的最大位移在手指顶部,为1.19ˑ 10mm ; 最小位-3移在手指约束处位置,为1.1ˑ 10mm 。而对于整个

机构来说,其最大承载能力就由此手指的承载能力决定,分析得到在对手指施加1200N 的均布载荷时,手指仍能保证最低10.5的安全系数,其结构强度完全满足要求。

4机械臂机构设计

如图5所示,此底座利用旋转电机作为带动大臂

与小臂转动的主传动轴,在底座的顶端加了一个放置螺母的孔。因此,底座还起着承担轴向力的作用,大臂与小臂还有传动机构所有的质量都通过丝杠传递给了底座。底座下粗上细的结构正好可以更加适应这种力的作用,在内立柱的底端所加的轴承也应该主要承受轴向力。同时,在旋转电机上添加了编码器,可以控制电机转动角度,从而准确控制机械臂俯仰高度

1,2.伸缩液压缸3.回转马达4.节流阀5.二位四通电磁换向阀6.气动三联件7.油箱

图6

Fig.6

末端执行器气动回路图

The end effector pneumatic circuit diagram

6PLC 控制部分的设计

该机械手的控制部分是使用西门子系列的PLC

进行控制,选用的型号是224,该型号共有14输入和10个输出。该系统的控制稳定性较好,其输入输出口也满足了该系统的基本要求,其接线端子图如图7所

1,2,3.旋转电机和编码器

图5

Fig.5

4.水果储存装置

示。通过Step7软件进行梯形图编程,将调试过的程序下载到该PLC 中,并通过与气动控制系统的压力继电器、行程开关和电磁换向阀的联合作用,完成对该自动采摘装置的控制,从而实现对水果的自动采

[9]摘。

机械臂机构设计

Mechanism design of mechanical arm

该机械臂的材料为铝合金材料,末端三角形结构即可以使手臂的强度增加,也使手臂的定位更加容易。采摘的水果可以放入水果储存装置中。当水果储存装置装满后,高度传感器感应到水果已经放满,会向该装置发出指令,让小车自动返回起点,通过旋转电机转动将水果自动倾倒出来

[7]

7结论

本文针对多手臂农业机器人的结构和控制进行了

设计与分析,从三维造型到应力分析都采用了CAD /CAE 软件,如Creo2.0等,大大提高了设计的效率、可行性和科学性。针对当前水果采摘自动化、精益化的发展趋势,对采摘机械手的手指部分即末端执行器采

[10]

用了气动技术、传感器与PLC 相结合的控制。视觉传感器、编码器及各种旋转电机的应用,使得该农

5气动回路的设计

末端执行器的气动回路设计采用了德国Festo 公

司气动仿真软件FluidSIM -1。在该软件上对气动回路进行了仿真调试。该气动系统由3个回路组成,控

2015年9月

业采摘机器人在工作时更加稳定、精确

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图7Fig.7

PLC 接线端子图PLC terminal diagram

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2003.出版社,

Based on the Automatic Control of Agricultural Manipulator with

Many Arms Design

Zhao Donghui 1,Zhang Hui

Zhengzhou 451100,China )

Abstract :With labor cost increase and forestry operations to improve the degree of automation ,in the future will gradual-ly adopt the automatic picking device to pick fruit.This paper discusses the design process of intelligent mobile platform ,five axis manipulator ,end effector ,electrical control device which belong to the automatic fruit picking device which with many arms.The device mainly uses CAD /CAE software to design and analysis ,improve the design efficiency ,feasibility and scientific.The unit is designed with four arms ,which can pick the fruit at the same time ,so the efficiency of picking manipulator is greatly improved ,and is installed with a visual sensor ,pressure sensor ,position sensor in the manipula-tor ,and the finger stress analysis was made.A crawler type walking mechanism is adopted on the device ,which can a-dapt to various complicated road ,the device is installed in the automatic navigation system and visual identity system ,can accurately locate the position and pick fruit.In addition ,the application of S7-200model of PLC and pneumatic technology is used in the picking device ,so that the overall structure is compact and more stable.

Key words :manipulator with many arms ; smart mobile platforms ; end effector ; control system ; pneumatic

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(1.Zhengzhou Electric Power College ,Zhengzhou 450004,China ; 2.Henan Industry and Trade Vocational College ,


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