油茶果采摘机器人机械臂伺服系统选型设计

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1、2015年5月农机化研究第5期油茶果采摘机器人机械臂伺服系统选型设计高自成，王朋辉，王勇桦，肖静，李翔宇(中南林业科技大学机电工程学院，长沙410004)摘要:油茶是我国重要的经济林，然而人工采收油茶效率低、作业条件差等缺陷严重制约着我国油茶产业的发展，实现油茶果采摘的机械化与自动化成为急需解决的问题。为此，根据油茶果生长环境与采摘特性，设计了一种能够有效采摘油茶果的采摘机器人，并对采摘机器人机械臂的伺服系统进行了选型设计。关键词:伺服系统;选型设计;采摘机器人;油茶果中图分类号:TP241．3文献标识码:A文章编号:1003－1

2、88X(2015)05－0140－05DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.05.0310引言油茶是我国重要的经济林，年产茶油总量约27．7万t;预计到2020年，我国油茶年产量将达到300万［1］t。受自然界不稳定因素的影响，导致油茶果生长位置随机、个体形状多样，且大部分林果被遮盖或多个林果重叠，致使采摘机器人难以实现采摘目标的准确识别和定位，最终导致采摘机器人自动化、智能化程［2－3］度达不到生产的要求，作业效率低。为了实现油茶果的机械化和自动化采摘，通过多次实地考察和试验研究，设计出了一种能够精确识别和

3、准确定位夹持1．采摘臂回转底座(第1轴)2．X轴(第2轴)3．Y轴(第3轴)目标的油茶果采摘机器人。在此，主要论述了采摘机4．主臂拉杆5．回转拉杆6．X轴固定拉杆7．支撑主拉杆［4－5］8．三角架9．副臂10．支撑副拉杆11．末端支撑12．第4轴器人机械臂伺服系统的选型设计。13．第5轴14．机械手15．第6轴1机械臂机构简介图1机械臂结构简图Fig．1Structurediagramofmechanicalarm灵巧的林果采摘执行机构是采摘机器人能否有效、快速地完成采摘作业的关键，机械臂更是采摘执行机构的核心部分，用于驱动末端机

4、械手定位作业目标。本机器人机械臂具有6个自由度，为了简化机器人控制系统算法，本采摘机器人机械臂第2轴和第3［6－7］轴采用一种特殊的并联机构。机械臂第2轴位于水平滑台上，控制末端机械手沿着水平方向的移动;第3轴位于垂直滑台上，控制末端机械手在铅直方向的位移;第4轴控制机械手在水平面摆动;第5轴控制机械手在铅垂面摆动;第6轴控制机械手回转。其结构简图如图1所示，三维模型如图2所示。图2机械臂三维模型图Fig．23Dmodelofmechanicalarm收稿日期:2014－05－23基金项目:湖南省教育厅一般项目(12C0453)2

5、伺服电机选型原则作者简介:高自成(1968－)，男，湖南祁东人，副教授，博士研究生，(E［8］－mail)gzc1968@126．com。伺服电机选型应遵循以下原则:·140·2015年5月农机化研究第5期1)负载/电机惯量比。在没有自适应调整的情况(l1+l2)sinα－S0β=arccos(3)下，伺服系统的默认参数为1～3倍负载电机惯量比。l3+l42)转速。电机转速应严格控制在电机的额定转S0+(l3+l4)sinβα=arcsin(4)速之内，并接近电机的额定转速。l1+l23)转矩。伺服电机的额定转矩必须满足实际需设X

6、轴滑块移动速度为v0x，故有要，但是不需要留有过多余量。L=L0+v0xt+l2cosα+l2cosβ(5)4)连续特性。在电机频繁启动和制动时，须保证=(l1+l2)sinα－S0，O=S0+(l3+l4)sinβ。令O12l3+l4l1+l2电机转矩的均方根值小于电机连续额定转矩。由式(1)、式(3)和式(5)可得5)短时间特性。伺服电机的最大转矩须满足电(l1+l2)cosα+(l3+l4)cos(arcsinO1)机的加减速转矩需要。本文针对机械臂第2轴和第3轴的运动特性，论－l2cosα－l4cos(arcsinO2)=

7、L0+v0xt(6)述了并联平行四边形机构的惯量计算过程，再结合工式(6)两端对时间求导可得作转速选择电机型号。－K1ω1=v0x(7)其中，ω1为与角α相关的角速度，有3机械臂计算参数l3O(l1+l2)sinαcosαK1=l1sinα+2由Pro/E软件［9］可测得机械臂参数如表1所示。(l3+l4)槡1－O表1机械臂参数表同理，将式(2)、式(4)代入式(5)中，整理并两端Table1Mechanicalarmparametertable对时间求导可得质量转动惯量l1O2(l3+l4)sinβcosβ序号名称符号符号K2=

8、l3sinβ+/kg62(l+l)1－O/10kg·mm12槡21主臂20．70m2．65J－K2ω2=v0x(8)11其中，ω2为与角β相关的角速度。2主臂拉杆9．99m21．75J2式(5)两端对时间求导，可得3支撑主拉杆4．02m30．51J