基于自动控制技术的多手臂水果采摘装置的设计

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1、2015年9月农机化研究第9期基于自动控制技术的多手臂水果采摘装置的设计12赵东辉，张慧(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)摘要: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

2、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，S7－200型号的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;智能移动平台;末端执行器;控制系统;水果采摘中图分类号:S225．93文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)09－0135－04DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.09.030抓紧，气缸6伸出使机械手张开气缸。而气缸5为回0引言转马

3、达，回转马达可以实现机械手抓部分高速旋转，随着机器人技术的高速发展，农林产品在采摘中从而将农产品扭断，并抓取下来。故该机械手在一定越来越多地采用了自动化采摘机械来取代人的重复的空间范围内，可以精确定位到任意位置，并快速采［2］劳动。水果自动采摘设备是近年来逐步发展出来的摘高处的水果。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［1］广泛的应用。1水果自动采摘装置结构组成该水果自动

4、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1．储存装置2．摄像装置3．旋转气缸4．机械手制回路部分组成。该装置的核心部分为自动采摘机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械手部分，可以通过伸出气缸旋转实现机械手的俯仰Fig．1Three－dimensionaloftheautomaticfruitpickingdevicewith高度变化;可以沿轨道实现x轴和y轴方向的运动。manyarms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;2末端执行器机械结构及硬件结

5、构设计同时，通过气动控制回路和电气控制回路驱动机械手2．1末端执行器的机械结构设计抓取成熟水果。如图1所示的5和6两个气动装置可末端执行器(又称机械手)结构如图2所示。该以实现抓紧和旋转动作。如气缸6收缩可以使机械手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);浙江省教育厅分辨水果的成熟度，分辨方法为与数据库中的照片进科研项目(Y201224518)行比对，从而明确该水果的成熟度，并决定是否抓取。作者简介:赵东辉(1979－)，

6、男，河北邯郸人，副教授，硕士，(E－mail)zdh308@163．com。通过位置传感器来准确定位水果的位置，并通过压力·135·2015年9月农机化研究第9期传感器确定所采摘水果需要多大的压力。由于不同还需要保证农产品不被夹烂，所以对手指部分需要粘的水果所需压力不同，故在摘取前需要调整压力上橡胶，这样农产品被夹住时就和人手抓住一样，不［3］值。会被夹烂。同时，该机械手要抓取不同的农产品，有机械手手部的机构模仿人的手指，分为无关节、些农产品质量较大，所以对机械手有较高的强度要固定关节和自由关节3种;手指的数量又可以分为二求，因此选择了低合金钢。该合金钢有着较

7、高的屈服指、三指和四指等，该机械手设计为无关节四指。强度和屈强比，还有着较好的冷热加工成型性及较好该机械手手部材料采用了合金钢，手部结构如图的抗腐蚀能力，可在比较恶劣的环境中作业。［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．视觉传感器图3采摘装置控制系统的硬件配置图5．压力传感器6．直动式气缸Fig．3DiagramofacontrolsystemPickingdevicehardwareconfiguration图2末端执行器结构3．2受力情况Fig．2Endexecutorstructure2．2末端执行器

8、的硬件结构设计由于该手指不仅要承受手指