2008年3月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報第39卷第3期番茄采摘機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)對番茄可靠抓持，果梗切斷裝置利用激光對果梗進(jìn)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(jī)械手順利聯(lián)接。關(guān)鍵詞:番茄采摘機(jī)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(xiàn)標(biāo)識碼：A1學(xué)HardwareDesignoftheEnd2effectorfor2LiuJizhanLi(UAnend2effectorfortomato2harvestingrobotwasdevelopedbasedonmulti2sensorinformationfusionandopencontrol.Theend2effectoriscomposedofactuatingsystem,perceptionsystem,controlsystemandpower2supplysystem.Inactuatingsystem,thevacuumsuctionpaddeviceseparatesthefruitfromthecluster,andthenagrippergraspsthetomatofruitreliably,finallythepeduncle2cuttingdevicecutsthepedunclewithlaser.Designmassofthisend2effectoris112kg,whichneedsonly3stoperformactionsofharvesting.Bychangingaconnectingplate,theend2effectorcanbemountedondifferentmanipulators.KeywordsTomato2harvestingrobot,End2effector,Multi2sensor,Hardware,Design收稿日期：20072032143國家自然科學(xué)基金資助項目（項目編號:60575020劉繼展江蘇大學(xué)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(xué)副校長教授博士生導(dǎo)師李智國江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院碩士生引言采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)械手前端，直接與采摘目標(biāo)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(jī)器人實現(xiàn)果蔬采摘的關(guān)鍵執(zhí)行部分。與工業(yè)機(jī)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(fù)雜多變性特征，采摘機(jī)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110,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(fù)雜多變性缺乏適應(yīng)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(jī)器人及其末端執(zhí)行器由交流供電，無法實現(xiàn)移動采摘，普普通鉛酸電池的體積、質(zhì)量和容量等則難以達(dá)到要求；采摘機(jī)器人及其末端執(zhí)行器應(yīng)用工控機(jī)控制，輕便性差，靈活性不足。我國目前雖然在果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)器視覺、智能小車、機(jī)械手等研究上均已取得一定進(jìn)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(jī)器人末端執(zhí)行器，并進(jìn)行硬件的設(shè)計開發(fā)。1總體結(jié)構(gòu)與原理本采摘機(jī)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，通過多傳感器的信息融合，控制真空吸盤前進(jìn)，當(dāng)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(jī)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12II1098圖1Fig.1Bodyof2robot1.手指2.3.4、8、11.直流伺服電動機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)和果梗激光切斷裝置，分別完成果實吸附拉動、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(biāo)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(jìn)給機(jī)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?？紤]移動式采摘機(jī)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(yīng)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(jī)器人末端執(zhí)行器的真空系統(tǒng)。吸盤進(jìn)給機(jī)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(jī)驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，通過齒輪齒條傳動帶動吸盤前進(jìn)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(wù)。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(jī)構(gòu)圖2手指尺寸及吸盤行程Fig. 2 Fingersizeandpadstroked指夾持機(jī)構(gòu)用于抓緊果實,以便進(jìn)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(jī)構(gòu)及控制的復(fù)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)象也會隨之增多，故設(shè)計中采用了兩指夾持方式。手指寬為45mm，為了增強(qiáng)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(dá)30N,可在015s內(nèi)對4090mm番茄果實完成夾持。213果梗激光切斷裝置番茄采摘機(jī)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(yīng)的機(jī)構(gòu)，并有較大的驅(qū)動力這會增大采摘機(jī)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果梗切斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematicdiagramofpeduncle2cuttingdevice1 .聚焦透鏡2.固定環(huán)3.止推軸承4.直流伺服電動機(jī)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(jī)器人末端執(zhí)行011農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報2008年器裝置的復(fù)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92mmX86mmX20mm的小型30W高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器和保護(hù)控制電路組成，保護(hù)控制電路對激光器進(jìn)行直流供電和穩(wěn)壓保護(hù)，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(jī)、聯(lián)接與支承部件組成。激光器通過標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jìn)行果梗的精確定位；通過直流伺服電動機(jī)帶動聚焦透鏡轉(zhuǎn)動，使透鏡對準(zhǔn)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(jìn)行調(diào)整，以滿足不同品種果實的梗長需要。3感知系統(tǒng)、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：在直流伺服電動機(jī)系統(tǒng)中，與直流電動機(jī)和微型減速器集成為一體的直流伺服電動機(jī)編碼器，用于檢測電動機(jī)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。在真空發(fā)生器中集成壓力傳感器，測量并反饋真空負(fù)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(jī)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(biāo)及環(huán)境的距離覺、接近覺、力覺等外部信息：在末端執(zhí)行器中部安裝有遠(yuǎn)距傳感器，可以檢測20150cm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1060cm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(yuǎn)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(jī)器人及其末端執(zhí)行器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、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。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(Fx,Fy,Fz,在末端執(zhí)行器與機(jī)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(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz。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(jī)同時感測末端執(zhí)行器抓取的姿態(tài)和對果實進(jìn)行稱量，根據(jù)果實質(zhì)量進(jìn)行分級。4控制系統(tǒng)以便攜式計算機(jī)+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(jī)和臺式機(jī)相比，便攜式計算機(jī)占用空間小、適合于移動采摘機(jī)器人和末端執(zhí)行器的控制。便攜式計算機(jī)與多軸運動控制卡之間以USB方式進(jìn)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(jī)，一使采摘、靈活。圖4末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)組成框圖Fig.：04Composingofcontrolsystemfortheend2effector末端執(zhí)行器的所有傳感器信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換由擴(kuò)展I/O口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(jī)的位置和速度，實現(xiàn)手指夾持機(jī)構(gòu)和真空吸盤機(jī)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，通過繼電器控制光纖耦合半導(dǎo)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。111第3期劉繼展等：番茄采摘機(jī)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(qiáng)大、易于擴(kuò)展，并可與機(jī)器人本體控制器進(jìn)行通訊。5結(jié)束語番茄采摘機(jī)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(jī)構(gòu)采用瑞士Maxon微型直流伺服電動機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動，其中最小的電動機(jī)及減速器總質(zhì)量僅為9g。同時考慮采摘機(jī)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1/31/4,且容量大、壽命長的高能鋰電池組進(jìn)行供電。系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量僅為112kg，末端執(zhí)行器完成采摘動作的時間為3s。除了應(yīng)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(jī)械主體與實驗室現(xiàn)有機(jī)器人本體、特別是機(jī)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(jī)械手的順利聯(lián)接。參考文獻(xiàn)1ShinsukeKitamura,KoichiOka.Recognitionandcuttingsystemofsweetpepperforpickingrobotingreenhousehorticulture1 C/ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonMechatronics&Automation,NiagaraFalls,2005.2 BulanonetDM,KataokaT,OkamotoH,etal.Determingthe32DlocationoftheapplefruitduringC/Proceed2ingsoftheASAEConference,2004.3 AchmadIrwanSetiawan,TomonariFurukawa,AdamPreston.low2C/Proceed2ingsoftheIEEEInternationalConferenceonRobotics&4SeiichiArima,NaoshiKondo,Sakae,robot;informationfromspray2ing,harvestingCofIEEE/ASMEInternationalConferenceonAdvanced5GANNO,YukitsuguISHII,etal.RoboticharvestingsystemforeggplantsJ.JARQ,2002,36(:163168.6 VanHentenEJ,HemmingJ,VanTuijlBAJ,etal.AnautonomousrobotforharvestingcucumbersingreenhousesJ.AutonomousRobots,2002(13:24卜258.7 ChoSI,ChangSJ,KimYY,etal.Developmentofathree2degrees2of2freedomrobotforharvestinglettuceusingmachinevisionandfuzzylogiccontrolJ.BiosystemsEngineering,2002,82(2:14»149.8 MontaM,KondoN,TingKC.End2effectorsfortomatoharvestingrobotJ.ArtificialIntelligenceReview,1998,12(13:1125.9KondoN,TingKC.RoboticsforplantproductionJ.ArtificialIntelligenceReview,1998,12(13:227243.10李芳繁，王智立.采摘柑橘果實機(jī)器手臂之研制J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)刊，1999,8(3:18.11方建軍.采摘機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)設(shè)計J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2005,36(5:8386.12李明基,毛罕平,張艷誠.基于提升小波和分形的蘋果樹多源圖像融合算法J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2007,38(10:9193,121.(上接第108頁微軟公司的VFW軟件連續(xù)采集圖像，利用提出的圖像分割算法將農(nóng)作物從土壤背景中分割出來，利用Hough變換檢測出農(nóng)作物行的中心線，計算出除草機(jī)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(yīng)田間環(huán)境；除草機(jī)器人位姿計算值與測量值誤差小。文獻(xiàn)1楊為民，李天石，賈鴻社.農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)器視覺導(dǎo)航研究J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004,20(1:160165.2趙穎，陳兵旗，王書茂,等.基于機(jī)器視覺的耕作機(jī)器人行走目標(biāo)直線檢測J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2006,37(4:8386.3WilliamKPratt.數(shù)字圖像處理M.鄧魯華,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.4張衛(wèi)，杜尚豐.Hough變換在農(nóng)田機(jī)械視覺導(dǎo)航中的應(yīng)用J.儀器儀表學(xué)報,2005,26(8:706-707.5PintoFAC,ReidJF,ZhangQ.Vehicleguidanceparameterdeterminationfromcroprowimagesusingprincipalcompo2nentanalysisJ.JournalofAgriculturalEngineeringResearch,2000,75(3:257264.6張磊,王書茂，陳兵旗，等.基于機(jī)器視覺的麥田邊界檢測J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007,38(2211114.7ChenYong,TianLei,ZhengJiaqiang.DirectherbicideapplicationwithanautonomousrobotforweedcontrolC.2005ASABEInternationalAnnualMeeting.PaperNo:051009.8周俊，劉成良，姬長英.農(nóng)用輪式移動機(jī)器人相對位姿的求解方法J.中國圖像圖形學(xué)報,2005,10(3:310-314.211農(nóng)業(yè)2008 年機(jī)械學(xué)報