茄子采摘机器人机械传动系统设计与开发

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　机械传动　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2009年36

文章编号:1004-2539(2009)05-0036-03

茄子采摘机器人机械传动系统设计与开发

宋　健1,2　孙学岩1　张铁中2　张　宾2

(1潍坊学院机电工程系,　山东潍坊　261061)(2中国农业大学工学院,　北京　100083)

摘要　根据茄子采摘要求,的关节驱动方式,设计了结构精巧的关节传动装置。,通过装配对零部件进行了修正,4自由度采摘机器人结构设计合理,1.,,具有较高的运动精度。

关键词　设计,确定底座高l1为340mm,腰部回转角θ1为

±180°,大臂转角θ90°,小臂转角θ150°。2为±3为±这样,优化设计变量就只有大臂长l2,小臂长l3,即X=[x1,x2]T=[l2,l3]T1.3　目标函数的确定机器人优化设计的目的是得到最紧凑的机械结构,选取实际到达的工作空间所围成的面积为目标函数,并使其在包容所要求的

矩形工作空间(b1×h)条

图1　茄子采摘机器人工作位置图

件下为最小值,即

2

minf(X)=(x1+x2)2+πx-422

2

(x1+x2)2-2x1x2cos30°2

1.4　约束条件

实际设计中,变量大臂长l2、小臂长l3的取值是有限制的,就是必须使采摘机械手作业要求的矩形工作空间包含在实际工作空间内[5]。综合分析图1所示的各段圆弧方程,考虑设计变量的非负性,可得优化约束条件为

g1(X)=-x1≤0

g2(X)=-x2≤0

g3(X)=x1+x2-2x1x2cos30°-α≤0

222

g4(X)=c+d-(x1+x2)≤0

2

2

2

0　引言

随着人口的老龄化和农业劳动力的减少,研究开

发果蔬采摘机器人具有越来越重要的意义[1-2]。从20世纪80年代中期开始,日本等西方发达国家开始了自动化收获水果蔬菜的研究,试验开发了一些具有一定智能的蔬菜采摘机器人[3]。但由于技术、市场和价格等因素的影响,离实际应用还有很大距离[4]。综合国内外研究文献,对于采摘机器人的研究大多数集中在视觉系统对果实目标的识别和定位上,而对于机器人机械本体的研究较少。

我们以开发开放式茄子采摘机器人为研究目标,根据采摘机器人的工作空间,对机器人的结构参数进行优化设计,在此基础上进行机器人机械传动系统的设计。

1　采摘机器人结构参数的优化设计

1.1　采摘机器人的工作空间

根据采摘对象长条茄子的生长状况,株高一般为1000mm～1200mm。幼苗期结束时,第一花序出现在8～10片真叶之间,门茄生长在此,这时株高约为350mm～500mm之间。因此,茄子果实高度分布在300mm～1100mm之间,前后分布在160mm范围内。结合机械手的作业情况,确定采摘机械手的工作空间为160mm×600mm×800mm。另外,考虑机械手与作物的相对位置,将前后分布范围扩大到240mm。这样,确定采摘机械手的矩形工作空间为b1×h=240mm×800mm,空间相对位置如图1所示。1.2　设计变量的确定

机械手的设计变量包括底座立柱高l1,大臂长l2,小臂长l3,腰部回转角θ1,大臂转角θ2,小臂转角θ3。为了简化优化设计过程,结合机械手的具体机械结构

g5(X)=(c-x1)2+b2-x202≤g6(X)=(a-x1)2+b2-x202≤

1.5　优化计算与机构参数的确定

采摘机械手的结构参数优化是一个单目标非线性优化问题。该规划具有1个目标函数,2个设计变量,6个约束条件,且都是不等式约束。使用Matlab软件