双臂式茶叶采摘机器人的改进设计

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1、2015年2月农机化研究第2期双臂式茶叶采摘机器人的改进设计11122陆鑫，李恒，徐丽明，秦广明，赵映(1．中国农业大学工学院，北京100083;2．农业部南京农业机械化研究所，南京210014)摘要:针对现有龙门式茶叶采摘机器人成本高、作业效率低的缺点，改进设计了双臂式采摘机器人。每个臂采用直角坐标式结构，X轴采用双臂式结构，避免了因Y轴悬臂长而产生的变形和作业震动。X方向两个滑台以联轴器相连，保证两根X轴的同步运行。X、Y、Z这3个方向的滑台由3个步进电机驱动，以同步带为传动方式，实现3个方向的自由移动。控制系统以TMS320F2812为控制芯片，采用“S型曲线加减速”，以最快的速

2、度实现满足精度要求的定位。改用开环的控制系统，双臂式机械手对称布置同时进行作业。室内和田间试验结果表明:平均每小时采摘3581次，效率比原来的机器人提高了83%，并且采摘准确，满足生产作业的要求。关键词:茶叶;双臂式采摘机器人;步进电机;S型曲线加减速中图分类号:S225．95文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)02－0101－06DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.0250引言我国是茶的故乡，也是饮茶的发源地，饮茶越来越成为现代人的一种生活习惯。我国作为茶叶生产、消费和出口大国，在国际竞争逐渐激烈、智能农业快速发展的大环境下，有必要利用

3、现代的科技手段，推［1－2］广智能采茶技术，以保证茶叶的质量和产量。然而传统采摘以人工手采摘为主，目前我国在智［3－4］能采茶这一领域几乎处于空白。现有的龙门式［5］茶叶采摘机器人基本上能够完成采摘动作，但是成本高，效率很低，本文在此基础上，为了提高作业效［6－13］率，设计了双悬臂式采摘手机器人。图1机器人工作模型1机械结构改进设计Fig．1Ｒobotsworkingmodel本项目以江苏鑫品茶园为实验基地，为了保证所设计的机器人能够恰到好处地完成茶叶采摘，设计前进行了实地考察，对茶棚的空间尺寸进行了准确的测量，并根据所得数据，以设计略大于需求的原则，初步设计了如图1所示的悬臂式双采

4、摘手机器人。然后，利用SolidWorks三维建模得到了机器人的三维模型，如图2所示。收稿日期:2014－02－27基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD20B07－3)作者简介:陆鑫(1991－)，男，湖北孝感人，硕士研究生，(E－mail)1．左Z轴2．左Y轴3．左X1轴4．左X2轴luciencau@126．com。5．右X2轴6．右X1轴7．右Y轴8．右Z轴通讯作者:徐丽明(1969－)，女，山东蓬莱人，教授，博士生导师，图2机器人三维模型(E－mail)xlmoffice@126．com。Fig．2Three－dimensionalmodeloftherob

5、ot·101·2015年2月农机化研究第2期该机器人左右结构对称，均采用悬臂梁式结构，电机可以做到几乎不丢步，这时步进电机的精度和分为保证结构稳定性，X轴方向采用双轴设计，避免了辨率并不比伺服电机差;另外，在低频特性方面也是步因Y轴悬臂过长而产生的变形和较大幅度的震动;X进电机优于伺服电机。实验表明:当细分达到64时，方向两个滑台以联轴器相连，保证两根X轴的同步运步进电机几乎没有低频振动的问题了，运行平稳没有行。X、Y、Z这3个方向的滑台由3个步进电机驱动，噪音;但是对于伺服电机而言，即便是现在有比较成熟以同步带为传动方式，实现3个方向的自由移动。根的驱动器，要想在保证速度、位置精度的

6、前提下调节据茶棚实际情况，设计得到的X轴(前后方向)有效行PID参数以达到平稳无振动的效果是非常难的。因此，程为1000mm，Y轴(左右方向)有效行程为650mm，Z步进电机更适合于低速、低负载场合的精准控制，本系［8－10］轴(上下方向)有效行程为200mm;再根据茶叶生长状统即选择步进电机为动力源。态和一芽两叶的采摘要求，设计了采用舵机驱动的采在选择步进电机时，首先要保证其输出功率大于摘手爪，并将其安装在Z轴上。这种直角坐标式的机负载所需功率，因此必须要计算机械系统所需要的负器人控制简单，完全满足茶叶采摘要求。载转矩。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线内。根据

7、这个选用原则，在实际2控制系统设计经验的基础上，选择了汉德保步进电机，并计算各轴负2．1硬件设计载，选择相应规格步进电机(见图3)以及与之配套的2．1．1处理器选择驱动器(见图4)，电机型号如表1所示。根据采摘要求，机械手必须可以到达指定空间内的任意一点，并执行采摘动作，为保证控制的准确性以及稳定性，选择了美国TI公司推出的TMS320F2812为控制芯片。该芯片是定点32位DSP芯片，适合用于工业控制、电机控制等，用途广泛;运行时钟可达150