基于现代设计方法学的葡萄采摘机器人设计.pdf

第 nullnull 卷 第 null 期 农业装备与车辆工程 nullnullnullnull 年 null 月 nullnullnullnull nullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金项目 四川省区域创新合作项目 面向川疆葡萄智能采摘机器人关键技术研究及示范应用 null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者简介 林涛 nullnullnullnull null 男 硕士研究生 研究方向 机械机构设计 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 通信作者 孙付春 nullnullnullnull null 男 博士 教授 研究方向 机电一体化 农业机械化 null nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基于现代设计方法学的葡萄采摘机器人设计 林涛 null 万义才 null 郭海东 null 霍大勇 null 孙付春 null 李晓晓 null nullnull 成都大学 机械工程学院 四川 成都 nullnullnullnullnullnull nullnull 四川犍小茉科技有限公司 四川 成都 nullnullnullnullnullnull nullnull 成都北寻智能科技有限公司 四川 成都 nullnullnullnullnullnull nullnull 喀什大学 物理与电气工程学院 新疆 喀什 nullnullnullnullnullnull 摘要 为提高葡萄采摘的自动化程度与效率 降低人工成本并适应智慧农业发展趋势 设计了一款葡萄采摘机器 人 基于现代设计方法学 对葡萄采摘机器人进行功能分解 明确其执行 驱动 视觉 控制及支撑等核心模块 本 研究通过形态矩阵构建多种设计方案 结合效用值分析法对方案进行系统评价 最终选定以履带式行走装置 直流 电机驱动 齿轮传动为核心 并集成多种视觉方案 该葡萄采摘机器人采用六轴机械臂结构 通过蜗轮蜗杆传动 末端执行机构配备柔性夹爪与剪切装置 可精确夹持并剪切直径 nullnullnull nullnull 的葡萄枝 并完成了对控制系统的初步 设计 基于现代设计方法学的葡萄采摘机器人设计为葡萄采摘自动化提供了可行的技术方案 其模块化设计与低 维护成本的特点使其具有较为广阔的应用前景 关键词 葡萄采摘机器人 现代设计方法学 效用值分析法 控制系统设计 视觉检测 中图分类号 nullnullnullnullnullnullnull 文献标识码 null 文章编号 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 引用格式 林涛 万义才 郭海东 霍大勇 孙付春 李晓晓 null 基于现代设计方法学的葡萄采摘机器人设计 null null 农业 装备与车辆工程 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnull Design of grape harvesting robot based on modern design methodology nullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull Abstract nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 引言 葡萄作为全球重要的经济作物之一 其种植面积与 产量逐年增长 中国作为葡萄生产大国 nullnullnullnull 年种植面 积已超过 null nullnullnull null nullnull null 产量已突破 nullnullnullnullnullnull null null null 但葡萄 的采摘任务仍以传统的人工采摘为主 存在劳动强度 大 效率低 成本高等问题 尤其是在采摘作业的高峰 期时 劳动力短缺的问题尤为突出 随着人口老龄化 的加剧和农业劳动力的转移 葡萄产业的可持续发展 面临严峻挑战 在此背景下 研发高效 智能的采摘 机器人成为解决上述问题的关键路径 也是现代农业 装备智能化转型的重要研究方向 nullnullnull 近年来 众多学者在农业采摘机器人领域的研究 取得了显著进展 然而葡萄采摘作业因其复杂的生长 环境 果实簇生 枝叶遮挡 光照环境多变等 和果实易 损伤的特性 对机器人的感知 定位 抓取等核心技术 提出的更高要求 国内研究团队针对葡萄采摘的特殊 需求 在机械结构 视觉算法 运动控制策略等方面展 开了系统性的探索 叶银海等 null 研发了一种采运同步 式双机器人葡萄自动化采收系统 将采 运分别用 null 个 机器人完成 在负责运输的机器人上放置更多的收集 框 达到提高采摘效率的目的 马聪等 null 提出了基于颜 色空间和霍夫直线检测算法融合的方法 提高棚架式 葡萄图像的采集率 该方法的葡萄果实串的正确识别 率达到了 nullnullnull 杨语录等 null 设计并开发了一种基于 nullnullnullnullnull 的柔性葡萄采摘机械臂 该机械臂可更好的 适应不同场合下篱架式葡萄的采摘 具有更好的通用 性 国内葡萄采摘机器人仍处于快速发展阶段 现有 研究主要集中在葡萄采摘机器人的机械臂结构优化 以及葡萄果视觉识别算法的改进上 但如何设计出高 效可靠的葡萄采摘机器人机械结构和优化出更加精 准的葡萄果识别算法 一直是葡萄采摘机器人设计需 要攻克的难点 nullnullnull 本文通过形态矩阵构建出多种葡萄采摘机器人 设计方案 利用效用值分析法对各方案进行评分从而 选出最优设计方案 最后根据最优设计方案的要求设 计出适合葡萄采摘环境的葡萄采摘机器人的机械结 构 并给出控制模块和识别模块的设计方案 达成了 模块化设计与降低维护成本的目的 为葡萄采摘自动 化提供了可行的技术方案 且该方案低功耗 高适应 性的特点还可拓展至其他果蔬采摘场景 在推动智慧 农业装备产业化进程中具有重要的应用价值 null 葡萄采摘机器人方案设计 nullnullnull 葡萄采摘机器人设计的具体要求 现代设计方法学是研究产品设计的过程 规律及 设计中思维和工作方法的一门综合性学科 nullnull 对比 传统设计方法以经验 感性和静态的方式进行设计 现代设计方法具有更加科学 理性和动态的特点 nullnull 本研究通过对葡萄种植园的实地考察 与葡萄采摘工 人进行交流后 依据现代设计方法学为葡萄采摘机器 人设计制定了要求期望明细表 如表 null 所示 nullnull 表 null 葡萄采摘机器人要求期望明细表 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 序号 项目 要求 null 几何尺寸 机器的整体尺寸不能过大 工作机 构大小不要超过葡萄树的列间距 null 工作范围 包括葡萄果实及根部细枝的水平高 度范围 null 工作方式 采用剪切的方式将葡萄果实根部细 枝剪断 同时夹持住根部细枝 null 动力要求 夹持机构提供的动力需将 nullnullnullnullnull nullnull 的葡萄枝剪断 null 控制标准 能够检测葡萄果实与细枝位置 并 控制末端执行机构到相应位置 null 安全和人机关系 机构极限位置有检测和限制 整机 配备障碍物检测模块进行避障 null 实用性和保养 简化操作步骤适合普通工人操作 保养维修方便 null 成本要求 单台机器人成本不超过 null 万元 同 时保证在使用寿命期限内回收成本 nullnull 装配和运输 拆装工具要通用 拆装容易 不需要 特殊的运输工具 保证一定的装配 精度 保证其更换配件后其位置精 度不变 nullnullnull 总功能分解 葡萄采摘机器人的总功能是指对葡萄园中的葡 萄果实进行采摘 装车 运输全过程 为清楚地展示葡 萄采摘机器人各工作部分与周围环境的关系 本研究 建立技术过程流程图 如图 null 所示 图 null 葡萄采摘机器人技术过程流程图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull第 nullnull 卷第 null 期 林涛 等 基于现代设计方法学的葡萄采摘机器人设计 在图 null 中 环境是指葡萄种植园及周遭环境 其 余技术系统指的是葡萄采摘机器人对能源和控制等 相关的技术要求 其中点画线表示该机械系统内部与 外部的联系 虚线内表示葡萄采摘机器人的整体模块 分类 其他信息指的是其余非视觉信息 如夹持住葡 萄后影响控制机械臂完成装篮的相关信息等 为了更直接地展示葡萄采摘机器人系统各部分 的功能 建立功能结构树 如图 null 所示 将葡萄采摘 机器人的总功能分为执行功能 驱动功能 视觉功能 控制功能 支撑部分 图 null 葡萄采摘机器人功能结构树 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull 葡萄采摘机器人设计方案的确定 根据葡萄采摘机器人的功能树 采取系统组合的 方法 建立葡萄采摘机器人组合的形态矩阵 将可能 的方法进行列举排列 计算出可能的解法 并在所有 的解法中找出符合项目实际意义的执行方案 葡萄 采摘机器人的形态学矩阵如表 null 所示 当不考虑工 作环境和其条制约的情况下 设计方案一共有 null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 种 表 null 葡萄采摘机器人形态学矩阵 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 功能分解 null null null null 能量转换 汽油机 柴油机 液压马达 直流电机 采摘动作 剪切 扭断 null null 传动方式 链条 齿轮 皮带 控制方式 软件控制 限位开关 null null 运动方式 履带式 轮式 轨道式 制动方式 鼓式制动 闸式制动 盘式制动 结合实际的工作环境 本研究对初始方案做了细 致的比较与排除 最终得到 null 种可实施的方案 null 方案 null 方案 null 的运动方式采用履带式 能 量转化装置采用直流电机 传动方式采用齿轮传动 前后及侧方与末端执行机构都安装有视觉相机 该方 案的葡萄采摘机器人如图 null 所示 图 null 所示的葡萄 采摘机器人主要包括末端执行机构 机械臂和车体 此方案利用安装在葡萄采摘机器人前方与侧边的视 觉相机采集视觉信息 通过控制程序及相关算法控制 葡萄采摘机器人进行前后及避障运动 行进到适合葡 萄采摘的大致位置 安装在末端执行机构上方的视觉 相机采集葡萄果实及葡萄枝的位置 通过控制程序及 相关算法 利用机械臂将末端执行机构中刀片与夹爪 移动至适合进行采摘的位置 在完成上述 null 个步骤 后 再通过控制程序控制夹爪及刀片闭合 对葡萄枝 进行剪切工作 在剪断葡萄枝的同时 刀片下方的夹 爪夹持住断面下方葡萄枝 再进行装车 nullnull末端执行机构 nullnull机械臂 nullnull车体 图 null 履带传动式葡萄采摘机器人 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null 方案 null 方案 null 采用的运动方式为轮式 能 量转化装置采用小型汽油机 该方案的葡萄采摘机器 人如图 null 所示 图 null 葡萄采摘机器人采用车轮作为 运动方式 制动方式为盘式制动 且传动方式为皮带 传动 此方案通过两侧的视觉相机检测葡萄簇后 通 过控制程序控制车体靠近目标位置 再由末端执行机 构上方的视觉相机检测信息 控制机械臂完成采摘 其实现功能的过程与方案 null 大致相同 图 null 轮式葡萄采摘机器人 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull 设计方案的评价与选择 本文采用效用值分析法进行方案的评价与选择 nullnull 农业装备与车辆工程 nullnullnullnull 年 作为系统工程学的重要评价方法之一 效用值分析法 主要是将待评价的目标看作 null 个系统 为满足该系 统 会提出一个总目标 记为 null 总目标下会划分出 更细的分目标 记为 null null 和 null null 为 null 级分目标 null 级分 目标会存在更细的分目标 即 null null 的分目标记为 null nullnull 和 null nullnull 即 null 的 null 级分目标 同时 null 级分目标也会存在更 细的分目标 即 null nullnull 的分目标记为 null nullnullnull 和 null nullnullnull 即 null 的 null 级分目标 以此类推 最终会形成一个呈树状结构的 目标分级 即目标树 如图 null 所示 其中最末级别的评 价目标是总目标的具体评价目标 即评价标准 nullnull 图 null 目标树示意图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 建立评价目标树时应选择起决定作用的设计要 求与条件作为主要目标 且各个目标之间应当相互独 立 由于各级别评价目标在同级别中的重要程度不 同 以加权系数来表示各评价目标的重要程度 通常 取 nullnullnull 之间的数字来表示 各级别评价目标的加权 系数之和应为 null 葡萄采摘机器人的评价目标树和 加权系数如图 null 所示 该目标树所含各级别评价目标方框内都含有 null 项内容 即上方长方框表示该级别评价目标的名称 大 方框下部分左边为上一级目标的同级分目标的加权系 数 其数值是根据该评价目标的重要性 综合判断给出 的权重系数 右侧小方框则表示该评价目标在整个评 价目标中的权重系数 其计算方式为该评价目标的本 级别权重系数与该目标所有相关的上级评价目标的对 应级别权重系数的连乘积 例如 识别精度 一栏 左 侧方框数值 nullnullnull 表示的是识别精度在与采摘速度 机 械噪声 null 项中所有的权重系数 由设计人员根据功能 重要程度拟出 右侧方框数值 null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 在确定评价目标树和加权系数之后 针对各方案 相应的分目标进行评价打分 在效用值分析法中 常 以 nullnullnullnull 分来评价该分级评价目标的价值 可以将分 级评价目标的分数 null 乘以对应的加权系数 null 得到 该分级评价目标的加权分价值 null 则该方案的总价 值 null 则可以通过计算各分级评价目标的加权价值 之和来表示 以上述方法 建立各评价指标分数规则 如表 null 所示 建立葡萄采摘机器人方案评价表如表 null 所示 表 null 各指标评价分数规则 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 序号 评价目标 评价分数规则 null 识别精度 精度越高分数越高 null 采摘速度 采摘速度越快分数越高 null 机械噪声 噪声越低分数越高 null 操作难度 操作难度越低分数越高 null 学习难度 学习难度越低分数越高 null 零件通用性 零件通用性越好分数越高 null 零件可靠性 零件可靠性越好分数越高 null 维护成本 维护成本越低分数越高 null 能源成本 能源成本越低分数越高 图 null 葡萄采摘机器人评价目标树和加权系数 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull第 nullnull 卷第 null 期 林涛 等 基于现代设计方法学的葡萄采摘机器人设计 表 null 葡萄采摘机器人评价方案表 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull n