自動(dòng)苗木栽植機(jī)器人的設(shè)計(jì)

但當(dāng)前市面上的移栽機(jī)大多均為半自動(dòng)移栽機(jī)，有很多彎腰、伸手的動(dòng)作，在密集作業(yè)時(shí)，可能會(huì)有一天 8 小時(shí)的勞動(dòng)時(shí)間，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大；隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，作業(yè)人員數(shù)量逐漸減少，種植成本大大增加；并且，人工遞苗和取苗的速度制約了移栽作業(yè)的效率。為了提高苗木移栽效率，用一款便捷高效的自動(dòng)化栽植機(jī)構(gòu)來代替繁重低效的人工栽植非常有必要。

1 自動(dòng)苗木栽植機(jī)器人總體方案的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種自動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)，包括取苗定位機(jī)構(gòu)、苗木存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)以及栽植機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，并對(duì)其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及動(dòng)作要求進(jìn)行深入分析，結(jié)合幼苗農(nóng)藝夾持特性，對(duì)取苗末端執(zhí)行器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析其夾苗軌跡。

1.1 機(jī)械方案的設(shè)計(jì)

栽植設(shè)備的作用一般是從栽植設(shè)備中苗木存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)中取得待栽植的苗木，然后通過軌跡規(guī)劃將苗木栽植到土地中去。在此過程之中，種植處的種植深度也是栽植的一個(gè)重要條件，此設(shè)備需要精確的獲得數(shù)據(jù)，以確保栽植目的的完成。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)苗木栽植機(jī)器人主要包括取苗定位機(jī)構(gòu)、苗木存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)以及栽植機(jī)構(gòu)，取苗定位機(jī)構(gòu)初步采用步進(jìn)電機(jī)來提供動(dòng)力，取苗末端執(zhí)行器初步選擇氣缸來提供動(dòng)力來夾苗。機(jī)械手部分進(jìn)行栽植工作�？偟膩碚f，該機(jī)器人采用履帶式移動(dòng)平臺(tái)+機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置+末端執(zhí)行器+栽植裝置。并且自動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)，調(diào)試適當(dāng)?shù)目臻g角度，保證其不會(huì)造成苗木損壞，盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小、方便安裝；自動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)盡量合理、采用桿機(jī)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)；自動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合農(nóng)藝要求，在此基礎(chǔ)上增加末端執(zhí)行器的數(shù)量，從而提高取苗作業(yè)的工作效率。

圖 1 自動(dòng)苗木栽植機(jī)器人

1.2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 取苗定位機(jī)構(gòu)

取苗定位機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)來提供動(dòng)力。

步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換類控制電機(jī)，主要工作是將電脈沖轉(zhuǎn)為角位移。從機(jī)構(gòu)角度上來講，步進(jìn)電機(jī)主要為三種類型，分別是永磁式、混合式以及反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的控制源與機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速都與脈沖離不開關(guān)系，每一個(gè)脈沖被電機(jī)捕捉到，電機(jī)的轉(zhuǎn)子相應(yīng)的轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率呈現(xiàn)同比關(guān)系。

通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的三種類型的性能之間對(duì)比，本次課題選用 HS 步進(jìn)電機(jī)。課題中的高精度、小步距角等一些要求恰是 HS 步進(jìn)電機(jī)所有的特點(diǎn)。因此，本課題選用兩相四線的HS步進(jìn)電機(jī)為設(shè)計(jì)研究目標(biāo)。

1.2.2 栽植機(jī)構(gòu)

栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)其實(shí)主要包括取苗末端執(zhí)行器與機(jī)械手部分的設(shè)計(jì)，其中取苗末端執(zhí)行器選擇氣缸來提供動(dòng)力夾苗。機(jī)械手顧名思義便是進(jìn)行栽植。

末端執(zhí)行器：在機(jī)械手尾部裝有壓縮棉花，以防破壞苗木活性；壓土部分采用斜坡形式將土壓實(shí)。整個(gè)種植苗木過程：爪手松開，等苗木完全處在土坑中時(shí)，斜坡面下壓，填充穴孔，接下來向上舉起斜坡面，離開穴盤，完成整個(gè)過程。全過程的動(dòng)力源通過使用氣缸裝置獲取。

氣缸主要是驅(qū)動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得空氣膨脹壓縮，在能的形式上將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，是一種常見的氣動(dòng)元件。本課題采用 TN10X125 號(hào)氣缸，屬于常見氣缸中的行程氣缸，其行程為 125mm。

機(jī)械手：機(jī)械手為機(jī)器人的主體，一方面在移栽過程中，已經(jīng)能夠精確的完成整個(gè)執(zhí)行命令，另一方面也考慮到了在之后的發(fā)展中可添加其余指令空間。整個(gè)機(jī)械手的執(zhí)行指令可以在電腦端或者控制器處下達(dá)。

圖 2 末端執(zhí)行器和機(jī)械手

2 自動(dòng)苗木栽植機(jī)器人控制方案設(shè)計(jì)

2.1 末端執(zhí)行器參數(shù)優(yōu)化

為了達(dá)到精準(zhǔn)夾持以降低傷苗率，需要對(duì)末端執(zhí)行器的桿件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)特定角度的夾苗、放苗，研究末端執(zhí)行器夾苗軌跡。

2.1.1 末端執(zhí)行器建模

以圖 3 所示的對(duì)稱機(jī)構(gòu)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。將原點(diǎn)取為上固定處曲柄端，建立平面坐標(biāo)系軸。點(diǎn) A 連接曲柄滑塊，為執(zhí)行器 BB' 提供位移來源。苗針 EF 與連桿構(gòu)件 BC 通過連桿 CD，以固定端 E 為端點(diǎn)，夾苗處 F 點(diǎn)，使 EF 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

建立矢量方程：

將矢量方程化為解析形式，可以分別求解 A，B，C，D，E，F(xiàn)點(diǎn)軌跡。

圖 3 末端執(zhí)行器示意簡(jiǎn)圖圖 4 單側(cè)末端執(zhí)行器數(shù)學(xué)模型

2.1.2 末端執(zhí)行器參數(shù)初步優(yōu)化

在進(jìn)行末端機(jī)構(gòu)執(zhí)行指令中，有幾個(gè)重要的參數(shù)。一是苗木的轉(zhuǎn)動(dòng)角，二是它的中心距。這兩個(gè)參數(shù)在整個(gè)行程中，就是夾取與移栽過程。因缽苗的基質(zhì)受力、材質(zhì)特性影響，夾取苗木的角度會(huì)在苗針通過存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)過程中有所變化。同時(shí)，基質(zhì)的受力過大，會(huì)使得缽體變形而導(dǎo)致散垛，因此也要考慮到中心距要超過在此條件下的最大受力（最大的變形量），在斜坡面壓土過程后，為避免穴盤受到末端干擾，秒鐘的中心距和夾持角也要滿足不大于穴口的長(zhǎng)度與不小于錐度兩個(gè)要求�？紤]到不同夾持位置所相應(yīng)的苗株受壓縮量與夾持角度的不同，通常我們都選取夾持基質(zhì)發(fā)達(dá)的根部，即缽苗的中下部，這也是為了滿足送苗過程中，保證苗株的活性不受到傷害。

通過末端夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的建模方程，將桿件 1OA，1AB，1BB，1B′C，1CD，1DE，1EF作為關(guān)鍵參數(shù)考察執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持效果所受影響呈現(xiàn)為強(qiáng)耦合非線性。通過 VB 軟件，對(duì)以上桿件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整合。為獲取穴口傾角度數(shù)與對(duì)應(yīng)條件下基質(zhì)所能達(dá)到的最大變形量且達(dá)到改變桿件各長(zhǎng)度、固定端坐標(biāo)位置、圖像界面的圖形這三個(gè)目的，以?shī)A持角、移栽角、中心距等由e 點(diǎn)的坐標(biāo)等因素輸入得來的因素為程序參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化，且輸出各個(gè)因素參數(shù)。

通過以上方式調(diào)節(jié)參數(shù)后，得到的滿足精確夾持取苗的機(jī)構(gòu)參數(shù)組合對(duì)應(yīng)為 1OA=5mm，1AB=20mm，1BB=62mm，1B′ C=13mm，1CD=27mm，1DE=50mm，1EF=150mm，Xe=35mm。在此參數(shù)下，夾持角為 16°，夾苗中心距為 13mm。

2.2 末端執(zhí)行器夾持動(dòng)作軌跡分析

基于上述末端執(zhí)行器各桿件參數(shù)，及固定參數(shù)。相應(yīng)最佳夾持參數(shù)下中心矩為 9.9mm 和 77.9mm，夾持度為7.6°，放苗度為 1.2°。以輸出的各參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，通過 ADAMS 建立機(jī)構(gòu)模型。通過控制桿在氣缸為動(dòng)力條件下帶動(dòng)苗針完成完整的單次行程的動(dòng)作，得出中心距-氣缸運(yùn)動(dòng)距離圖形。中心距作為Y 軸參數(shù)，氣缸運(yùn)動(dòng)距離作為 X 軸參數(shù)，如圖 5。

圖 5 苗針軌跡參數(shù)-控制距離曲線圖

選取位移距離 0-20mm，中心距 0-10mm。通過仿真所得曲線圖，整個(gè)中心距在運(yùn)動(dòng)距離位移的增大過程中先降后升。在距離達(dá)到 2.25 與 12.25mm 時(shí)，中心距分別接近 10 與80mm，位移距離為 10mm 中心距范圍在 69mm 內(nèi)，基本運(yùn)動(dòng)符合預(yù)期，仿真分析與理論分析基本一致。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)?zāi)康募霸u(píng)價(jià)指標(biāo)

考慮到取苗的定位控制與夾持控制對(duì)于整個(gè)末端機(jī)構(gòu)的深度影響方面，這兩種控制程序所構(gòu)成的系統(tǒng)是本試驗(yàn)的主要內(nèi)容。檢測(cè)末端執(zhí)行的定位精確程度，來判別是否滿足運(yùn)動(dòng)控制定位的要求，最終以本試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)觀察末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的取苗綜合能力和苗株存活率，以便于末端控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

3.2 試驗(yàn)方案

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)以往復(fù)式間歇作為運(yùn)動(dòng)形式，其目的是將儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)中苗木進(jìn)行栽植，運(yùn)動(dòng)定位控制系統(tǒng)的控制精度直接影響末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的取苗效果。因此，本試驗(yàn)主要考核指標(biāo)是末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位控制的定位精度。

3.2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)定位精度的研究

根據(jù)以上分析要求，主要分析機(jī)械手的定位過程的精度。將末端機(jī)構(gòu)運(yùn)行到苗株上 10cm 處，整個(gè)機(jī)構(gòu)以水平端往復(fù)移動(dòng)，操作模式采取單步運(yùn)行。水平位移從 15cm 到 44cm，測(cè)試點(diǎn)分別采取 20、30、40cm 處。測(cè)量時(shí)其條件設(shè)定參數(shù)為2000HZ 脈沖值，25mm/s 的水平位移速度。測(cè)量工具取 syntek電子卡尺，由于其量程在 0-150mm 范圍之內(nèi)，因此在每一測(cè)試點(diǎn)的前 5cm 需要進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定，在此次試驗(yàn)里，測(cè)量距離即是實(shí)際位移與標(biāo)定的距離。原點(diǎn)選用水平位移的起始點(diǎn)，在每個(gè)位移點(diǎn)下以往返兩次作一次測(cè)量，取到達(dá)苗株坑側(cè)的位置，反復(fù)試驗(yàn)十次，最后得出十組數(shù)據(jù)。以兩次數(shù)據(jù)之間的位置與往返精度，進(jìn)行誤差分析，總計(jì)得出每組 2 個(gè)位置誤差與1 個(gè)往返重復(fù)精度誤差。分析水平位移與其精度和重復(fù)定位精度關(guān)系。

3.2.2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)升降定位精度的研究

根據(jù)水平運(yùn)動(dòng)精度的研究試驗(yàn)，將試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變?yōu)樯�降運(yùn)動(dòng)，使用相同的測(cè)量工具與方式，測(cè)量時(shí)條件系數(shù)不變。升降運(yùn)動(dòng)從 4cm 到 6cm，以每 5cm 為測(cè)試的位移行程。原點(diǎn)選取為機(jī)械手升至的初始點(diǎn)，每次下降到測(cè)試位移的行程量時(shí)進(jìn)行記錄。最后分析十次下降的位移數(shù)據(jù)。

3.2.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作性能測(cè)試

調(diào)整初始位置，符合工作標(biāo)準(zhǔn)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作于自動(dòng)模式進(jìn)行完整的取苗工作測(cè)試。PLC 輸出脈沖 2000HZ，機(jī)械手水平行進(jìn)速度 25mm/s。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行測(cè)試進(jìn)行于 2020 年 3 月 26 日，測(cè)試得出預(yù)行測(cè)試方案數(shù)據(jù)。因栽植期不符合本地時(shí)期，缺少試驗(yàn)所需素材，考慮塑料泡沫基質(zhì)與測(cè)量素材所需值接近，故進(jìn)行代替測(cè)量，以保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。

在本次定位控制實(shí)驗(yàn)過程中我們能夠發(fā)現(xiàn)，游標(biāo)卡尺其實(shí)很難對(duì)機(jī)構(gòu)定位精度進(jìn)行一個(gè)非常準(zhǔn)確的檢測(cè)，而在多次運(yùn)行過程中，我們還能發(fā)現(xiàn)，其實(shí)測(cè)量誤差才是定位精度有關(guān)數(shù)據(jù)誤差的主要來源。在我們的實(shí)際運(yùn)行過程中，由于機(jī)構(gòu)震動(dòng)或者人為等等不可控因素造成的測(cè)量基準(zhǔn)的偏移很大，測(cè)量數(shù)據(jù)噪聲也很大，這就不能作為精度測(cè)定的依據(jù)。

在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作性能測(cè)試中，存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)并未受到機(jī)械手干涉，執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾苗成功率遠(yuǎn)超預(yù)設(shè)，但出現(xiàn)夾取后苗針鎖死在泡沫內(nèi)部情況，考慮到泡沫與苗株生物特性差異，因此將此類情況排除在夾持依據(jù)之中。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種包括取苗定位機(jī)構(gòu)、苗木存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)以及栽植機(jī)構(gòu)的自動(dòng)苗木栽植機(jī)器人，其機(jī)械手臂在執(zhí)行整個(gè)程序過程中，對(duì)于苗株的移植、栽種，穴口的處理和整個(gè)過程的定位都達(dá)到預(yù)期效果，苗木移植栽種的效率得到提升，同時(shí)還需要對(duì)定位方面的精確程度處理需作出進(jìn)一步的調(diào)整。