双臂式茶叶采摘机器人的改进设计

双臂式茶叶采摘机器人的改进设计

陆

1

鑫，李

112

恒，徐丽明，秦广明，赵

映

2

（1．中国农业大学工学院，北京

摘

100083；2．农业部南京农业机械化研究所，南京210014）

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

X轴采用双臂式结构，采用直角坐标式结构，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Y、Z这3个方向的滑台由3个步进电机驱动，联轴器相连，保证两根X轴的同步运行。X、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

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.025

文献标识码：A

文章编号：1003－188X（2015）02－0101－06

0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，有必要利用现代的科技手段，推广智能采茶技术，以保证茶叶的质量和产量能采茶这一领域几乎处于空白茶叶采摘机器人

［5］

［3－4］

［1－2］

。

然而传统采摘以人工手采摘为主，目前我国在智

。现有的龙门式

基本上能够完成采摘动作，但是成

［6－13］

本高，效率很低，本文在此基础上，为了提高作业效率，设计了双悬臂式采摘手机器人

。

图1

机器人工作模型Ｒobotsworking

model

Fig．1

1机械结构改进设计

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

（E－mail）男，湖北孝感人，硕士研究生，鑫（1991－），

1．左Z轴5．右X2轴Fig．2

2．左Y轴图2

3．左X1轴7．右Y轴

4．左X2轴8．右Z轴

luciencau@126．com。

女，山东蓬莱人，教授，博士生导师，通讯作者：徐丽明（1969－），

（E－mail）xlmoffice@126．com

。

6．右X1轴

机器人三维模型

Three－dimensionalmodeloftherobot

该机器人左右结构对称，均采用悬臂梁式结构，X轴方向采用双轴设计，为保证结构稳定性，避免了因Y轴悬臂过长而产生的变形和较大幅度的震动；X方向两个滑台以联轴器相连，保证两根X轴的同步运Y、Z这3个方向的滑台由3个步进电机驱动，行。X、

以同步带为传动方式，实现3个方向的自由移动。根据茶棚实际情况，设计得到的X轴（前后方向）有效行Y轴（左右方向）有效行程为650mm，Z程为1000mm，

轴（上下方向）有效行程为200mm；再根据茶叶生长状态和一芽两叶的采摘要求，设计了采用舵机驱动的采摘手爪，并将其安装在Z轴上。这种直角坐标式的机器人控制简单，完全满足茶叶采摘要求。

电机可以做到几乎不丢步，这时步进电机的精度和分辨率并不比伺服电机差；另外，在低频特性方面也是步进电机优于伺服电机。实验表明：当细分达到64时，步进电机几乎没有低频振动的问题了，运行平稳没有噪音；但是对于伺服电机而言，即便是现在有比较成熟的驱动器，要想在保证速度、位置精度的前提下调节PID参数以达到平稳无振动的效果是非常难的。因此，步进电机更适合于低速、低负载场合的精准控制，本系统即选择步进电机为动力源

［8－10］

。

首先要保证其输出功率大于在选择步进电机时，

负载所需功率，因此必须要计算机械系统所需要的负载转矩。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。根据这个选用原则，在实际经验的基础上，选择了汉德保步进电机，并计算各轴负载，选择相应规格步进电机（见图3）以及与之配套的驱动器（见图4），电机型号如表1所示

。

2

2．1

控制系统设计

硬件设计处理器选择

根据采摘要求，机械手必须可以到达指定空间内

2．1．1

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150MHz，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6．67ns；18k×16位的具有片内128k×16位的片内FLASH，

SＲAM，内存大小足够，外围接口非常丰富。在此基础上，选择了工业控制中比较成熟的QQ2812开发板，其功能齐全，性能稳定2．1．2

［7］

图3Fig．3

步进电机Stepper

motor

。

执行构件选择

Y、Z这3个方向的动考虑到产品成本，本系统X、力源均选择步进电机。与伺服电机相比，虽然步进电机没有编码器这类反馈系统，是开环控制，但是由于近年来细分技术的发展，步进电机128细分已经很常见。也就是说，对于两相步进电机而言，以前一个脉冲转动1．8°，在128细分下，现在一个脉冲只转动1．8/128约为0．014°，在良好的加减速曲线下，步进

表1Table1

轴X轴Y轴Z轴

型号2302HS30A1Ｒ52302HS30A1Ｒ51704HS20A1

减速机带减速机5：1无减速机减速机10：1

电机型号Motormodel接线数8线4线4线

相数2相2相2相

歩距角1．8°1．8°1．8°

保持转矩/N·m1．930．53

图4Fig．4

驱动器Drivers

采摘执行件采用了目前机器人上运用极为广泛的舵机为执行构件。舵机用作构件易于安装，同样的成本相比其他动力源来说扭力很大。本系统采用的

是模拟舵机，如图5所示。舵机3根线分别为GND、VCC和信号线。舵机的控制信号是PWM波，在一定的频率下，不同占空比的PWM波对应舵机不同的角

度。因此，在机器人工作中，只需要编程实现DSP输出不同占空比的PWM信号到舵机，即可实现剪切手爪的张开和闭合动作

。

开环控制元件。因此，要达到较高的运行频率，电机必须有一个合理的加减速过程，以防止丢步和过冲现象。常见的步进电机加减速曲线有直线、指数曲线加减速等。本设计根据实际情况，设计了S型曲线加减速，并利用查表法，简化了程序的设计

［9－11］

。

1）脉冲频率控制。步进电机是靠脉冲驱动的。TMS320F2812有两个事件管理器EVA和EVB，每个管理器包含两个通用定时器，这两个模块是专门为多轴运动控制设计的。实验中采用TxPWM引脚输出脉冲，脉冲的输出采用定时器中断机制，即设定TxPWM周期之后，定时器比较寄存器TxCMPＲ的值与TxCNT

图5Fig．5

舵机Servo

TxPWM将产生一个相的值。当一个比较匹配发生时，

应的跳变，此时相应的中断标志置位，产生一个中断请求，而TxPWM的周期可以通过TxPＲ来改变；而周期寄存器允许应用代码在一个周期内的任何时候更新周期寄存器的值，即程序可以通过改变TxPＲ来随时改变冲脉频率。另外，由于这一切操作都是在事件管理器中自动完成的，不需要CPU干涉，因此即便此部分程序很复杂，也不影响CPU执行其他程序。

2）加减速S曲线算法分析及实现。由步进电机矩频特性曲线可知，步进电机无论采用何种驱动电路，在脉冲频率较低时，输出转矩较大且稳定。当脉冲驱动频率上升的时候，输出转矩则会降低，而脉冲频率对应转速，因此步进电机加速转动的过程中，在一定频率范围内，其加速度应该是不增的。

S曲线的特点是存在加加速度，而加加速度在速度切换过程中没有变，因此在速度变换过程中不存在突变，在高速场合使用能保证精度。S曲线加减速过程如图7所示。

由图7可知，在0～t2时间段，转速一直增加。其0～t1加速度线性增加；t1～t2加速度线性减小直至中，

为0，整个时间段加加速度为常数；t2～t3时间段为匀速

2．22．2．1

软件设计总体控制方案

结合控制芯片TMS320F2812，选用了TI公司（德

州仪器）官方提供的CCS3．3（CodeComposerStudio）作为开发平台，进行控制方案的设计。以C语言为主要编程语言，程序流程图如图6所示

。

图6Fig．6

程序流程图Programflow

运动；t3～t5为减速运动，其过程与0～t2完全相反。

由于对步进电机启动时在0～t1和t1～t2时间段加速度对称加加速度大小相等、方向相反，而启动时的惯性负载问题分析比较困难，因此对加速后半段做力学分析。在t1～t2时间段，系统满足旋转物体动力学方程d2θ

T=J2+Tf。其中，Tf为摩擦力矩，JT为电机转矩，

dt为负载的转动惯量。按指数曲线升频，可以使角加速度随着频率的上升线性下降（如图6中t1～t2时间段），d2即J2随着升频线性下降；而在点击不丢步的条件

dt下，转动角加速度和驱动脉冲频率对时间的微分成正

大致工作过程为：拖拉机运行到待采茶棚，系统上电，各寄存器初始化，各轴回到机械原点，手爪张开，等待直到图像处理单元通过串口发来数据（采摘部位坐标）；DSP1滤去无效坐标点，并将DSP2覆盖区坐标点传送至DSP2，然后两套机械手同时独立根据X、Y轴联动；到达目标点之后，获得的位置坐标信息，

Z下降到指定高度，手爪闭合，完成采摘动作。2．2．2

控制方案软件实现

该控制方案的重难点在于对步进电机的控制。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的

2015年2月

比（即加加速度为常数，见图6），所以有

农机化研究

df

=－Af+Bdt

B－S

果如表2所示。

表2Table2

i123456

ti（s）0．01470．01930．02500．03270．04440．0694

计算结果Theresults

fi5000600070008000900010000

第2期

（A、B为常数）。两边进行拉式变换得SF（S）=

BAF（S），。进行拉式逆变解方程得F（S）=

（S+A）S换，解得频率有关时间的函数为f（t）=

B

（1－e－At），A

△ti，i－10．01470．00460．00570．00770．01170．0250

脉冲数10274061105250

－t/n

C为步进电机的最高运即f（t）=C（1－e）。其中，

是步进电机的固有属性；n为衡量升降频快慢行频率，

的时间常数，由设计者根据实验要求自己决定面以Z轴电机为例说明具体实现过程

。

［12］

。下

由此可以制定脉冲频率表，在程序中运用查表法来改变脉冲频率。具体执行过程为：当CPU确定行走路径之后，计算出所需脉冲数Nn；当Nn大于加减速脉则程序分3段执行，冲数的和N0时，在开始和结束的N0/2个脉冲处分别加减速，其他地方匀速运动；反之，当Nn＜N0时，由于运动距离很近，可直接慢速运动。

3实验验证

为验在完成机器人硬件设计以及软件调试之后，

证系统的工作效率和控制精度，建立了坐标系（见图8），并设计合理的坐标参数。在程序调试过程中，采用在线调试的方法，当到达指定点Z轴下降之后，暂停调试，测量点的坐标以作为对比。最终实验结果如表3所示

。

图7Fig．7

S曲线（速度、加速度、加加速度）S－curve（velocityaccelerationjerk）

Z电机最高启动频率是4000Hz，经试验可知，最高运行频率是10500Hz，控制电机按S曲线运动，将频率按级差100Hz进行分段离散。根据系统要求，设定升降频，代入上式求得n时间T=0．05s，则t3=0．5T=0．025s，=0．0228s，进而可求出每个频率段处的时间值ti和每级频率运行的时间△t，最后求出脉冲数。计算结

表3Table3

坐标轴XYZ

坐标1给定20．020．010．0

到达20．020．010．0

坐标2给定40．040．015．0

到达39．840．015．0

实验数据ExperimentalData

坐标4

到达79．760．013．0

给定90．015．08．0

到达89．714．98．0

坐标5给定30．050．017．0

到达30．049．816．8

坐标6给定10．010．014．0

到达10．010．013．9

cm

Fig．8

图8

室内实验

Laboratoryexperiments

坐标3给定80．060．013．0

为验证该机器人在实际工作过程中的作业效果，本机器人于2013年9月在江苏鑫品茶园进行了试验。连续3天的室外试验表明，除去图像处理的时间，该机器人平均每小时采摘3581次，比原来的机构的作业效率（每小时采摘1957次）提高了83%；在图像识别无误的基础上，平均采摘准确率达到90%以上，如图9所示

。

能保证电机在不丢步和过冲的情况下，以最快的速度实现满足精度要求的定位。

4）室外试验表明：在二轴联动的情况下，双臂式机械手同时进行采摘，平均每小时采摘3581次，效率比原来的机器人（平均每小时采摘1957次）提高了83%；在图像识别无误的基础上，平均采摘准确率达到90%以上，基本能满足生产要求。

后续工作应进一步加强田间试验，以适应不同品种的茶叶。参考文献：

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图9Fig．9

室外试验

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Outdoorexperiments

步从上述室内外试验可知：在茶叶采摘过程中，进电机按照S形曲线升降频处理，在保证最大采摘速度的同时，还能有效地避免丢步和过冲。在该控制系S形曲线加减速法非常适合。统中，

4结论

1）本文在前一代龙门式机器人的基础上进行了

改进设计。为了提高作业效率，本文设计了双臂式茶叶机器人，每个臂采用悬臂梁式结构。X轴方向采用双轴设计，提高了稳定性，避免了因Y轴悬臂过长而产生的变形和作业时的震动。

2）控制系统，以TMS320F2812DSP作为控制芯片，改用步进电机代替原来的伺服电机。这样，一方面易于开发；另一方面步进电机相对于伺服电机降低了产品成本。

3）步进电机的控制过程中采用了“S型曲线加减，速”与简单的线性加减速和梯形加减速相比，该方法

TheImproveDesignofTeaPickingＲobotWithTwoArms

LuXin1，LiHeng1，XuLiming1，QinGuangming2，ZhaoYing2

（1．CollegeofEngineering，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100083，China；2．NanjingＲesearchInstituteforAg-riculturalMechanizationMinistryofAgriculture，Nanjing210014，China）

Abstract：Basedonthecurrenthighcostbutlowoperatingefficiencyteapickinggantryrobot，thispaperdesignsanewteapickingrobotwithtwoarms．EacharmstructureusingCartesiancoordinates，ofwhichX－axishastwoarms，