基于TRIZ理论苹果采摘机器人的设计与分析_桓源.pdf

2023年 第47卷 第5期Journal of Mechanical Transmission基于TRIZ理论苹果采摘机器人的设计与分析桓 源 任工昌 孙建功 徐若萱（陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710021）摘要 针对现阶段人工采摘苹果效率低、劳动强度大、采摘设备功能单一的问题，以TRIZ理论为基础，通过发明原理的启发，对苹果采摘机器人的末端执行器、运输装置、收集箱和其他结构进行了创新设计，设计出一款集采摘、收集、分拣功能于一体的机器人。建立采摘机械臂的D-H模型，运用Matlab对机器人的工作空间进行了分析；通过Adams对机器人采摘过程进行运动仿真，并制作1 3实验样机，对各部分功能可行性进行了验证。结果表明，该机器人的各部分功能完善、设计合理、运行可靠、满足使用需求，为后续机器人的进一步研制和改进提供了理论支撑。关键词 TRIZ理论 采摘机器人 末端执行器 工作空间分析 动力学仿真Design and Analysis of Apple Picking Robots Based on TRIZHuan Yuan Ren Gongchang Sun Jiangong Xu Ruoxuan(School of Mechanical and Electrical Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xian 710021,China)Abstract Aiming at the problems of low efficiency,high labor intensity and single function of picking equipment at the current stage of manual apple picking,this study is based on the TRIZ and inspired by the principle of invention,to analyze the end effector,transport device,collection box and other structures of the apple picking robot.With innovative design,a robot integrating picking,collecting and sorting functions has been designed.The D-H model of the picking manipulator is established,the working space of the robot is analyzed by Matlab,the motion simulation of the picking process of the robot is carried out by Adams,and a 1 3 experimental prototype is made to verify the functional feasibility of each part.The results show that the functions of each part of the robot are perfect,the design is reasonable,the operation is reliable,and it meets the needs of use,which provides theoretical support for the further development and improvement of the follow-up robot.Key words TRIZ Picking robot End-effector Analysis of operating range Dynamic simulation0 引言苹果作为常见水果，在我国已有2 000多年的栽培历史，我国作为苹果生产和种植大国，种植面积和产量稳居世界第一1。苹果采摘是苹果生产阶段耗时最长、花费人力物力最多的关键环节，现阶段苹果采摘主要依靠人力完成2。随着近年来人口老龄化的影响，农业劳动力急剧下降，人工成本增加，严重影响了苹果产业的发展3。如何使用机器代替人力，高效可靠地完成苹果采摘工作是推进苹果产业进一步发展的关键问题。目前，对苹果采摘设备自动化和智能化的研究主要集中在采摘方式和末端执行器的设计上4-5，特别是针对末端执行器，众多学者做了大量研究。如苗玉彬等6设计了柔顺加持机构用于采摘苹果，可实现对苹果的无损采摘，还有欠驱动机械手7、仿生机械手8、负压机械手9等。但对于采摘、收集、分拣一体化机器人的研究较少。将采收分功能集成，进一步提高采收效率，尽可能减少人工劳动强度，是苹果采摘机器人发展的新趋势。本文通过对果园实地调研分析，运用TRIZ对苹果采摘机器人进行创新设计，为苹果产业的智能化升级提供了新的思路。1 基于TRIZ方案分析1.1TRIZTRIZ是苏联阿奇舒勒等在研究250万件高价值文章编号：1004-2539（2023）05-0051-06DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.05.00951第47卷专利基础上总结出来的发明问题解决理论10。TRIZ体系包含了技术发展进化规律以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和方法11。运用TRIZ可快速寻找技术系统中存在的矛盾，通过发明原理的启发，结合专业知识得到合理的解决方案，大大加快发明创造的步伐。1.2技术系统分析经过对苹果采摘过程实地调研后发现，苹果采摘、收集、分拣等各阶段均存在许多问题。采摘苹果时，工人需要背负收集箱，借助梯子以采摘处于不同高度的苹果。使用工具采摘通常采用前端带夹爪的长杆实现，夹爪为弧形且表面有胶套保护，但由于苹果形状各异，现有夹爪很难保证采摘过程不对苹果表皮造成损伤，影响苹果质量。在苹果收集阶段，由于苹果质地脆弱不能压碰，且为减轻工人采摘过程中的负重，收集框不能大量存放苹果，需频繁转存。现阶段机器人采摘收集主要有两种方式：一是通过机械臂和手爪配合，直接将苹果采摘后运送至后端收集箱中；二是通过手爪下端的软管使苹果在重力作用下自动落入收集箱中。这两种方式均存在不足之处：直接通过机械臂和手爪配合虽可满足功能，但整个过程中机械臂需要大范围运动，耗时较长、效率较低；通过下端软管实现收集功能，在实际采摘过程中软管容易受树枝遮挡，导致收集受阻，并且自由下落过程中容易损伤苹果。苹果销售时需根据果品成色分成不同等级，如何保证苹果表皮完整无伤且高效筛分是后续分拣作业的主要目标。在现阶段，将苹果无差别统一存放后，再通过人力或机械设备再次筛分，但是，机械设备价格昂贵且分拣过程苹果损伤率较高，人工分拣劳动强度大。因此，减少对单个苹果的作业次数，降低苹果的损伤率，是高效可靠地实现筛分功能的关键。1.3定义冲突和原理解获取根据第1.2节对技术系统的分析，结合TRIZ中39个工程参数可得出技术矛盾。在整个苹果采收作业过程中，由于工序的离散化，使得需要对单个苹果多次作业，效率低下。因此，整个技术系统的首要矛盾是如何在提高生产率的同时不再引入更高级昂贵的机械设备，即改善参数为生产率，恶化参数为自动化程度。现有末端执行器难以适应形状各异的苹果，为提高采摘质量就需要末端执行器可根据苹果尺寸自适应地调节，但在提高末端执行器适应性的同时会使结构复杂度增加，即改善参数为适应性和多用性，恶化参数为装置复杂性。在苹果收集分拣阶段，现有方式均存在效率低下和易损伤苹果的问题，通过增加机械臂或工人数量提升效率一定程度上可解决问题，但会增加系统的复杂度，即改善参数为生产率，恶化参数为装置复杂性。根据对系统中各技术矛盾分析得到的改善和恶化参数，结合表1所示可得到解决技术矛盾的发明原理。表1矛盾矩阵表Tab.1 Contradiction matrix table改善参数35（适应性或多用性）39（生产率）恶化参数36（装置复杂性）15，29，37，2812，17，28，2438（自动化程度）27，34，355，12，35，26根据矛盾矩阵推荐的解决技术矛盾的发明原理，结合专业知识优选出5号（组合原理），12号（等势原理），15号（动态特性原理），17号（多维化原理），24号（中介物原理）为苹果采摘机器人的创新设计指导原理。各发明原理内容如表2所述。表2发明原理释义Tab.2Interpretation of the principle of the invention编号512151724发明原理组合原理等势原理动态特性原理多维化原理中介物原理经典TRIZ释义A.在空间上将相同或相近的物体或操作加以组合B.在时间上将物体或操作连续化或并列进行A.在势场中改变限制位置，以减少物体的提升或下降A.调整物体或环境的性能，使其在工作的各个阶段达到最优状态B.分割物体，使其各部分可以改变相对位置C.使静止的物体可以移动或具有柔性A.将物体从一维变到二维或三维结构B.用多层结构代替单层结构C.使物体倾斜或侧面放置D.使用给定表面的另一面A.利用中介物实现所需操作B.把一个物体与另一个容易去除的物体暂时结合2 苹果采摘机器人结构设计2.1方案原理分析苹果采摘机器人的整体设计思路依据5号发明原理（组合原理）将采摘、收集、分拣功能集于一体，可使采收分作业连续化进行，大大提高机器人的工作效率。在机器人作业时，通过机械臂配合末端执行器实现苹果的采摘，采摘完成后将苹果放置在两侧传输带上，传输带运输苹果至后端的收集箱中即可完成整个作业。将采收分功能集于一体后如何使52第5期桓 源，等：基于TRIZ理论苹果采摘机器人的设计与分析各执行机构紧密配合，高效可靠完成所需功能还需进一步完善。苹果采摘机器人的整体方案原理如图1所示。图1整体方案原理图Fig.1Schematic diagram of the overall scheme2.2末端执行器设计苹果采摘机器人的末端执行器为适应不同尺寸苹果的采摘，根据15号发明原理（动态特性原理），将传统弧形夹爪各部分改为可动连接。整个末端执行器的设计原理如图 2所示。末端执行器由 9个构件、1个移动副和11个转动副组成。其自由度为F=3n-2PL-PH=3式中，n为活动构件数；PL为低副数；PH为高副数。图2中，滑块通过电动推杆驱动作为整个末端执行器的原动件，因此，末端执行器具有2个自由度。在抓取苹果时，滑块向下移动，整个末端执行器呈合拢姿态。在接触到苹果表面时，7号连杆、9号连杆和指尖受到外力作用会自主适应对苹果表面形成包覆。为更好地保护苹果，在与苹果接触处设有缓冲材料，可进一步防止采摘过程对苹果的损伤。图2末端执行器原理方案图Fig.2Schematic diagram of the end effector2.3机械臂设计现有采摘装置采用固定式机械臂实现采摘功能，使得整个采摘过程中机械臂需大范围运动，采摘效率低。依据12号发明原理（等势原理），将机械臂安装在升降平台上，在采摘过程中根据苹果生长情况从底部向顶端依次分层采摘，可减少机械臂在竖直方向上的频繁移动，大大提高采摘效率。设计的机械臂如图3所示，下端安装板固定，通过立柱安装有丝杠和滑轨，驱动电动机通过丝杠螺母机构传动带动滑块上安装的机械臂，实现竖直方向的高度调节。图3机械臂设计图Fig.3Design diagram of the robotic arm2.4运输装置设计为更好配合机械臂完成苹果收集功能，根据12号发明原理（等势原理）启发，设置可升降传输带运输苹果，使得机械手在采摘完成后只需短距离运输苹果至传输带上。该设计既避免了机械臂大范围运动造成的效率低下，又可有效防止苹果通过软管运输时产生损伤。设计的运输装置如图4所示，整个装置通过下端支架安装在底板上，在传输带下方设置由连杆组成的平行四边形剪叉机构，由升降