26、农业除杂与可变刚度关节技术研究

农业除杂与可变刚度关节技术研究

1. 农业除杂项目概述

在农业生产中，及时清除感染病害的植物对于控制病害传播、减少农药使用至关重要。本项目旨在设计一种高效的除杂机制，能够精准定位并移除感染病害的植物。
- 项目流程 ：
1. 配备高光谱相机和高精度 GPS 的无人机飞过农田，拍摄图像。
2. 对图像进行分析，确定感染病害植物的位置，并将相关 GPS 位置发送给配备精密 RTK GPS 的自主地面车辆（AGV）。
3. AGV 导航至目标位置，使用定制的除杂机制将感染病害的植物从地面移除，避免感染附近的植物。

graph LR
    A[无人机拍摄农田图像] --> B[分析图像确定病株位置]
    B --> C[发送位置信息给 AGV]
    C --> D[AGV 导航至目标位置]
    D --> E[除杂机制移除病株]

• 农田模拟模型 ：为了设计原型，我们首先需要了解 AGV 运行的环境细节。为此，我们参观了当地的土豆田，并使用 SolidWorks®创建了农田的模拟模型。该模型显示，典型的土豆田地形崎岖，有深灌溉沟渠。两个土丘顶部之间的距离约为 60 厘米，植物生长在土丘顶部，任意两株植物之间的平均距离约为 30 厘米。

2. 除杂机制的可选方案分析

2.1 抓取机制设计方法

在原型设计的第一阶段，我们分析了可以施加在茎和块茎之间连接上的力，并筛选出可能满足要求的抓取器。我们对不同的抓取运动进行了实验，包括垂直摇晃、水平摇晃和扭转运动，以确定是否可以在不折断植物的情况下将整个植物和块茎从土壤中拔出。
- 垂直摇晃 ：抓住植物的茎并上下移动多次，试图在完全拔出植物之前松动块茎和植物基部周围的土壤。但这种运动导致茎、土豆块茎和根之间的连接断裂，土豆块茎和根留在土壤中，不满足完全移除植物的设计要求。
- 水平摇晃 ：抓住植物的茎并前后移动多次，以促进土壤和块茎之间的连接松动。该测试重复了 3 次，第一次尝试时，整个植物包括茎、土豆块茎和根都从土壤中拔出，测试成功；但在接下来的两次尝试中，测试失败，茎和块茎之间的连接断裂。
- 扭转运动 ：抓住植物的茎并绕茎轴扭转，同时将植物从土壤中拔出。同样，茎、土豆块茎和根之间的连接断裂，土豆块茎和根留在土壤中，未能达到预期效果。

2.2 最佳选择

根据上述实验结果，我们筛选出三种机制作为除杂土豆的最佳选择，具体如下表所示：
| 设计类型 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 设计 A | 由笼子和切割土壤的刀片组成。笼子下降包围目标植物，刀片从一侧切割包含土豆块茎和植物根的土壤，然后上升将所有材料倒入处理容器。 |
| 设计 B | 由两个耙状臂组成。当这些臂到达植物顶部时，下降并从两侧闭合，切割土壤并抓住感染的土豆块茎、根和植物主体，然后拉起并将所有收集的材料倒入处理容器。 |
| 设计 C | 由夹爪和切割刀片组成。整个机制下降到土壤中，夹爪闭合包裹植物的顶部，刀片切割土壤抓住土豆块茎和植物根，最后机制升起将收集的材料倒入处理容器。 |

然而，每种设计都存在一些问题。设计 C 由于植物形状的多样性，难以完全用夹爪抓住包含所有分支、叶子和茎的植物顶部，并且仅用一个刀片切割大量土壤需要对刀片施加很大的力。设计 A 在收集整个植物方面表现较好，但同样存在对一个刀片施加很大力的问题。设计 B 通过将力分散在两个臂上更容易切割土壤，但由于耙子的形状和臂的侧面是开放的，存在在田间丢失部分感染植物的高风险。因此，最佳设计应该是这三种机制的组合，结合它们的优点并消除它们的弱点。

农业除杂与可变刚度关节技术研究

3. 最终设计

3.1 机制的组成部分

最终设计基于结合上述三种设计的优势而产生。该机制包含一个笼子，以确保除杂后感染植物的任何部分（包括块茎、茎、叶、根等）都不会留在田间。同时，我们使用两个切割刀片，以减少每个刀片上的受力，降低整体磨损和故障的可能性。此外，两个附加的液压执行器将用于提供必要的力，使机制能够穿透土壤到指定深度。这些组件大致可分为以下五类：
1. 框架 ：这是机制的主要结构，用于容纳患病的根、茎、叶等。
2. 可移动组件 ：包括实现刀片驱动和所需运动的所有组件。
3. 切割部分 ：包括在田间执行实际挖掘动作并便于轻松切割土壤的所有部件。
4. 机制强度增强部分 ：为了提高系统的整体刚性，我们在主体两侧添加了 T 形角铁，并使用内部框架刀片将主体的前后两侧连接起来。
5. 附件 ：该机制设计为易于连接到各种类型的拖拉机或其他农业设备。设计了三种可能的适配器，可从后部、顶部和侧面连接到拖拉机，通过螺丝固定在主体顶部框架侧面的孔上。

组件类别	描述
框架	容纳患病部分的主要结构
可移动组件	用于驱动和实现刀片运动
切割部分	执行挖掘和土壤切割
机制强度增强部分	提高系统刚性
附件	便于连接农业设备

3.2 运动研究

除杂机器的完整组装如图所示。当移动刀片打开时，黄色箭头表示连接到臂的液压执行器的运动方向。这些液压臂将驱动钳口的打开和关闭，同时提供足够的力穿透土壤。为了关闭刀片，液压系统向下移动并推动刀片沿着弯曲轨道移动。

graph LR
    A[液压执行器驱动] --> B[刀片打开]
    A --> C[刀片关闭]
    B --> D[准备下降切割土壤]
    C --> E[抓取病株并提升]

4. 原型模型

我们制作了除杂机器最终设计的 1/3 比例原型，用于测试系统的运动和功能。最终设计与该原型之间会有一些差异，以适应现场操作。首先，最终设计将比该原型大约大三倍。在最终设计中，所有主要组件都分为子系统，便于更换和清洁。其他小的更改涉及提高系统的功能以及集成到常用农业设备所需的附件。

原型特点	描述
比例	实际模型的 1/3
测试功能	运动和功能测试
与最终设计差异	大小、组件结构和附件

原型的各个部分具有不同的功能：
- 连接到 ABB 机器人平台，提供动力和控制。
- 有刀片移动的轨道，确保刀片的准确运动。
- 钳口可完全闭合，用于抓取病株。
- 钳口末端有牙齿，帮助穿透土壤。
- 底部视图显示钳口闭合时牙齿相互锁定，增强抓取效果。
- 有收集桶，用于收集和处理病株。

除杂过程如下：
1. 机器人臂将机制向下推，固定刀片切割土壤。
2. 移动刀片关闭，将感染植物和土壤中的块茎收集到收集桶中。
3. 机器人臂将机制向上移动，将病株和土壤带出田间进行处理。

5. 可变刚度关节研究

5.1 引言

近年来，可变刚度关节的发展迅速，出现了许多应用，特别是在机器人与人类共享工作空间的场景中。传统机械结构刚性较强，而带有柔性元件的设备可以改善人机交互，实现高精度、低步长和低摩擦的运动。机械柔顺性主要通过两种机制实现：使用柔性传动元件或采用轻质或弹性材料的连杆。可变刚度关节可以吸收振动，减少机械装置的冲击和外部干扰。

可变刚度关节的设计主要分为串联配置和拮抗配置：
- 串联配置的关节在传动机构中加入柔性元件，并可由第二个执行器独立压缩。
- 拮抗配置的关节则是将两个具有柔性性质的执行器或具有非线性力 - 伸长特性的柔性传动元件连接到同一关节。

5.2 新可变刚度关节设计

新的可变刚度关节（VSJ）的工作原理基于带有齿条和小齿轮机构的拮抗拉伸弹簧。弹簧连接到一组齿条上，通过齿条的移动可以改变弹簧的长度，而弹簧长度是改变刚度的主要因素。齿条与一组齿轮啮合，其中一个齿轮连接有电机，负责改变关节的刚度。

其数学模型用于描述关节的行为，以在连杆末端保持恒定的力。通过在连杆末端施加恒定力进行模拟，评估关节在旋转情况下的性能。

graph LR
    A[电机驱动] --> B[齿轮转动]
    B --> C[齿条移动]
    C --> D[弹簧长度改变]
    D --> E[关节刚度变化]

这种新的可变刚度关节设计有望在人机协作等领域发挥重要作用，通过调整关节刚度，提高机器人的适应性和安全性。

综上所述，农业除杂机制的设计和可变刚度关节的研究都具有重要的实际意义。农业除杂机制可以提高农业生产的效率和质量，减少农药的使用；而可变刚度关节则可以改善人机交互，为机器人的应用提供更广阔的空间。未来，我们可以进一步优化这些设计，使其更好地满足实际需求。