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水果采摘机器人智能移动平台的设计与试验

董芒, 顾宝兴, 姬长英, 张庆怡, 查启明

董芒, 顾宝兴, 姬长英, 张庆怡, 查启明. 水果采摘机器人智能移动平台的设计与试验[J]. 华南农业大学学报, 2016, 37(4): 128-133. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.2016.04.021
引用本文: 董芒, 顾宝兴, 姬长英, 张庆怡, 查启明. 水果采摘机器人智能移动平台的设计与试验[J]. 华南农业大学学报, 2016, 37(4): 128-133. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.2016.04.021
DONG Mang, GU Baoxing, JI Changying, ZHANG Qingyi, CHA Qiming. Design and experiment of an intelligent mobile platform loaded with a fruit picking robot[J]. Journal of South China Agricultural University, 2016, 37(4): 128-133. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.2016.04.021
Citation: DONG Mang, GU Baoxing, JI Changying, ZHANG Qingyi, CHA Qiming. Design and experiment of an intelligent mobile platform loaded with a fruit picking robot[J]. Journal of South China Agricultural University, 2016, 37(4): 128-133. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.2016.04.021

水果采摘机器人智能移动平台的设计与试验

基金项目: 

江苏省自然科学基金 BK20140720

中央高校基本科研业务专项基金 KYZ201325

详细信息
    作者简介:

    董芒(1990—),男,硕士研究生,E-mail:654514386@qq.com

    通讯作者:

    姬长英(1957—),男,教授,博士,E-mail:chyji@njau.edu.cn

  • 中图分类号: S223.2

Design and experiment of an intelligent mobile platform loaded with a fruit picking robot

  • 摘要:
    目的 

    基于三自由度水果采摘机械臂,设计一种轮式智能移动平台。

    方法 

    根据农田工作环境,设计了转向机构和防撞梁机构;借助ANSYS对车架在3种工况下的变形情况进行仿真分析;使用Simulink模块对车载电机进行了基于最大转矩电流比矢量控制(MPTA)以及ID=0模式下的仿真;使用VC++语言编写了运动控制程序,开发人机交互界面;在南京市江浦农场进行样机行走试验。

    结果 

    弯扭工况下车架变形量最大为14.1 mm,应力值小于材料屈服极限;基于MPTA控制下的电机约0.8 ms达到稳定;该平台最大爬坡角度约为10°,1.5 m·s-1行进时跟踪路径的横向偏差约为0.22 m。

    结论 

    该移动平台结构合理,强度和刚度较高,运动精度高,符合实际工作要求。

    Abstract:
    Objective 

    To design a prototype of wheeled intelligent mobile platform at the basis of a 3-DOF fruit picking robot hand.

    Method 

    According to the working environment of farmland, the steering structure and anti-collision beam structure of the platform were designed. The deformation of the platform frame under three working conditions were simulated using ANSYS, and simulation of the motor was carried out using Simulink module based on MPTA or ID=0. The motion control program and human computer interface were programmed with VC++. The prototype walking experiments were carried out in Jiangpu farm, Nanjing.

    Result 

    The maximum deformation of the platform frame was 14.1 mm under the crankle working condition, and the value of stress was under the yield limit of material. The motor based on MPTA control achieved stability after 0.8 ms. The maximum climbing angle of the platform was 10°, and the tracking path lateral deviation was 0.22 m at a speed of 1.5 meter per second.

    Conclusion 

    This mobile platform has reasonable structure, with high strength, rigidity and motion accuracy, which meets the requirements of practical use.

  • 马波沙星(Marbofloxacin)是第3代喹诺酮类抗菌药物,最早由瑞士罗氏公司创制,Vetoquinol公司进一步开发并于1995年在英国上市[1],随后相继在法国、美国和欧洲上市并被列为动物专用药,其化学结构与氧氟沙星相似,对革兰阳性菌具有较强的抗菌活性,对革兰阴性菌也比较敏感,甚至对某些霉形体、厌氧菌也有效。在水产领域,马波沙星对嗜水气单孢菌Aeromonas hydrophila、温和气单胞菌A. sobria、海洋致病性弧菌Vibrio[2-3]都显示出了较强的抗菌活性。马波沙星在多种动物体内的药物代谢动力学(简称药动学)研究表明,该药具有吸收迅速、组织渗透力强、消除半衰期长、生物利用度高等优良的药动学特性[4],然而马波沙星在水产动物体内的药动学研究却较少,仅在鲫鱼、中华鳖和对虾体内有相关方面的报道。本试验研究了其在罗非鱼Oreochromis niloticus体内的药动学特征,以期为马波沙星在水产动物疾病防治方面的应用提供参考数据。

    马波沙星对照品(质量分数为99.0%)为德国Dr. Ehenstorfer GmbH公司产品;氧氟沙星对照品(质量分数为98.2%)为中国兽医药品监察所产品;马波沙星原料药(质量分数为98.0%)为浙江国邦药业有限公司产品;氢氧化钠、四丁基溴化铵、磷酸氢二铵、磷酸、三氯甲烷均为分析纯,广州化学试剂厂产品;甲醇为色谱纯,德国Merck公司产品。

    罗非鱼由珠江水产研究所水产养殖基地提供,体质量230~250 g,抽样检查无马波沙星和氧氟沙星残留,试验前暂养在珠江水产研究所水生试验动物房的水池内,每天投喂未加药物的空白饲料,10 d后用于试验,试验期间用增氧泵充氧,水温维持在(30±0.5)℃,每2天换水1/2体积。选择健康个体进行试验,给药前24 h停饲,试验期间不投喂饲料。

    马波沙星标准储备液:精密称取马波沙星对照品50.50 mg于100 mL棕色容量瓶,用少量0.1 mol·L-1的氢氧化钠溶液助溶,以超纯水定容至刻度,即得到500 μg·mL-1的标准储备液,分装后置-20 ℃冰箱保存(有效期1个月)。

    内标(氧氟沙星)溶液:精密称取氧氟沙星对照品10.18 mg于100 mL棕色容量瓶中,以超纯水溶解并定容至刻度,摇匀即成100 μg·mL-1的标准液,分装后置-20 ℃冰箱保存(有效期1个月)。

    马波沙星水溶液:称取一定量的马波沙星原料药,用少量0.1 mol·L-1氢氧化钠溶解后,用无菌生理盐水定容于100 mL棕色容量瓶内,使药物质量浓度为10 mg·mL-1,现配现用。

    磷酸氢二铵-四丁基溴化铵缓冲液:准确称取4 g四丁基溴化铵、4 g磷酸氢二铵,用800 mL超纯水溶解,用磷酸调pH为2.7,然后用超纯水定容至1 L,经0.22 μm滤膜过滤后,超声脱气30 min,备用。

    高效液相色谱仪(Waters-e2695,Separations module)、2475多波长荧光检测器、氮吹仪(N-EVAP112)、高速冷冻离心机(AllegraTM 64R)、涡旋仪(IKA®MS 3 basic)、高速离心机(Sigma,1-15)、纯水机(Synergy UV)。

    肌内注射给药:在背鳍与侧线的中部鱼体最厚部位注射马波沙星,剂量按体质量10 mg·kg-1。分别于肌内注射后5、15、30、45 min和1、2、4、6、8、12、16、24、36、48、72、96、120 h从尾静脉无菌采血,同一时间取10尾鱼,每尾鱼仅采1个样品,分别置于预先涂有质量分数为1%肝素钠的离心管中,4 500 r·min-1离心10 min,血浆置-20 ℃条件下冷冻保存,待进行血药质量浓度的测定。

    口服给药:纱布绑定鱼体,用1 mL无菌注射器吸取马波沙星水溶液后,弃去针头,连接加长型大鼠灌胃针缓慢地插入罗非鱼前肠并灌入药物,灌药后将鱼体头朝上直立片刻, 无回吐者保留试验,保证给药剂量的准确。给药剂量及取样方法同肌内注射给药。

    参照Aliabadi等[5]方法略作改动。血浆样品自然解冻后,准确量取500 μL至15 mL塑料离心管中,加入5 μg·mL-1氧氟沙星内标溶液20 μL,旋涡振荡混匀,加入6 mL三氯甲烷,置振荡器上水平振荡30 min,5 000 r·min-1离心10 min后,吸取下层全部有机相于玻璃离心管中,在40 ℃水浴中氮气吹干,残渣用1 mL流动相溶解,12 000 r·min-1离心10 min后,经0.22 μm的一次性针式滤器过滤,取50 μL供HPLC测定。色谱条件:色谱柱为Atlantis C18 (5 μm, 4.6 mm×250 mm);流动相为甲醇与磷酸氢二铵-四丁基溴化铵缓冲液(体积比25:75);激发光波长295 nm,发射光波长500 nm;流速为0.8 mL·min-1;柱温30 ℃,进样量为50 μL。在上述色谱条件下能将马波沙星、氧氟沙星与血浆中的其他成分分开。马波沙星的最低检测限(LOD)为0.003 μg·mL-1,最低定量限(LOQ)为0.01 μg·mL-1

    药动学数据采用WinNonlin 6.1药动学软件(Pharsight Corporation, Mountain view, CA, USA)提供的非房室模型进行分析。采用SPSS 13.0统计分析软件对试验结果进行方差分析。

    经本方法测定,马波沙星的绝对回收率为85.73%~91.23%,批内、批间变异系数均小于8%;氧氟沙星的绝对回收率为83.26%~87.42%,批内、批间变异系数均小于4%。标准曲线在0.01~10.00 μg·mL-1范围内,马波沙星与内标的色谱峰面积之比(S)与相对应的药物质量浓度(ρ)有良好的线性关系,线性回归方程为ρ=0.560 4S+0.005,相关系数R2=0.999 8。

    马波沙星以10 mg·kg-1剂量口服和肌内注射给药后,马波沙星在罗非鱼血浆中的药-时曲线见图 1。马波沙星在罗非鱼血浆中的药动学参数见表 1。肌内注射给药后,马波沙星吸收迅速,达峰时间(tmax)为0.25 h,峰质量浓度(ρmax)为4.31 μg·mL-1。口服给药后,马波沙星吸收比较缓慢,tmax为4.00 h,ρmax为2.45 μg·mL-1。肌内注射和口服给药后,马波沙星在罗非鱼体内分布广泛、清除缓慢,表观分布容积分别为3.94和4.27 L·kg-1,体清除率分别为0.14和0.13 L·h-1·kg-1,较大的表观分布容积和较低的体清除率,使得肌内注射和口服给药后马波沙星在罗非鱼体内的消除半衰期分别长达19.21和22.67 h。

    图  1  罗非鱼肌内注射和口服10 mg·kg-1马波沙星后血浆中的药-时曲线
    Figure  1.  The plasma drug concentration-time curve in tilapia following a single intramuscular or oral administration of 10 mg·kg-1 marbofloxacin
    表  1  罗非鱼单剂量肌内注射和口服10 mg·kg-1马波沙星的药代动力学参数1)
    Table  1.  Pharmacokinetic parameters of marbofloxacin in tilapia following a single intramuscular or oral administration of 10 mg·kg-1 marbofloxacin
    给药方式 λz/(h-1) AUC/(μg·mL-1·h-1) tmax/h ρmax/(μg·mL-1) t1/2λz/h 体清除率/(L·h-1·kg-1) 表观分布容积/(L·kg-1) t滞留/h AUMC/(μg·mL-1·h-1)
    肌内注射 0.036 70.36 0.25 4.31 19.21 0.14 3.94 21.12 1 485.66
    口服 0.031 76.66 4.00 2.45 22.67 0.13 4.27 32.30 2 476.06
    1)λz为消除速率常数;AUC为血药浓度-时间曲线下面积;tmax为药物达峰时间;ρmax为药物峰质量浓度;t1/2λz为消除半衰期;t滞留为平均滞留时间;AUMC为一阶矩时间曲线下面积。
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    马波沙星以10 mg·kg-1单剂量肌内注射或口服给药后,罗非鱼耐受性良好,试验期间没有出现鱼体死亡和其他明显的不良反应。罗非鱼肌内注射给药后,马波沙星吸收迅速,达峰时间为0.25 h,快于报道中的中华鳖的0.50 h[6]。口服给药后,马波沙星吸收相对缓慢,达峰时间为4.00 h,显著慢于氧氟沙星(0.41 h)[7]和诺氟沙星(0.75 h)[8],也显著慢于鲫鱼的0.78 h[9],然而,据报道马波沙星在中华鳖血清中达峰时间长达8.00 h[6]

    肌内注射和口服给药后,马波沙星在罗非鱼血浆中的消除半衰期分别为19.21和22.67 h,相比其他水产动物及其他药物,其消除半衰期明显长于中华鳖(13.38 h)[6],也明显长于恩诺沙星(17.19 h)[10]、氧氟沙星(7.74 h)[7]和诺氟沙星(16.42 h)[8],但明显短于鲫鱼(25.05 h)[9]。药物在不同种类水产动物体内消除半衰期的差异,可能是由于水产动物解剖学上的体积差异、药物与血浆蛋白和组织结合的差异[11-12]以及生存环境温度的差异所致[13-14]。药物在水产动物体内代谢与消除规律十分复杂,针对特定药物开展其在不同养殖动物体内的药动学研究非常必要。

    肌内注射和口服给药后,马波沙星在罗非鱼体内的表观分布容积高达3.94和4.27 L·kg-1, 表明马波沙星组织渗透能力很强,能够在罗非鱼体内广泛分布。这与之前在中华鳖体内的报道比较一致,肌内注射和口服给药后马波沙星在中华鳖体内的表观分布容积分别为2.43和4.66 L·kg-1[6]

    合理给药方案的制定,需将药动学和药效学数据结合起来。本试验中马波沙星以10 mg·kg-1剂量肌内注射和口服给药后,罗非鱼血浆中马波沙星的平均质量浓度在24 h内均超过了0.5 μg·mL-1,该浓度超过或接近大多数致病菌的MIC90(MIC90为抑制90%细菌所需要的最低药物浓度)。据报道,马波沙星对气单孢菌的MIC90为0.2 μg·mL-1[3];马波沙星对金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus的MIC90为0.21 μg·mL-1,马波沙星对肠杆菌科(Enterobacteriaceae)细菌的最小抑菌浓度(MIC)为0.008~0.030 μg·mL-1[15];马波沙星对临床分离的鸡、猪大肠埃希菌Escherichia coli, 鸭李氏杆菌Listeriose, 猪链球菌Streptococcus suis和金黄色葡萄球菌很敏感, MIC均小于0. 5 μg·mL-1[16]。和其他氟喹诺酮类药物一样,马波沙星是浓度依赖性药物,与马波沙星药效相关性最强的PK/PD参数为AUC/MIC[17]。为了达到治疗效果和避免耐药性的产生,氟喹诺酮类药物的AUC/MIC比值需在125~250[18]。本试验中,当MIC=0.5 μg·mL-1,肌内注射和口服给药后血浆中马波沙星AUC/MIC分别为143.30和154.72。数据表明10 mg·kg-1马波沙星能够有效治疗大多数敏感菌引起的罗非鱼感染。

  • 图  1   智能采摘机器人移动平台结构简图

    1:双目摄像机;2:机械臂Y轴;3:机械臂X轴;4:末端执行器;5:水果分级装置;6:防撞梁;7:前桥;8;车架;9;果实收集盒;10:后桥;11:转向系统;12:刹车装置;13:控制柜;14:人机交互模块。

    Figure  1.   Structure of the intelligent mobile platform loaded with a fruit picking robot

    图  2   转向系统结构简图

    1:方向盘;2:方向盘轴;3:套筒;4:换向器;5:联轴器;6:扭矩传感器;7:EPS管柱;8:减速机;9:电机。

    Figure  2.   Structure of the steering system

    图  3   防撞测撞梁结构简图

    1:支架;2:液压缓冲器;3:缓冲弹簧;4:横梁;5:吸能盒;6:光电开关。

    Figure  3.   Structure of the anti-collision beam

    图  4   纯弯曲工况下车架等效位移云图

    Figure  4.   Equivalent displacement image of the platform frame under pure bending working condition

    图  5   弯扭工况下车架等效位移云图

    Figure  5.   Equivalent displacement image of the platform frame under twisting working condition

    图  6   采摘工况下底座受力曲线

    Figure  6.   Force curve of the platform base under picking working condition

    图  7   采摘工况下车架等效位移云图

    Figure  7.   Equivalent displacement image of the platform frame under picking working condition

    图  8   MPTA控制下永磁同步电机转速和输出力矩响应曲线

    Figure  8.   The speed response curve and torque response curve of PMSM under MPTA control

    图  9   行走试验结果

    Figure  9.   Walking test results

  • [1] 郑燕, 张吉国, 史建民.我国水果加工业发展现状、问题及对策[J].山东农业科学, 2014, 46(4): 121-124. doi: 10.3969/j.issn.1001-4942.2014.04.033
    [2] 顾宝兴, 姬长英, 王海青, 等.智能移动水果采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报, 2012, 43(6): 153-160. doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2012.06.028
    [3]

    ZHAO D A, LV J D, JI W. Design and control of an apple harvesting robot[J]. Biosyst Eng, 2011, 110(2):112-122. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2011.07.005

    [4] 胡彦福. 基于超声波传感器的轮式喷药机器人移动控制系统研究[D]. 重庆: 西南大学, 2009. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10635-2009104078.htm
    [5] 陈飞, 蔡建荣.柑橘收获机器人技术研究进展[J].农机化研究, 2008, 68(7):232-235. doi: 10.3969/j.issn.1003-188X.2008.07.073
    [6] 陈淑艳, 陈文家.履带式移动机器人研究综述[J].机器人技术, 2007, 24(12):232-235. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jdgc200712034
    [7]

    BAETEN J, DONNE K, BOEDRIJ S, et al. Autonomous fruit picking machine: A robotic apple havester[M] //SICILIANO B, KHATIB O, GROEN F. Springer tracts in advanced robotics: Field and service robotics, Berlin: Springer-Verlag, 2008: 531-539.

    [8] 闫树兵, 姬长英.农业机器人移动平台的研究现状与发展趋势[J].拖拉机与农用运输车, 2007, 34(5): 13-15. doi: 10.3969/j.issn.1006-0006.2007.05.006
    [9] 陆怀民.林木果球采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报, 2001, 32(6): 52-58. doi: 10.3969/j.issn.1000-1298.2001.06.015
    [10] 焦俊, 孔文, 辜丽川, 等.基于UKF和SMO农用履带机器人滑动参数计算[J].系统仿真学报, 2015, 27(7): 1577-1583. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xtfzxb201507024
    [11] 张杰, 姬长英, 顾宝兴, 等.三自由度苹果采摘机器人本体设计[J].计算机工程与应用, 2015, 51(23):251-257. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.1502-0019
    [12] 张飞. 欠驱动机械手末端执行器的设计与研究[D]. 杭州: 浙江理工大学, 2013. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10338-1014226467.htm
    [13] 刘海江, 张夏, 肖丽芳.基于LS-DYNA的7075铝合金汽车保险杠碰撞仿真分析[J].机械设计, 2011, 28(2): 19-22. doi: 10.3969/j.issn.1672-1616.2011.02.004
    [14] 赵宇楠, 司景萍, 王二毛, 等.基于ANSYS的矿用自卸车车架结构优化设计[J].煤矿机械, 2014, 35(3): 18-21. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/mkjx201403009
    [15] 康元春, 刘瑛.货车车架尺寸优化设计[J].湖北汽车工业学院学报, 2012, 26(3): 10-12. doi: 10.3969/j.issn.1008-5483.2012.03.003
    [16] 史光辉, 于佳, 张亮.永磁同步电动机最大转矩电流比控制[J].电机技术, 2009, 31(5): 28-31. doi: 10.3969/j.issn.1006-2807.2009.05.009
    [17] 佟为明, 金显吉, 林景波.基于C8051F023微控制器的CAN总线实验系统设计与实现[J].低压电器, 2007, 37(23): 37-40. doi: 10.3969/j.issn.1001-5531.2007.23.010
    [18] 姜雨彤, 杨进华, 刘钊, 等.双目CCD测距系统的高精度标定[J].计算机工程, 2013, 39(7): 228-232. doi: 10.3969/j.issn.1000-3428.2013.07.051
    [19] 田光兆, 安秋, 姬长英, 等.基于立体视觉的智能农业车辆实时运动检测[J].农业机械学报, 2013, 44(7): 210-215. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nyjxxb201307037
    [20] 王友权, 周俊, 姬长英, 等.基于自主导航和全方位转向的农用机器人设计[J].农业工程学报, 2008, 24(7):110-113. doi: 10.3321/j.issn:1002-6819.2008.07.022
图(9)
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-09
  • 网络出版日期:  2023-05-17
  • 刊出日期:  2016-07-09

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