草莓采摘末端執行器摘取接觸力控制仿真

張建寶　王家忠　李娜

摘要：設計了1種基于氣動人工肌肉的結構簡單、運動靈活、柔性作業的多手指式剛柔混聯的草莓采摘末端執行器?；跉鈩尤斯ぜ∪庀到y完整的靜態特性數學模型作為PID調節的傳遞函數，分別在ADMAS與MATLAB/SIMULINK中建立末端執行器的機械仿真模型與基于PID的接觸力控制系統，利用二者實現對整個末端執行器單指控制特性的聯合仿真，為控制策略的選取及物理樣機試驗研究打下基礎。

關鍵詞：接觸力；仿真；末端執行器

中圖分類號： S225.99 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0465-03

隨著農業生產的規模化、多樣化和精確化，農業生產作業要求逐漸提高，像果蔬采摘作業等都是勞動密集型工作，再加上果蔬時令的要求，保證作業質量成為關鍵問題[1]。由于采摘作業的復雜性，目前主要依靠人工采摘，采摘自動化程度仍然很低。農業生產具有很強地域性、季節性和周期性，因此，采摘作業是水果生產中最耗時、最費力的一個環節。目前，與國外相比，中國農業采摘機器人非常少，但隨著經濟的發展，我國對農業機器人及其理論的研究開始受到重視。陳利兵等針對高架式草莓自動化采收機器人進行了相關研究[2-4]，但這種方法并不適合我國大面積溫室內地壟式栽培的草莓收獲。

采摘末端執行器要實現采摘草莓的目的，必須實現兩大關鍵動作：獲取和分離，即首先通過抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實，再通過扭斷、剪切等不同方法將果實與果梗分離[5]。在此動作基礎上本研究提出了1種剛柔混聯欠驅動草莓采摘機械手機構，并在ADAMS環境下建立受控三維模型，以草莓采摘接觸力為控制依據，在MATLAB/SIMULINK環境下建立了采摘末端執行器的氣動肌腱驅動系統的仿真模型，并對其進行了仿真分析和虛擬PID（P為proportion，I為intergration，D為differentiation）控制，通過MATLAB仿真模擬，實現了驅動控制系統的仿真模擬控制。

1 草莓采摘機器人模型

我國采摘機器人的研究正在起步，如上海交通大學的黃瓜采摘機器人[6]，浙江大學的七自由度番茄收獲機械手[7]，江蘇大學的蘋果采摘器的末端執行器[8]，中國農業大學對草莓采摘機械手的視覺識別系統[9]等。中國農業大學研究的草莓采摘機械手是針對于高架式草莓采摘，對種植環境要求嚴格，本研究提出的是基于壟作栽培的剛柔混聯欠驅動的草莓采摘機械手。

1.1 手指單元結構

草莓采摘機械手執行器[10]包括手掌、轉動腕盤、氣動肌腱，3個結構相同的彼此相間120°的手指單元（圖1）。每個手指具有2個關節，2個關節間連接柔順構件，近指端關節另一端連接剛性指節；近指端關節為主動關節，由2條氣動肌腱伸縮驅動，關節7為彈性儲能被動關節，關節軸上裝有扭轉彈簧。

當每個手指上2條氣動肌腱產生伸縮運動時，驅動剛性指節向手掌閉攏，同時在近指端關節轉軸扭簧與轉桿扭簧的耦合驅動下，柔順構件也產生向手掌方向的轉動，進而通過動力耦合作用驅動指掌關節運動，3個手指相向運動閉攏。

1.2 剛柔混聯模型建立

由于草莓機械手手指單元結構相同，相對手掌對稱分布，且由相同的氣動肌腱驅動，因此機械手抓取動作控制可轉化為對手指單元的控制分析。對手指單元中的柔順構件的分析，可基于ADAMS中ADAMS/Flex模塊。建立草莓采摘機械手的三維實體模型，如圖2所示。利用ADAMS中的 AutoFlex 模塊，將柔順構件網格化進行模態計算，將計算的模態保存為模態中性文件MNF（modal neutral file），直接在 ADAMS/View 中建立柔性體的MNF文件，然后用柔性體替換原來的剛性體。

在手指第1關節7處添加扭簧1，在手指第2關節9處添加扭簧2，并添加平行于氣動肌腱的力F。利用接觸力函數contact（）在剛性手指與草莓模型之間添加接觸力，此接觸力為本研究要進行控制的主要參數。當手指端進行閉合操作與草莓產生接觸時，通過接觸力函數contact（）將此接觸力通過MATLAB/Control模塊在MATLAB/Simulink中進行聯合仿真。

1.3 氣動驅動的數學建模

氣動肌腱主要由內部橡膠筒與外部纖維層構成。外層編織網可以在氣動肌腱充氣后，將壓縮空氣的膨脹力轉換為軸向的收縮力。氣動肌腱長度L、直徑D、纖維長度b、纖維纏繞圈數n以及纖維與軸向之間的夾角α之間的函數關系為[11]：

2 聯合仿真

2.1 控制模型的建立

為了檢驗驅動控制系統模型可行性以及可控性，本研究基于ADAMS和Matlab進行了聯合仿真分析，在ADMAS中建立采摘機械手的模型，通過MATLAB/Simulink建立氣動肌腱的驅動數學模型作為傳遞函數以及采摘機械手的控制系統的仿真模型，如圖4所示。

2.2 仿真計算

在上述控制規律下對整個閉環系統進行仿真計算，將氣動肌腱的數學模型作為中間傳遞函數，控制氣源氣壓，給予特定的設定值，進行PID控制。對需要先確定模型的臨界比例系數Kpcrit和臨界振蕩周期Tcrit，然后通過Ziegler-Nichol方法[16-17]計算出控制參數，見表1。

2.3 仿真結果

由機械手摘取接觸力控制仿真結果（圖5）可知，整個控制仿真在時間、壓力上都相對合理，表明本研究論述的控制方案簡單可行，易于實現，符合草莓采摘機械化、經濟化的要求。

3 結論

本研究利用MATLAB與ADAMS各自的優越性，在建立氣動肌腱數學模型的基礎上通過ADMAS和 MTLAB/Simulink 二者聯合，用ADAMS 虛擬樣機進行機構受控建模并應用ADMAS/Contro模塊和 MATLAB/Simulink接口在 Simulink 中實現基于PID控制模型的建立和仿真。（1）通過本方法進行了剛柔混聯機械手的欠驅動控制的研究。（2）理論分析和仿真計算表明，本研究構建的驅動方式可以有效實現機械手的采摘功能。所構建的基于氣動肌腱驅動的采摘機械手模型可以方便地進行參數優化和性能預測，提早發現設計問題，減少時間和經費的消耗，也減少對物理樣機的危險操作（如在試驗過程中不合理操作導致物理樣機機構受損，或者造成對操作人員身體的傷害），并能夠解決類似的并聯機構控制問題。endprint

參考文獻：

[1]Hayashi S，Shigematsu K，Yamamoto S，et al. Evaluation of a strawberry-harvesting robot in a field test[J]. Biosystems Engineering，2010，105：160-171.

[2]陳利兵. 草莓收獲機器人采摘系統研究[D]. 北京：中國農業大學，2005.

[3]張凱良，楊 麗，張鐵中. 草莓收獲機器人末端執行器的設計[J]. 農機化研究，2009，31（4）：54-56，60.

[4]謝志勇，張鐵中，趙金英. 基于Hough變換的成熟草莓識別技術[J]. 農業機械學報，2007，38（3）：106-109.

[5]王鳳云，劉繼展，李萍萍. 采摘機器人末端執行器研究現狀與展望[J]. 農機化研究，2011，33（11）：10-14.

[6]金理鉆. 基于雙目視覺的黃瓜采摘機器人關鍵技術的研究[D]. 上海：上海交通大學，2013.

[7]梁喜鳳，王永維. 番茄收獲機械手機構型綜合研究[J]. 農機化研究，2008（3）：70-72，78.

[8]楊文亮. 蘋果采摘機器人機械手結構設計與分析[D]. 鎮江：江蘇大學，2009.

[9]張鐵中，陳利兵，宋 健. 草莓采摘機器人的研究：Ⅱ.基于圖像的草莓重心位置和采摘點的確定[J]. 中國農業大學學報，2005，10（1）：48-51.

[10]熊艷華，趙 偉，梁 楠. 抓取裝置的模塊化設計[J]. 食品與機械，2013，29（1）：154-156.

[11]Chou C P，Hannaford B. Measurent and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles[J]. Robotics and Automation，IEEE Transactions on，1996，12（1）：90-102.

[12]隋立明，包 鋼，王祖溫. 氣動人工肌肉改進模型研究[J]. 液壓氣動與密封，2002，4（2）：1-4.

[13]Tondu B，Lopez P. Modeling and control of McKnbben aritificial muscle robot actuators[J]. Control Systems，2000，20（2）：15-38.

[14]劉 昊，王 濤，范 偉，等. 氣動人工肌肉關節的自抗擾控制[J]. 機器人，2011，33（4）：461-466，508.

[15]陳 巖，朱 峰. CZC-1新型片狀物料抓取疊片機機械手系統設計[J]. 食品與機械，2014（2）：88-90.

[16]羅麗薇. 模糊邏輯在PID參數整定中的應用[J]. 自動化與儀器儀表，2012（2）：93-94，97.

[17]王亞剛，許曉鳴，邵惠鶴. 基于Ziegler-Nichols頻率響應方法的自適應PID控制[J]. 控制工程，2012，19（4）：607-609，613.朱 浩，劉興國，吳宗凡，等. 基于主成分分析法的底質改良機運行效果評價[J]. 江蘇農業科學，2015，43（10）：468-471.endprint