類球果蔬采摘末端執行器設計及分析

付 舜，王 毅,2

（1. 重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054；2. 重慶大學機械工程學院，重慶 400044）

類球果蔬采摘末端執行器設計及分析

付 舜1，王 毅1,2

（1. 重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054；2. 重慶大學機械工程學院，重慶 400044）

根據一般類球果蔬采摘特點，設計了一種基于改進對稱雙搖桿機構的類球果蔬采摘末端執行器。在ADAMS中建立其虛擬樣機，并對其受力關鍵部位作柔性體處理，得到其運動評估參數的變化曲線，得出該執行器機構運動特性，可知該執行器結構簡單、運動關系簡易，具有良好的可靠性保證。

類球果蔬；采摘末端執行器；機構設計；ADAMS仿真分析

我國是果蔬產業大國，從 1994 年開始，我國果蔬產量開始躍居世界首位，并一直穩步增長。果蔬產業是農業發展的重要組成部分，其中僅以果蔬產業為基礎的罐頭食品，出口量約占全球市場的六分之一[1-2]。然而果蔬采摘是農業生產中最耗時耗力的部分，人工收獲的成本在果蔬的整個生產成本中所占的比例高達33%～50%[3]。因此，在果蔬收獲中采用機器人作業，實現果蔬收獲的自動化和智能化，對于解放生產力、提高勞動生產效率、降低生產成本等具有重要意義[4-7]。

作為采摘機器人的重要組成，末端執行器的通用性與系統成本、使用成本之間的矛盾是制約采摘機器人未來發展與應用推廣的關鍵難題[8]。末端執行器作為采摘的最終執行機構，通用性與實用性是其設計核心指標之一[9]。目前，果蔬采摘末端執行器一般是對特定果實設計專用執行器[4,7,10-11]。國外如日本、美國、荷蘭等國研發了針對各類果蔬采摘的末端執行器，然而由于作業對象易損壞、作業環境復雜性等特點，其采摘成功率和采摘效率都很低，且本體可移植性和輕便性差[5,10]。我國類似研究起步較晚，近年來已針對獼猴桃、番茄、蘋果和柑橘等特定目標研制了相對應的采摘執行器，然而這類執行器采摘步驟復雜，欠缺通用性與實用性[11-12]，這是采摘機器人效率難以提高的重要原因，也是制約采摘機器人未來發展與應用推廣的瓶頸[4-6]。因此，筆者針對一般類球果蔬生長特性，提出一種咬合式果蔬采摘末端執行器，該咬合機構相對簡單實用，且能避免機器人收獲果實后的放置動作，能提高末端執行器的通用性和靈活性。通過三維軟件對末端執行器進行實體建模，并在ADAMS中建立末端執行器的剛柔耦合模型，分析模型各運動部件的力學關系曲線，為模型改進提供依據。最后通過對末端執行器物理樣機的分析，驗證該新型執行機構的適用性。

1 末端執行器設計與模型建立

1.1 結構組成及采摘流程

根據類球果蔬的生長特性搭建其采摘機器人的系統組成，采摘末端執行器附于關節型機械臂之上[14]。它主要由上下弧形刀片組成的咬合式切割機構、主體支撐架、隨動支撐板、傳動推桿等部分組成，使用SOLIDWORKS 三維建模對末端執行器進行建模，如圖1所示。

末端執行器工作前，首先由機器人本體上的視覺定位系統定位目標果蔬的空間位置，再由機械臂帶動末端執行器運動到預定采摘位置處。采摘時，由固定在機械臂末端處的左右2個氣缸分別驅動左右推桿作直線伸縮運動，通過傳動桿帶動執行器上下顎作咬合運動，從而實現果柄支桿的切斷分離。這種設計可以方便地在下顎支架與主架間安裝果蔬柔性通道，使采摘動作完成后果蔬通過該通道滑向存儲器皿，從而避免了機器人采摘完成后的放置步驟。末端執行器采摘流程圖如圖2。

圖1 類球果蔬采摘末端執行器模型（1：上顎支架；2：上顎刀片；3：主架；4：下顎刀片；5：下顎支架；6：傳動連桿；7：支撐長桿；8：動力推桿；9：隨動支撐鈑金；10：基座。）

圖2 末端執行器采摘流程圖

1.2 末端執行機構工作原理

1.2.1 末端執行器機構自由度分析 根據機械原理相關知識，該搖桿機構活動構件數 n=7，低副數 P=10，自由度 F=3×7-2×10=1，即該機構有 1 個自由度。

末端執行器運動極限位置如圖3所示，其中A-B’-C’-D’為咬合起始位置，A-B-C-D 為執行機構咬合最終位置。

1.2.2 機構桿件受力分析 假設構件為剛體，則各點力的傳動情況如圖4。

執行器機構為對稱機構，以機構一半進行分析，

圖3 末端執行機構示意圖

圖4 末端執行機構受力分析

假設氣缸輸入機構的力恒為F，對于末端執行器機構，其可視為剛體分析，則對于機構各鉸接點，

在荒野悟道之后，他信心滿懷地走上回歸人群的征途。然而，幾個月前，那條母性悠揚、將克里斯溫柔渡過對岸的大河，如今卻變得面目猙獰，波濤洶涌，阻斷了歸途。阿拉斯加的冬天來得特別早，克里斯很快就找不到食物了，饑餓之下，他四處搜尋植物，結果誤食了野土豆，身中劇毒。

C 點 ：CE為 只 受 兩 個 力 的 傳 動 桿 支 桿， 故FC=FE，其中 ：

A點：沿平行于桿的方向

如上分析，在運動過程中，機構傳動角逐漸增大，執行機構桿件AB的速度與加速度逐漸增大，利用幾何圖形法對機構尺寸進行優化，得到 AB=35 mm，BC=40 mm，BD=150 mm，CE=100 mm，同時對機構的極限點進行形態分析如圖3所示，機構運動所取氣缸行程經圓整后 X=60 mm。

1.3 基于 ADAMS 的執行器力學模型建立

為了優化末端執行器的設計和分析其運動情況，將 SOLIDWORKS 所建模型導入 ADAMS，得到果蔬采摘末端執行器的虛擬樣機。ADAMS是目前應用最廣泛的機械系統仿真軟件，通過其可以進行可視化的模擬仿真，能方便準確地模擬執行器運動及受力情況[15]。根據機械原理相關知識[16]，冗余約束只增強機構的穩定性，對機構運動關系無影響。在ADAMS中將系統冗余約束處理后，進行仿真計算可知，末端執行器相關機構運動無干涉，能達到設計要求。

對該末端執行器構型分析，因為執行器機構為對稱機構且為左右冗余機構，ADAMS將自動消除冗余機構部分，故以其模型分析結果失真率較大。將模型受力較大部分進行柔性化，不僅能消除冗余機構帶來的不利影響，而且將容易受力變形的部件的內部應力及變形計入分析中，使分析結果更加具有參考性[17]。

上下顎弧座與安裝座為焊接連接，考慮到實體材料屬性及內部力學性能，將安裝座作為柔性體考慮，再進行力學分析。利用 ADAMSViewFlex 生成模態中性文件 MNF（Modal Neutral File）， 將柔性體導入替換模型相關原剛性構件。同理，將傳動機構的受力較集中易變形的二力傳動桿柔性化，最后得到的剛柔耦合模型如圖5。

圖5 末端執行器剛柔耦合模型[1：上顎支架（部分柔性化）；2：上顎刀片；3：主架；4：下顎刀片；5：下顎支架（部分柔性化）；6：傳動連桿（柔性體）；7：支撐長桿；8：動力推桿；9：支撐鈑金；10：基座。]

2 仿真后處理分析

建立好剛柔耦合模型后，設置好相關參數，在ADAMS下對此機構進行動力學分析，通過數據曲線來分析機構的運動性能。以柑橘為收獲對象，經大量實驗，可以認為在切割柑橘果柄時采用至少 88.93 N的切割力可以達到切割不同柑橘果柄的效果[17]。因此，在機構仿真驗證中，設置左右兩端氣缸輸入推桿的推力各恒 150 N，仿真時間設置 1.2 s，分別取上刀片與下刀片咬合運動的速度與加速度分析機構的咬合性能，選取機構 A（A1、A2、A3 和 A4）點，B（B1、B2、B3 和 B4）點對應旋轉副的扭矩為機構運動性能參考點。

上下顎咬合過程的速度及角速度曲線如圖6所示，可知在咬合果柄支桿時，執行器的速度及角速度突然增大，即此時上下刀片受到一個較大的沖量，為切割瞬間提供能量；同時如圖7所示，機構運動加速度與角加速度在切割瞬間突增，機構執行咬合動作時慣性力足夠大。

圖6 上下顎咬合過程各自速度與角速度變化曲線

圖7 上下顎咬合過程各自加速度與角加速度變化曲線

以下分析柔性體安裝座上的旋轉副所受扭矩，其中 A1、A2、A3、A4 處 對 應 shang_1_1、shang_3_1、xia_1_1、xia_3_1 旋轉副所對應的扭矩，可以得出在運動過程中旋轉副扭矩逐漸增大，在咬合瞬間突變，咬合機構受力情況需要進一步研究改進。

圖8 旋轉副 A1、A2、A3、A4 在運動過程中所受扭矩變化曲線

同理，可得 B1、B2、B3、B4 對應的 shang_1_2、shang_3_2、xia_1_2、xia_3_2 旋轉副的扭矩變化圖，與圖8對比，分析在柔性化安裝座上不同旋轉副受力的變化，其符合小變形原理，可知模型的分析基本合理。另外，從圖 6～9 可以得出，上下顎咬合過程中，其各運動性能指標參數變化趨勢基本一致。

對末端執行器機構實體加工，其物理樣機（圖10），通過對機構運動關系的驗證，可知該末端執行器運動關系合理，上下顎張合動作理論上能實現全角度采摘，為采摘機器人末端執行器進一步深入研究奠定基礎。

圖9 旋轉副 B1、B2、B3、B4 在運動過程中所受扭矩變化曲線

圖10 末端執行器樣機

3 結 論

目前，采摘機器人末端執行器研究處于初級階段，關于采摘末端執行器本體研究的更少，就已研制成功的果蔬采摘執行器而言，設計思路大體類似，即由抓取裝置和果柄分離裝置組成，抓取裝置為類手指機構或吸持機構，果柄分離裝置以刀具或激光為主體，其設計思路單調，且在真實的非結構作業環境下成功率很難準確驗證。

基于現實情況，提出一種適用于一般類球果蔬的采摘作業機器人末端執行器，該末端執行器相比剪切式或激光燒割式末端執行器，消除了一般采摘執行器必須先檢測果蔬果柄位置方向來確定執行器采摘最終位置以及采摘完成后獲取物的放置這兩個步驟，理論上縮減機器人采摘時間；同時能在一定程度上補償機器人視覺系統對目標果蔬的定位誤差，提高機器人采摘成功率。

[1]孟 醒 . 面向類橢球果蔬的多功能采摘機器人關鍵技術研究 [D].哈爾濱 ：東北農業大學，2014.

[2]李 歡 . 果蔬采摘機器人末端執行器的設計與研究 [D]. 沈陽 ：沈陽工業大學，2015.

[3]Van H E J，Van D G，Kuypers M C，et al. Motion planning for a cucumber picking robot [A]. Modeling and Control in Agriculture，Horticulture and Post-harvesting Processing [C]. Netherlands ：Wageningen University，2000.39-44.

[4]李秦川，胡 挺，武傳宇，等 . 果蔬采摘機器人末端執行器研究綜述 [J]. 農業機械學報，2008，39（3）：175-184.

[5]劉繼展，李萍萍，李智國 . 番茄采摘機器人末端執行器的硬件設計 [J]. 農業機械學報，2008，39（3）：109-112.

[6]近藤直，門田充司，野口伸 . 農業機器人 ：Ⅱ . 機構和事例 [M].孫 明，李民贊，譯．北京 ：中國農業大學出版社，2009.

[7]湯修映，張鐵中 . 果蔬收獲機器人研究綜述 [J]. 機器人，2005，27（1）：90-96.

[8]王儒敬，孫丙宇 . 農業機器人的發展現狀及展望 [J]. 中國科學院院刊，2015，（6）：803-809.

[9]Cho S I，Chang S J，Kim Y Y，et al. Development of a three-degreesof-freedom robot for harvesting lettuce using machine vision and fuzzy logic control [J]. Biosystems Engineering，2002，82（2）：143-149.

[10]Bac C.W. Improving obstacle awareness for robotic harvesting of sweetpepper [D]. Wageningen ：Wageningen University，2015.

[11]陳 軍，王 虎，蔣浩然，等 . 獼猴桃采摘機器人末端執行器設計 [J].農業機械學報，2012，（10）：151-154.

[12]Naoshi K，Koki Y，Michihisa I，et al. Development of an end-effector for a tomato cluster harvesting robot [J]. Engineering in Agriculture，Environment and Food，2010，3（1）：20-24.

[13]顧寶興 . 智能移動式水果采摘機器人系統的研究 [D]. 南京 ：南京農業大學，2012.

[14]謝 峰，郭金兵，廖 娜，等 . 基于 Adams 的甘蔗收割機切割器運動學仿真分析 [J]. 中國農業科技導報，2016，18（4）：87-92.

[15]李 增剛 . ADAMS 入 門詳解與 實 例 [M]. 北 京 ：國防工 業 出 版 社，2006.

[16]惠 記莊，魏芳 勝，高 凱，等 . 基 于 ADAMS 的冗余驅動 并聯機器人動力學仿真研究 [J]. 工程設計學報，2012，（5）：362-365.

[17]張水波 . 柑橘采摘機器人末端執行器研究 [D]. 杭州 ：浙江工業大學，2011.

（責任編輯：肖彥資）

Design and Analysis of End-effector for Spherical Fruit and Vegetable Picking

FU Shun1，WANG Yi1,2
（1. College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, PRC; 2. College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, PRC）

According to the general characteristics of spherical fruits and vegetables harvesting, an end-effector based on double-rocker mechanism for picking robot was designed. The virtual prototype was established in the ADAMS and the key parts of stressed were treated as fl exible bodies, the motion parameters of the actuator were obtained, and the motion characteristic of the actuator was obtained. It was proved that the actuator had simple structure, simple kinematic relationship and good reliability.

spherical fruit and vegetable; picking end-effector; mechanical design; ADAMS analysis

S225

A

1006-060X（2017）03-0016-04

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.003.006

2016-12-08

重慶市科委重點產業共性關鍵技術創新專項（cstc2015shmsztzx0100）；重慶市基礎科學與前沿技術研究一般項目（cstc2016jcyjA0444）作者簡介：付 舜（1992-），男，湖南洞口縣人，碩士研究生，研究方向為智能山地農業機械。

王 毅