新型具有力感知的柔性果蔬采摘機械手研究

肖英奎，李永強，謝 龍，付英達

(吉林大學 生物與農業工程學院工程仿生教育部重點實驗室，長春 130022)

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新型具有力感知的柔性果蔬采摘機械手研究

肖英奎，李永強，謝 龍，付英達

研發了基于設施農業的果蔬采摘機械手，包括具有3個旋轉關節自由度的采摘機械臂及具有力反饋功能的三指果蔬采摘末端執行器，并對其控制系統進行了開發。通過采摘模擬試驗，驗證了其作業性能、采摘效果。試驗結果表明：采摘機械手各關節與控制系統配合良好，運行穩定；采摘末端執行器手指控制靈活，傳感器響應靈敏，能夠實現穩定抓取并不損傷果實，具有推廣價值。

果蔬采摘；機械手；柔性抓取；力覺

0 引言

隨著信息網絡技術、機器人技術的不斷發展，農業機器人的研究也取得了很多成果[1-2]。現已開發出來的農業機器人有噴藥機器人、水果采摘機器人、果實分揀機器人及蔬菜嫁接機器人等[3-5]。

多樣化、精確化、規模化的農業生產是現今的主要發展趨勢[6-7]。由于果蔬的采摘、收獲、嫁接及農藥的噴灑等農業作業以往基本都是由農民手動完成的，存在自動化程度低、效率不高、勞動量大等問題，而具有智能化、自動化的農業機器人可在一定程度上解決以上問題[8-10]。從長遠看，農業機器人具備了比人工勞動力更高的經濟性，具有重要的研究意義[11-12]。

1 采摘機械手結構與特點

1.1 采摘機械手整體結構

從采摘過程看，要實現采摘動作靈活，關節機械手是最有效的結構。所設計的采摘機械手主要由末端執行器、大臂、小臂、腰部及基座構成，具有3個自由度。3個主動旋轉關節包括腰關節、肩關節及肘關節，如圖1所示。為了滿足關節結構緊湊、承載能力強的要求，采摘機械手采用諧波齒輪作為傳動機構，所設計的三自由度采摘機械手所使用的是 XB1 單級諧波齒輪，內徑為85mm，柔輪直徑為61mm，速比范圍在80～160。由于本文采摘機械手采用剛輪作為輸出件，波發生器作為輸入件，所以傳動比為80。

圖1 采摘機械手整體結構示意圖

1.2 末端執行器結構

末端執行器由兩個柔性手指、壓力傳感器、拱形滑道、傳動齒輪組、數字電機、電機驅動模塊及外殼構成，如圖2所示。使用5線4相數字電機作為末端執行器柔性手指的驅動器。兩個較小齒輪中，一個為主動輪，另一個為從動輪；兩個較大的從動齒輪通過連桿及手指基座分別與兩個柔性手指連接；步進電機輸出動力通過齒輪組傳動機構傳送到柔性手指，柔性手指沿著拱形滑道進行開合動作。柔性手指包括手指骨架和橡膠指面：手指骨架為彈性鋼片，起到支撐作用；橡膠指面由耐磨并且防老化的橡膠材料制成，指面上刻有仿人手手指指紋紋路。柔性手指中，一個柔性手指由較寬的橡膠指面和手指骨架組成，另一個柔性手指由2 個較窄的橡膠指面和U 字形手指骨架組成，形成兩個分指，如圖3所示。這樣可減少用于驅動手指的電機數量，簡化了結構又可保持三指抓取的穩定性。在柔性手指中添加有傳感器[11]，可實現抓取的智能化控制，使手指具有力覺反饋。

1.柔性寬指 2.雙拱形滑道 3.從動齒輪a 4.從動齒輪b

1.彈性鋼片 2.橡膠制面 3.螺孔

2 控制系統

2.1 控制系統硬件

采摘機械手控制系統采用模塊化設計，主要包括運動控制模塊、電源模塊、通信模塊及傳感器電路模塊，采用PC機+運動控制卡的控制模式來控制機械臂各關節驅動器(交流伺服電機)。運動控制卡通過工控機中的PCI插口連接到工控機主板上，通過62芯的輸入輸出端子排將運動控制卡的管腳和交流伺服電機的驅動器進行連接，利用PCI總線實現工控機與運動控制卡的通訊；采用上位機(PC機)+下位機(單片機)的模式來控制末端執行器柔性手指的抓取與釋放動作。采摘機械手控制系統硬件整體結構如圖4所示。

圖4 控制系統硬件結構圖

末端執行器的控制系統由上位機(工控機)、串口通訊模塊、下位機(單片機)、數字電機及電機驅動器、壓力傳感器及相應信號處理模塊(信號放大模塊、AD轉換模塊)組成，如圖5所示。

圖5 末端執行器控制子系統

2.2 3自由度采摘機械手功能

由于該采摘機械手的手部依據仿生功能的理念，指面采用了橡膠材料，其表面上設計類似于指紋的紋路，因而其表面可提高摩擦附著性能，抓取目標物體時更加穩固；同時，其伺服系統可以很好地控制機械手抓取力度，降低對物體的機械損傷，可以實現不同形狀、大小物體的自適應抓取。

在執行抓取目標物體過程中，該3自由度采摘機械手裝置的運行步驟大致可分為以下幾步：首先，通過人機交互功能，設定目標物體的三維位置信息，主控器(上位機)依據三維位置信息控制其腰部關節、大臂關節和小臂關節的聯動，來完成對目標物體定位；到達指定目標位置后，主控器向手部控制器發指令，啟動抓取目標物體操作，并進行力覺判斷。其次，在抓穩目標物體即達到初始設定的力后(該力保證目標物體的無損等)，向主控器請求取回目標物體操作。最后，其機械手運動歸位后，主控器通知仿生手部釋放目標物體，作業完畢。

2.3 采摘試驗方案

通過操作界面中輸入目標果實位置后，機械臂將末端執行器送至目標位置，上位機通過串口向下位機發送抓取指令，通過力覺反饋信號，控制采摘手指步進電機啟停，并向上位機發送返回指令。采摘具體流程如圖6所示。

圖6 采摘流程圖

3 3自由度采摘機械手性能測試

為了驗證采摘機械手的有效性及其各方面性能，對其進行模擬采摘試驗，主要包括機械手抓取果實時的定位成功率、采摘成功率及采摘平均速度，并對結果進行分析，從原理上驗證采摘機械手完成任務的可行性。

圖7 采摘試驗黃瓜架

試驗以黃瓜為采摘對象，將黃瓜果實按照圖7方式懸掛于黃瓜架中，通過觀察黃瓜果實位置和采摘機械手起始位置，設定采摘機械手的目標位置和最優路徑及相應參數，采摘機械手根據程序設定自動完成采摘任務。根據果實位置不同，設定多組參數。采摘機械手分2個試驗：試驗1測試采摘機械手定位、采摘成功率等方面內容；試驗2通過測量采摘機械手的采摘運動時間，來檢驗采摘機械手的采摘效率。圖8為采摘機械手進行模擬采摘試驗現場圖。

圖8 模擬采摘試驗

試驗1、試驗2在采摘的黃瓜架中選取4個不同的位置，進行4組采摘試驗。在進行模擬試驗時，機械手運動平穩，4組試驗中，共計進行了60次采摘試驗，試驗結果如表1、表2所示。

表1 模擬采摘試驗結果1

表2 模擬采摘試驗結果2

在4組試驗中總共進行了60次模擬采摘試驗，成功定位54次，成功采摘53次，總定位成功率為90%，總采摘成功率為88%。不能成功定位和采摘的主要原因是：末端執行器手指的抓持范圍目前還有限，超出手指抓持半徑，果實將不能被成功抓取。

由于4組試驗黃瓜位置的不同，與機械手設置的初始位置及收獲箱的距離不相同，因此機械手由初始位置運動到目標果實位置的時間及完成整套采摘動作的時間每組都有一定差別，但影響不大。60次采摘試驗中，由初始位置到成功定位果實位置平均時間為3.40s，末端執行器完成采摘動作平均時間2.30s，由成功采摘后返回將果實放入箱平均時間為4.62s。從試驗結果可以看出：采摘機械手各關節與控制系統配合良好，運行穩定，能夠滿足采摘要求；下位機對于末端執行器手指控制靈活，傳感器響應靈敏，閾值設置合理，能夠實現穩定抓取并不損傷果實；在成功采摘以后，并沒有發生果實從手指中脫落現象，但采摘手的采摘成功率及采摘速度還有待提高。

4 結論

1)設計了一種具有力反饋功能的三指采摘末端執行器。針對黃瓜果實表皮易受到損傷的特點，選取柔性橡膠材料作為采摘手指指面，在柔性手指中嵌有三套貼片薄膜壓力傳感器，使采摘手具有力反饋功能，解決了抓取過程中的滑移及脫落問題。結合實驗室現有三自由度機械臂，制作出具有三自由度黃瓜采摘機械手樣機。在采摘機械手機械結構搭建完成的基礎上，設計了控制系統的總體方案。

2)對采摘機械手進行了模擬采摘環境的整機采摘試驗，根據果實位置將試驗分為4組，并進行重復試驗，得到試驗數據，驗證了采摘機械手采摘作業的可行性，并找出存在的問題和需要改進的部分，為以后開展進一步研究奠定了堅實的基礎。

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Study on a New Type of Flexible Fruit and Vegetable Picking Manipulator with Force Sensing

Xiao Yingkui, Li Yongqiang, Xie Long, Fu Yingda

(School of Biological and Agricultural EngineeringKey Laboratory of Bionic Engineering,Ministry of Education, Jilin University , Changchun 130022，China)

This paper developed a manipulator of fruits and vegetables picking based on agricultural facilities, including 3-DOF picking manipulator with rotational joint structure and, three finger picking end actuator with force feedback function. The control system of picking manipulator is developed. The performance of the operation and picking results were verified by the simulation experiment. Experimental results show that each joint movement state of the picking manipulator is good and the response of the picking manipulator is rapid and the control system of the picking manipulator is stable operation and picking end actuator controls flexibly and the sensor response is sensitive and picking end actuator is able to grasp stably not to damage the fruit.The picking manipulator has the value of popularization.

fruit and vegetable picking；manipulator; flexible grasping; force sense

2016-08-14

吉林省教育廳高校科研課題(20141028)

肖英奎(1965-)，男，長春人，教授，(E-mail)xiaoyk@jlu.edu.cn。

S225.92；TP202

A

1003-188X(2017)10-0133-04