獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

王宜磊 - 陳 霖 易柳舟 - 魏 鑫 唐 建

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625000)

隨著科技的發(fā)展，機(jī)械采摘方面也在不斷發(fā)展，水果采摘機(jī)械手也在廣泛使用中，不同果蔬的生長(zhǎng)特點(diǎn)和采摘要求不同，采摘的方式也不同，在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上也存在差異[1-3]。現(xiàn)階段獼猴桃多采用棚架式結(jié)構(gòu)栽培，生長(zhǎng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，果實(shí)垂直于藤蔓上面，底部空間較大，不受枝干、樹(shù)葉、果實(shí)等干擾，有利于采摘?jiǎng)幼鞯膶?shí)施[4-5]。采摘末端執(zhí)行器從果實(shí)兩側(cè)抓取，左右翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)果柄分離，但是并沒(méi)有利用好下方空間，也沒(méi)有考慮對(duì)相鄰果實(shí)的影響；劉繼展等[6]對(duì)番茄果柄折斷特性進(jìn)行了研究，為果實(shí)采摘提供了依據(jù)；凌行方[7]研究的“一種果品采摘機(jī)械手”采用鉗刀剪切進(jìn)行果實(shí)摘取，但存在實(shí)際操作困難，刀片容易損傷果實(shí)表皮的問(wèn)題。從目前對(duì)獼猴桃采摘機(jī)器人的研究來(lái)看，果柄分離裝置主要有2種：① 采用切斷方式，即利用切刀將獼猴桃果柄直接切斷，這種方式需要對(duì)切斷點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，同時(shí)機(jī)械手腕還需要有足夠靈活的自由度進(jìn)行調(diào)節(jié)，該方法能夠提高采摘的效率，但采摘風(fēng)險(xiǎn)大，控制不精準(zhǔn)；② 利用機(jī)械手的連桿機(jī)構(gòu)控制機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，通過(guò)扭力實(shí)現(xiàn)果柄分離，避免了剪切時(shí)錯(cuò)位對(duì)果實(shí)的影響，機(jī)械式結(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單。

為了實(shí)現(xiàn)獼猴桃在采摘過(guò)程中減小果實(shí)損傷，以及提高抓取的穩(wěn)定性，本研究設(shè)計(jì)的獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種能夠適應(yīng)獼猴桃生長(zhǎng)環(huán)境、枝條結(jié)構(gòu)進(jìn)行抓取和采摘的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)充分利用棚架底部的富余空間，采用鉗式組合、四指抓取，在機(jī)械手指表面貼附有壓力傳感器，從下方接近果實(shí)，四指包絡(luò)抓取果實(shí)中部。通過(guò)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，使獼猴桃果實(shí)與果柄快速分離。

1 獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

本裝置針對(duì)獼猴桃進(jìn)行采摘，普通果實(shí)的大小一般為長(zhǎng)6 cm，寬3 cm[8]，在采摘過(guò)程中，針對(duì)果實(shí)規(guī)格的差異，要保證有足夠大的力夾緊果實(shí)以及在抓取過(guò)程中不至于從旁邊漏出，要求機(jī)械手指同步運(yùn)動(dòng)，采用四指抓取；在果柄分離時(shí)需要保證抓取的力不能太小，保證在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中果實(shí)不隨手指相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)夾取力不能過(guò)大而損傷果實(shí)，采用上下抓取方式，結(jié)果表明果實(shí)近似球形，球度為0.84，果實(shí)損傷壓力不宜大于15 N(對(duì)應(yīng)弧形壓頭的壓強(qiáng)為18.75 kPa)，果實(shí)采摘過(guò)程中最大壓力6.35 N，對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)為12.53 kPa，才能保證獼猴桃果實(shí)的無(wú)損采摘[9-10]。另外，采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)還需滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、操作方便等要求[11-12]。

1.2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)由夾持裝置、自由伸縮裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、傳感器及控制裝置和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，見(jiàn)圖1。

1. 采摘手指 2. 固定桿 3. 電機(jī)殼 4. 支撐架 5. 絲杠 6. 連接件 7. 絲杠電機(jī) 8. 旋轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)

圖1 獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)

Figure 1 Kiwi fruit Picking manipulator Terminal actuator

獼猴桃機(jī)械采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持裝置設(shè)計(jì)需要有效地夾住獼猴桃的外圍，并盡量保證受力均勻且不至于滑落。夾取裝置的運(yùn)動(dòng)主要通過(guò)絲杠電機(jī)提供動(dòng)力，其前端的工作手指分別安裝在由2根桿件鉸接與固定的四角裝置上，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)耳片的上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指的張開(kāi)與收緊。四角裝置的直徑為60 mm，抓取手指帶有一定的弧度，能更好地與獼猴桃外表面貼合，同時(shí)手指的內(nèi)側(cè)貼有壓力傳感器，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)電機(jī)停止工作，以防止抓取壓力過(guò)大壓傷果實(shí)。

針對(duì)以上2種獼猴桃采摘果柄分離方式存在的弊端，在原有的通過(guò)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，利用扭力實(shí)現(xiàn)果柄分離的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研制出了如圖2所示的果柄分離裝置。

1. 電機(jī)殼 2. 采摘手部分旋轉(zhuǎn)用電機(jī)圖2 獼猴桃果柄分離裝置Figure 2 The separating device of kiwi fruit handle

果柄分離裝置是將驅(qū)動(dòng)手指的電機(jī)嵌入一殼體中，與此構(gòu)成一個(gè)整體，再通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)殼體旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)夾持裝置整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)獼猴桃果實(shí)與果柄相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使果柄分離。其次，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)變的較細(xì)長(zhǎng)，整體結(jié)構(gòu)的最大寬度為9.75 cm，更好地適應(yīng)了獼猴桃果實(shí)生長(zhǎng)密集特性下的采摘。

1.3 獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采摘流程見(jiàn)圖3。工作時(shí)，通過(guò)采摘手末端的圖像識(shí)別技術(shù)確定獼猴桃果實(shí)所在位置，絲杠電機(jī)7通過(guò)旋轉(zhuǎn)使連接件6做上下運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)采摘手指1的張開(kāi)，接觸獼猴桃果實(shí)后絲杠電機(jī)開(kāi)始反向旋轉(zhuǎn)，手指開(kāi)始夾緊果實(shí)。為了實(shí)現(xiàn)獼猴桃果實(shí)采摘過(guò)程中減少磨損，在4個(gè)手指的內(nèi)表面貼附貼片式壓力傳感器，控制夾持裝置夾取獼猴桃時(shí)的壓力，避免獼猴桃在采摘過(guò)程中對(duì)其外表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成刮傷和夾傷，當(dāng)夾取壓力達(dá)到設(shè)定的壓力值時(shí)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，不再繼續(xù)夾緊果實(shí)。此時(shí)旋轉(zhuǎn)電機(jī)8開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)7安裝在電機(jī)殼3中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)夾持裝置做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)8旋轉(zhuǎn)一定角度后果柄已基本分離，再由機(jī)械臂向下拉扯，從而實(shí)現(xiàn)采摘的徹底性。

圖3 獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作流程圖Figure 3 The work flow chart of the end actuator of kiwi fruit picking manipulator

2 獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的理論分析

獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)四指的運(yùn)動(dòng)依靠絲杠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連接件6上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)四指的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手指中的各桿件繞著各鉸接點(diǎn)做不完整圓周運(yùn)動(dòng)。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)手指內(nèi)表面貼附壓力傳感器，保證抓取時(shí)有足夠的抓取力，在抓取和扭轉(zhuǎn)時(shí)不至于產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，而且壓力小于果實(shí)破壞時(shí)最小壓力，若沒(méi)有這個(gè)條件將很難保證獼猴桃果實(shí)采摘時(shí)的精度。

2.2 建立動(dòng)力學(xué)方程

為了確保抓取采摘的準(zhǔn)確性必須建立動(dòng)力學(xué)方程。

(1) 桿件4驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：

F4=Fsinα3cosα2，

(1)

式中：

F4——桿件4驅(qū)動(dòng)力，N；

F——絲杠電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力，N；

α3——桿件5與水平方向的夾角，(°)；

α2——桿件5與桿件4垂直方向的夾角，(°)。

(2) 桿件3驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：

(2)

式中：

F3——桿件3驅(qū)動(dòng)力，N；

l3——桿件3的長(zhǎng)度，m；

m3——桿件3的質(zhì)量，kg；

v3——桿件3的切向速度，m/s。

(3) 桿件2驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：

F2=F3cosα1，

(3)

式中：

F2——桿件2驅(qū)動(dòng)力，N；

α1——桿件3與水平方向的夾角，(°)；

F3——桿件3驅(qū)動(dòng)力，N。

(4) 桿件1驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：

F1=F2cosα4，

(4)

式中：

F1——桿件1驅(qū)動(dòng)力，N；

α4——桿件2與桿件1垂直方向的夾角，(°)；

F2——桿件2驅(qū)動(dòng)力，N。

(5) 機(jī)械手指指尖驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：

(5)

式中：

F0——機(jī)械手指指尖驅(qū)動(dòng)力，N；

v0——機(jī)械手指的指尖速度，m/s；

m0——機(jī)械手指部分的質(zhì)量，kg；

l0——機(jī)械手指指尖到旋轉(zhuǎn)軌跡中心的距離，m。

利用Auto CAD繪制出獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖，見(jiàn)圖4。

圖4 獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖Figure 4 Simplified diagram of the terminal actuator of kiwi fruit picking manipulator

2.3 運(yùn)動(dòng)軌跡的分析

利用Creo 3.0繪制出采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并利用Creo 3.0對(duì)所繪制的三維圖形進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，得到手指指尖的運(yùn)動(dòng)軌跡，見(jiàn)圖5。

由指尖的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算可得末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)抓取手指的可抓取范圍為45.2～73.3 mm，滿足獼猴桃果實(shí)規(guī)格大小的范圍。

1. 指尖運(yùn)動(dòng)軌跡圖5 指尖的運(yùn)動(dòng)軌跡Figure 5 The trajectory of the fingertips

初定手指的運(yùn)動(dòng)速度為10 mm/s，得到位移和速度的圖像，見(jiàn)圖6。

圖6 指尖位移和速度Figure 6 Fingertip displacement and speed

3 獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行機(jī)械的受力分析

普通獼猴桃的單果質(zhì)量在80～100 g，手指的加載力為7 N，對(duì)果實(shí)進(jìn)行抓取受力模擬仿真分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 獼猴桃受力仿真分析Figure 7 Simulation analysis on the force of kiwi fruit

獼猴桃果實(shí)表面所受到的最大壓力小于不受損時(shí)的壓力12.53 kPa，四指抓取滿足無(wú)損采摘的要求。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的一種針對(duì)獼猴桃采摘的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用四指抓取減少了夾取過(guò)程中果實(shí)側(cè)漏、滑落的情況，通過(guò)在機(jī)械手指的內(nèi)表面貼附壓力傳感器，減少了果實(shí)在采摘過(guò)程中的磨損。對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，降低了控制模塊的復(fù)雜性，使制作成本也大幅度降低。采用旋轉(zhuǎn)加拉扯共同作用，旋轉(zhuǎn)使得果柄與果實(shí)的連接處出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形而松動(dòng)，加之向下拉扯力的作用使果柄與果實(shí)分離，從而有效地實(shí)現(xiàn)了獼猴桃采摘的徹底性，也為其他水果的機(jī)械采摘提供了參考依據(jù)。本設(shè)計(jì)仍存在一些不足之處，由于獼猴桃為藤蔓植物，在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到果實(shí)在采摘時(shí)的柔性變形，如果從農(nóng)藝方面入手，改變枝條在棚架上的狀態(tài)，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

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