水果被動(dòng)抓取末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫金風(fēng)， 陳 龍， 楊智勇， 熊高健

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

末端操作器作為采摘機(jī)器人的關(guān)鍵部件，直接影響采摘機(jī)器人的采摘能力，對(duì)蔬果的成功采摘起著關(guān)鍵作用。筆者以抓取蘋果為例對(duì)操作器進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、受力分析和優(yōu)化分析，設(shè)計(jì)出具有可調(diào)性的柔性緩沖裝置。該裝置通過調(diào)整，可以適應(yīng)市場上大多數(shù)品種水果的無損抓取，可廣泛應(yīng)用于水果產(chǎn)業(yè)鏈中的水果在線檢測及分揀領(lǐng)域，提高水果分揀效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[1-3]。

1 末端操作器的初步設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

采用如圖1所示的三手指穩(wěn)定抓取方式，主控計(jì)算機(jī)通過視覺定位水果空間位置并發(fā)出指定運(yùn)動(dòng)指令[4-5]，先由傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)曲柄3旋轉(zhuǎn)，再通過連桿4牽引滑塊在上下滑臺(tái)1、5的滑槽滑動(dòng)，從而帶動(dòng)抓取手指8向水果移動(dòng)抓緊水果。當(dāng)抓取力達(dá)到預(yù)設(shè)值或水果對(duì)抓取手指的反作用力大于扭轉(zhuǎn)彈簧7的預(yù)緊力時(shí)，抓取手指連接塊6的凸起將松開按動(dòng)開關(guān)9，電機(jī)停轉(zhuǎn)，抓取手指8停止收縮，水果抓取過程完成。

抓取完成后，傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)對(duì)電機(jī)發(fā)出水果收箱運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。末端操作器運(yùn)動(dòng)到指定位置，電機(jī)反轉(zhuǎn)，抓取手指8松開水果，按動(dòng)開關(guān)9再次處于壓緊狀態(tài)，并繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，回到初始狀態(tài)[6]。水果收箱過程結(jié)束，裝置進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

1-上滑臺(tái)； 2-滑塊； 3-曲柄； 4-連桿； 5-下滑臺(tái)； 6-抓取手指連接塊； 7-扭轉(zhuǎn)彈簧； 8-抓取手指； 9-按動(dòng)開關(guān)； 10-軟硅膠圖 1 整體結(jié)構(gòu)

1.2 機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定

1.2.1曲柄及連桿尺寸市場上蘋果的尺寸直徑范圍一般為30～100 mm，高度范圍為40～70 mm，而梨、桃、桔子、柑橘、草莓等其他品種水果的尺寸均小于蘋果。因此，將蘋果作為對(duì)象可使機(jī)械手具有較大的抓取范圍，能適應(yīng)其他品種水果的抓取。

取抓取手指的工作直徑范圍為10～100 mm。計(jì)采用如圖2所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，防止連桿發(fā)生干涉，其旋轉(zhuǎn)角度不能超過120°。經(jīng)過幾何分析，設(shè)計(jì)曲柄和連桿的尺寸分別為27.5 mm和55 mm。

圖 2 曲柄連桿

1.2.2滑臺(tái)直徑與高度根據(jù)曲柄和連桿的尺寸以及抓取手指工作范圍，取滑臺(tái)直徑195 mm。為防止滑塊在滑動(dòng)過程中卡死，對(duì)上下滑塊采用兩點(diǎn)拉動(dòng)的方式。考慮兩點(diǎn)拉動(dòng)的方案所占用的物理空間，選取滑臺(tái)部分高度為100 mm。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 抓取手指的設(shè)計(jì)

2.1.1抓取手指輪廓確定為獲得水果的近似輪廓曲線，采集蘋果圖片，使用Halcon機(jī)器視覺軟件對(duì)采集的圖片進(jìn)行圖像處理。首先利用gen_retangle算子和reduce_domain算子分別創(chuàng)建ROI(感興趣區(qū)域)和分割出ROI(圖3b)。進(jìn)行圖像處理時(shí)只需關(guān)注待測目標(biāo)及周圍的區(qū)域，以減少計(jì)算量，提高圖像處理的速度和精度。然后利用trans_from_rgb和threshold對(duì)ROI閾值分割，得到初步分割圖，再使用圖像形態(tài)學(xué)算法進(jìn)一步處理，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行增強(qiáng)和除去一些噪聲干擾，為后續(xù)的特征提取和邊緣檢測做準(zhǔn)備。最后利用Canny算子進(jìn)行目標(biāo)輪廓提取(圖3d)。

圖 3 提取蘋果輪廓過程

圖4為不同品種蘋果的正面圖片，通過圖像處理提取不同品種蘋果的輪廓曲線。

圖 4 提取不同品種蘋果的輪廓圖

調(diào)整提取出來的輪廓圖像，將圖片像素尺寸改成一致，在Matlab軟件中提取比例一致的數(shù)據(jù)并分析比較。用Matlab軟件調(diào)用處理后的圖片，采用取點(diǎn)法，提取出蘋果輪廓曲線(圖5)。

(a)不同品種蘋果輪廓曲線

(b)綜合輪廓曲線圖 5 蘋果輪廓曲線

圖 6 手指寬度分析 mm

采用算術(shù)平均值算法，將取得的數(shù)據(jù)求平均值，擬合出綜合輪廓曲線。

2.1.2建立手指模型由于蘋果高度一般范圍為40～70 mm，抓取手指接觸高度小于蘋果高度的一半，因此取抓取手指彎曲部分的高度為30 mm，手指豎直部分高度為40 mm。

為防止三個(gè)抓取手指在抓取過程中產(chǎn)生相互干涉，同時(shí)保證手指和蘋果有足夠的接觸面積，讓手指寬度利用率足夠大，根據(jù)蘋果的最小直徑，確定手指寬度范圍為20 mm。

根據(jù)前面的確定抓取手指得高度和寬度，采用Matlab獲得的綜合輪廓曲線的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)蘋果的高度范圍，對(duì)曲線進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在Creo軟件中建立抓取手指模型(圖7)。

圖 7 手指曲線和三維模型

采用擬合蘋果輪廓曲線彎曲手指作為抓取執(zhí)行部件。由于抓取手指的抓取面與蘋果外輪廓十分相近，所以其抓取水果時(shí)的接觸面積大，所需抓取力相對(duì)較小。此外，手指內(nèi)側(cè)貼有軟硅膠，增加了抓取的柔性，抓取蘋果時(shí)有一定緩沖作用，從而大大降低了蘋果的損壞率。

2.2 柔性緩沖裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于初步設(shè)計(jì)的末端操作器的緩沖器過于簡單，僅抓取手指連接塊和抓取手指連接處安裝了扭轉(zhuǎn)彈簧，扭轉(zhuǎn)彈簧的剛性較大，預(yù)緊力的范圍過小，很可能會(huì)造成抓取成功率會(huì)偏低，水果的損壞率偏高，而且抓取對(duì)象單一。因此，需要對(duì)柔性緩沖裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高抓取效率和質(zhì)量。在抓取手指和運(yùn)動(dòng)部件連接處采用柔性緩沖裝置，代替了單一的扭轉(zhuǎn)彈簧，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示。

1-壓塊; 2-按動(dòng)開關(guān); 3-抓取手指連接塊; 4-預(yù)緊力調(diào)整塊; 5-預(yù)緊力刻度尺; 6-螺釘; 7-螺母; 8-調(diào)整螺母; 9-預(yù)緊力指針; 10-壓縮彈簧; 11-抓取手指; 12-軟硅膠圖 8 改進(jìn)后的抓取手結(jié)構(gòu)

如圖8所示，按動(dòng)開關(guān)2安裝在抓取手指連接塊3的側(cè)面上，壓塊1壓住按動(dòng)開關(guān)2。彈簧預(yù)緊力調(diào)整塊4固定安裝在抓取手指連接塊3上。預(yù)緊力刻度尺5安裝在預(yù)緊力調(diào)整塊4上。螺釘6通過螺母7安裝在彈簧預(yù)緊力調(diào)整塊4上。預(yù)緊力指針9位于壓縮彈簧10和調(diào)整螺母8之間。

工作時(shí)，當(dāng)抓取力矩大于壓縮彈簧力矩，抓取手指會(huì)相對(duì)于抓取手指連接塊向外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)按動(dòng)開關(guān)壓塊解除對(duì)按動(dòng)開關(guān)的壓力，按動(dòng)開關(guān)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，抓取手指停止運(yùn)動(dòng)，防止損傷水果，抓取動(dòng)作結(jié)束。當(dāng)抓取手指松開水果時(shí)，抓取手指在壓縮彈簧回復(fù)力的作用下歸正，按動(dòng)開關(guān)壓塊重新壓緊按動(dòng)開關(guān)，柔性緩沖裝置復(fù)位。通過調(diào)整螺母的位置，改變壓縮彈簧的預(yù)緊力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同品種水果的抓取。

3 蘋果的受力分析及抓取力的確定

3.1 抓取蘋果受力模型

建立簡化模型如圖9所示。先將受力模型簡化，針對(duì)手指和蘋果理想接觸情況計(jì)算出手指抓取力的理想值，然后通過調(diào)整裝置在樣品中進(jìn)一步調(diào)整抓取力。

F-機(jī)械手對(duì)蘋果的作用力;G-蘋果的重力;f-蘋果受到的摩擦力;D-蘋果直徑;AB-簡化后的蘋果受力面;Q-蘋果受力面和水平方向的夾角圖 9 簡化模型

3.2 將蘋果抓起的最小抓取力

(1)

(2)

(3)

根據(jù)受力平衡

G=3×(FX+FY)

(4)

綜合式(1)(2)(3)解得F和D之間的關(guān)系如下：

(5)

在Matlab軟件中輸入式(5)，輸出的圖形如圖10所示。

圖 10 手指所需壓力與蘋果直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系

抓取裝置的手指高度為30 mm，當(dāng)蘋果直徑D<60 mm時(shí)，簡化后蘋果受力面和水平方向的夾角Q=π/4。由式(1)(5)得

(6)

由式6可知，末端操作器要將不同直徑的蘋果抓起所需的抓取力范圍為0.04～1.97 N。為了保證不同直徑的蘋果都能順利抓起，單個(gè)手指所需壓力值取F=2 N。考慮到這是理想接觸情況下的受力，取安全系數(shù)S=2，則實(shí)際抓取蘋果時(shí)最小抓取力Fmin=S·F=4.00 N。

3.3 不破壞蘋果的最大抓取力

不同品種成熟蘋果的表面硬度及果肉硬度值如表1[7]所示。由于所有品種蘋果的果肉硬度都小于其表面硬度，其差值在1～2 kg/cm2。為防止果肉先于果皮發(fā)生變形而產(chǎn)生損傷，將果肉硬度作為不破壞蘋果的參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)表1的信息，取最小蘋果硬度值P=5 kg/cm2=0.5 N/ mm2。

表1 不同品種蘋果各個(gè)生長期臨界受力特征

在抓取蘋果時(shí)，抓取手指內(nèi)側(cè)貼有的軟硅膠與蘋果表面充分接觸，接觸面積大小可近似等于整個(gè)軟硅膠層的面積。根據(jù)模型尺寸，通過對(duì)模型曲面的掃描得到單個(gè)抓取裝置的手指與蘋果直接接觸的表面積S=442 mm2，則不破壞蘋果表面的最大抓取力Fmax=P×S=0.5×442 N=110.5 N。

3.4 確定抓取力和預(yù)緊力

1)確定抓取力

由于Fmin

F=25.3 N即作為該裝置抓取蘋果時(shí)設(shè)定的抓取力。

本設(shè)計(jì)雖以蘋果為主要抓取對(duì)象，但最終面向的對(duì)象是多品種的水果。經(jīng)查詢相關(guān)水果的表面硬度值和尺寸范圍[8-9]，參考蘋果的受力分析過程，分析結(jié)果如表2所示。

表2 不同水果尺寸和抓取力分析結(jié)果

由表2可看出，蘋果的預(yù)定抓取力與其他水果最佳抓取力相差較大，會(huì)造成對(duì)應(yīng)的彈簧預(yù)緊力量程、彈簧刻度尺尺寸偏大以及調(diào)節(jié)不方便等缺點(diǎn)，而且實(shí)際上抓取蘋果的力度也不需要25.3 N，因此需要將初步設(shè)置的蘋果抓取力調(diào)得更小一些。選取最小抓取力的2.5倍為蘋果的抓取力，即10 N，這樣既確保穩(wěn)定的抓取成功率，又避免了不同品種水果的預(yù)緊力相差過大所帶來的問題。

2)求取彈簧預(yù)緊力

根據(jù)抓取機(jī)構(gòu)手指的力矩分析(圖11)，由轉(zhuǎn)矩平衡公式得：

圖 11 手指力矩分析

Ft·Lt=F·Lsin∠Q

(7)

F為果對(duì)手指的反作用力；Ft為壓縮彈簧對(duì)手指的作用力；L為簡化后水果反作用力臂；Lt為壓縮彈簧作用力臂；Q：F和L的夾角。

建模時(shí)，根據(jù)裝置的工作需要和滿足連接件的安裝要求，初定參數(shù)：L=78.81 mm；Lt=17.00 mm；Q=72°。根據(jù)不同水果的最佳抓取力，由式(7)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的彈簧壓力，結(jié)果如表3所示。

表3 常見水果抓取力與所需彈簧力N

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化與校核

4.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化

根據(jù)工作要求，抓取手指的抓取范圍為10～100 mm。為防止干涉，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中曲柄轉(zhuǎn)角不超過120°，取其旋轉(zhuǎn)角度范圍為0～110°，則曲柄滑塊從0～110°的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中行程差為45 mm。為保證滑臺(tái)尺寸合理，將曲柄滑塊中曲柄長度和連桿長度作為設(shè)計(jì)變量，將它們的和作為目標(biāo)函數(shù)，在Matlab中進(jìn)行優(yōu)化，得到滿足運(yùn)動(dòng)要求的最小尺寸。建立數(shù)學(xué)模型。

設(shè)曲柄長度為L1，連桿長度為L2，滑塊為B。曲柄旋轉(zhuǎn)角度θ的范圍是0～110°。曲柄旋轉(zhuǎn)一周，最大行程差為2L1，則有2L1>45，取L1下界為23 mm。

由圖12根據(jù)余弦定理

圖12 曲柄連桿數(shù)學(xué)模型

可得

(8)

則行程差

有等式約束條件S=45。

取曲柄長度L1上界為40 mm，連桿長度下界和曲柄長度下界相同，連桿長度上界為70 mm。在Matlab中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果為曲柄長度L1為28.53 mm，連桿長度L2為57 mm。

4.2 抓取手指的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在抓取手指安裝位置處設(shè)計(jì)調(diào)整塊，其滑塊端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍為25～70 mm，對(duì)應(yīng)的抓取直徑為50～140 mm。經(jīng)過調(diào)整，調(diào)整塊沿著滑臺(tái)徑向長度為32 mm，抓取手指的工作直徑范圍為10～100 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 滑塊支撐桿的強(qiáng)度校核

滑塊支撐桿是本裝置中受載荷較大的零件。對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。選取45號(hào)鋼作為分析材料，將滑塊支撐桿和滑塊連接處固定約束，單個(gè)手指的最大抓取力不超過10 N，在滑塊支撐桿和抓取手指連接處一共施加10 N的力，在Creo中對(duì)滑塊支撐桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖13所示。

圖13 滑塊支撐桿靜力學(xué)分析

分析結(jié)果顯示，危險(xiǎn)截面處馮米斯應(yīng)力值為14.346 MPa，端點(diǎn)處最大位移為10.4 μm，滿足材料的使用安全。

5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

5.1 工作環(huán)境仿真

如圖14所示，將優(yōu)化后的抓取機(jī)械手末端執(zhí)行器(圖15)安裝在導(dǎo)軌上。執(zhí)行器工作動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)提供，整體上下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力由氣缸提供。

1-導(dǎo)軌; 2-氣缸; 3-步進(jìn)電機(jī); 4-抓取機(jī)械手; 5-傳送帶圖14 抓取機(jī)械手工作環(huán)境仿真

1-滑塊支撐桿;2-軸承;3-曲柄;4-連桿;5-滑塊;6-調(diào)整塊;7-抓取手指連接塊;8-按動(dòng)開關(guān);9-壓塊;10-預(yù)緊力調(diào)整塊;11-預(yù)緊力刻度尺;12-壓縮彈簧;13-抓取手指;14-軟硅膠圖15 優(yōu)化后的末端操作器

通過機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)水果目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別定位，攝像頭采集圖像并將其圖像數(shù)據(jù)傳輸給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)中視覺處理軟件完成輸入的圖像數(shù)據(jù)處理，通過一定運(yùn)算得出抓取目標(biāo)的三維信息。獲取目標(biāo)的三維信息后，主控計(jì)算機(jī)發(fā)出相應(yīng)運(yùn)動(dòng)指令，抓取機(jī)械手將目標(biāo)抓取后運(yùn)送到指定位置。

5.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

根據(jù)其約束條件，結(jié)合代數(shù)和幾何方法推導(dǎo)出電機(jī)運(yùn)動(dòng)的逆解公式。逆解公式的結(jié)果是否存在解，與末端執(zhí)行器的約束條件密切相關(guān)，如果不滿足其約束條件，則無解[10]。

由圖16a可看出，當(dāng)曲柄以10°/s勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊速度先增加后減少，確保穩(wěn)定抓取，只需控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速規(guī)律如圖16b所示時(shí)，滑塊可做勻速直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取。

圖16 運(yùn)動(dòng)分析