蘋果采摘機器人機械手及控制系統設計

孫旖彤，潘肖楠，張 俊，李明明，雷達榮

（1.隴東學院，甘肅 慶陽 745000；2.長慶油田分公司第十一采油廠，甘肅 慶陽 745000；3.慶陽質量檢驗檢測研究院，甘肅 慶陽 745000）

我國蘋果的生產量巨大，一年的總產量大概有3 000 萬t。在整個蘋果產業生產中，采摘過程占全部所需勞動力的三分之一至二分之一。但是，目前大部分的蘋果采用的是人工采摘，采摘的效率非常低，而且耗費的勞動力比較大，在采摘的過程中還會遇到一些不可預知的危險。因此機械自動化采摘尤為重要。

針對市面上一些輔助機器易損傷、效率低的問題，本文研究的蘋果采摘機械手是一種自動化的水果采摘機械手，通過控制系統和機械結構的自動操作就可以完成采摘蘋果的工作，這樣大大提高了勞動效率，對促成蘋果產業的發展具有重要的運用價值。

1 機械手結構設計及相關計算

1.1 機械手爪對蘋果摘取的原理

蘋果采摘機器人經過多年的發展，其驅動部分主要有液壓、氣壓、電機驅動，而手指結構設計分為兩指和多指。本文中研究的機械手爪采取三指，利用電機進行驅動。

通過分析采摘機械手裝置的機械原理，本文采取電機控制剛性連桿帶動其運動的連桿驅動型手爪，其裝置主要由電機、絲杠、軸承等零件組成。

電機采用絲杠步進電機，絲杠與螺母結合，絲杠作為主動體，當絲杠轉動時，螺母就會隨之轉換為直線移動，螺母連接著支持連桿使其運動，最后帶動機械手抓取蘋果。

當機械臂到達蘋果的位置時，發出信號給控制系統，使其驅動步進電機進行正轉，帶動螺桿轉動使螺母上升，同時帶動連桿也上升，然后機械手握緊，抓住蘋果，而當機械臂到達放置蘋果的位置時，單片機驅動步進電機反轉，螺母下降，同時也伴隨著機械手張開，放置蘋果。而在機械手張開和握緊期間，通過螺桿的自鎖能力使機械手關節不會受蘋果重力而張開，裝配圖如圖1 所示。

圖1 裝配圖

1.2 手指的結構設計

手指部分包括近端關節和末端關節，設計執行機構時要考慮采摘過程中是否會對果實造成傷害，為了盡可能降低對果實造成的傷害，決定在末端關節的內側裝上較為柔軟的尼龍材料。

近端關節材質為鋁合金；末端關節材質為尼龍材料。

手指部分包括近端關節、末端關節，為了使機械結構易于制作，因此采用曲柄滑塊結構，連桿簡圖如圖2所示。

圖2 連桿簡圖

1.2.1 運動分析

1）尋找瞬心P13。對于直接連接的桿件，其瞬心可直接判斷出P12P34P23瞬心。P12是構件1、2 的瞬心，P14是構件1、4 的瞬心，P34是構件3、4 的瞬心。

對于兩構件未直接相連的，其瞬心利用三心定理進行判斷，延長1、2 桿和垂直于桿1 的點，可判斷出瞬心P13。

2）求角速度與螺桿速度關系

作圖分析，可得出以下公式

式中：IP12P34為P12到P34的距離，W3為P13的角速度。又因為P13是構件1、3 的瞬心，根據式（1）和式（2）可得。

1.3 手指的尺寸確定

機械手第一個關節末的位置如圖3 所示，在坐標系O-xyz 中 為 點A（0，y1，z1），O'O=l1，sin120°=0.78，cos120°=-0.5。

圖3 第一個手指位置圖

對于O'-x'yz'坐標系，A 點對應的坐標為A'（0，l1+y1，z1）

利用H 變換矩陣，分別沿z 軸旋轉120°為另外2個機械手手指的坐標

因為空間坐標中的O'A，O'B，O'C 大小相等，且為繞z 軸旋轉120°所得，所以3 點連線為一個正三角形，如圖4 所示。

圖4 蘋果橫切面簡圖

由公式

可求得手指末端關節長度

蘋果高度一般為50~110 mm，直徑在50~110 mm，為機械手指尺寸提供依據。

由R≥55，z1≥55，已知l1=40，z1選取為60，OA選取為80。

1.4 受力分析

機械手夾持蘋果重量為100~400 g，對其受力分析如圖5 所示。

圖5 受力分析圖

機械手另外2 個第二關節的受力處根據三力平衡匯交定理，可合成為力F2與F1，其匯交于一點，Fa為螺母向上的推力，構成三力平衡，可得公式

三指對蘋果的力可表示為FAFBFC，利用三力平衡匯交定理，FAFB的合力FN與FC平衡，所以根據公式2FNμ≥mgk1，可求得

由尼龍材料的摩擦系數μ=0.15~0.25，取μ=0.2，安全系數k1取1.5，a=30°；蘋果重量選擇0.4 kg 進行計算；求得FN≥14.7 N，因此選擇夾持力為15 N，求得驅動力Fa≈47.3 N。

1.5 手掌的結構設計及相關計算

手掌處主要是螺桿的設計及計算，本文中采用滑動螺旋傳動，其結構簡單，成本低廉，并且相較于滾動螺旋傳動，滑動螺旋傳動有自鎖能力；因此本部分主要進行滑動螺旋傳動中螺桿螺母尺寸的選擇、強度校核、自鎖性驗算以及穩定性校核，其螺桿示意如圖6 所示。

圖6 螺桿圖

1.5.1 絲杠軸向載荷力的計算

螺桿上方重量為m=2 kg。

軸向載荷公式如下

由式（8）進行計算得F≈67 N，因此選取軸向載荷力F=70 N，最為合適。

1.5.2 選材以及許用應力計算

螺桿螺母都采用45 號鋼，選擇梯形螺紋，其牙形角為30°，因此由《機械設計手冊》，可取σp為360 MPa，由

可取許用拉壓力σp=90 MPa。

因為機械手上升運動為低速運動，因此查《機械設計手冊》得螺桿對螺母的許用壓強[p]=7.5~13 MPa，取值為10 MPa。

1.5.3 螺紋尺寸選擇及校驗

螺紋尺寸取值，見表1。

表1 螺紋尺寸 mm

由耐磨性校驗螺紋中徑是否合適：

當螺紋為整體式時，螺紋升角系數（ψ）取1.2~2.5，取ψ=1.5。

依據《機械設計手冊》梯形螺紋，取ξ=0.8，F=70 N。

由公式可計算出螺紋中徑

所以螺紋中徑選擇為9 mm，上表尺寸數據合適。

因此，基本牙型高度

螺母高度

旋合圈數

選取中等精度，螺旋副標記為Tr10×2—7H。

1.5.4 自鎖性校驗

導程P=2 mm，查《機械設計手冊》表12-1-4，可得螺紋升角

查《機械設計手冊》表12-1-7，可得f=0.15~0.17，取值0.17，得

因為λ＜ρ，所以自鎖可靠。

1.5.5 驅動轉矩計算

由公式

計算出驅動轉矩T=70.277（N·mm）。

1.6 手腕的結構設計及機械手材料選取

手腕主要結構是安裝電機，以及對接機械手臂，對其材料有一定要求，而果農采摘水果時，還可能會遇到惡劣天氣，因此材料需要一定強度和耐腐蝕性。

鋁合金材料質量輕，強度夠，耐腐蝕且價格低廉，所以材料采用鋁合金。

2 控制系統硬件設計

2.1 控制系統硬件組成

硬件是由主機、接口電路及外部設備組成。其相應的示意圖如圖7 所示。

圖7 控制系統硬件示意圖

機械手及其末端執行器在運動時需要各種傳感器進行輔助，但因個人知識水平有限，因此本文只對其中的單片機、力傳感器、電機部分進行相關選用及設計。

2.2 力傳感器

2.2.1 RP-C 電阻式壓敏傳感器

人手摘取蘋果時，是通過皮膚和眼睛把消息傳遞給大腦，實現抓取；與此相同，機械手實現抓取動作，需要傳感器把信號傳遞給單片機，隨后單片機控制電機進行轉動，帶動執行裝置完成抓取蘋果功能。

本文選用的壓力傳感器是RP-C10-ST 薄膜壓力傳感器，這是一種直徑為10 mm 的圓形柔性傳感器，由綜合機械性能優異的聚酯薄膜，高導電材料和納米級壓力敏感材料組成，由曲線圖查表獲得Rx和F 的關系式

因為蘋果壓力小于20 N 時，表皮沒有損傷，但如果超過20 N，蘋果表皮雖然沒有直接損壞，但內部出現組織損壞。為了使蘋果采摘時不被損壞，則手指的壓力不應該超過20 N。

依據曲線可以看出，隨著壓力的增大，電阻不斷變小，因此傳感器輸出的電阻應該大于26.6 Ω。

2.2.2 壓力傳感器應用電路

壓力傳感器輸入信號，單片機要檢測到該信號時，需要相應電路進行該信號的放大與轉化；應用電路主要使用電阻分壓器，然后把分壓的電壓輸入電壓比較器中，然后通過設計使其輸出高低電平，最后連接相關單片機串口，使單片機進行步進電機啟停的控制。

1）電阻分壓器。電源電壓為5 V，傳感器可以等效為一個可變電阻，其串聯一個R1=20 Ω 的電阻，整個電路起到分壓的作用。

輸出電流

分壓電壓

由上公式可推導出

其曲線圖如圖8 所示。

圖8 電壓/力關系圖

2）電壓比較器。UP處接入VN口，VE接一個比較的電壓，當VN＞VE時，比較器不導通，輸入5 V 電壓作為高電壓；反之，當VN＜VE時，比較器導通，輸出低電壓。

蘋果抓取的力一般不會超過15 N，其為了采摘蘋果時不損壞果皮，按照曲線圖，電壓不應該大于2.1 V，但為了單片機在手抓取時發出信號，使電機停止轉動，應該使VE接一個1.9 V 的電壓。

當UP電壓超過1.9 V 時，電壓比較器輸出高電壓，單片機接口檢測出數值為“1”，電機停止轉動，螺母自鎖使機械手抓取的蘋果不會掉落。

2.3 單片機選用

在本次蘋果采摘機械手的控制系統中，選擇AT89C51 單片機，其通過IO 口輸出的具有時序的方波作為對機械手控制動作的信號，這一方波信號會通過芯片LN298，進行信號放大，然后驅動步進電機以此來實現機械手的摘取動作。

AT89C51 單片機與MCS-51 單片機兼容，價格便宜，IO 口的操作簡單，指令簡單，極其適合用于作為本文控制部分的設計。

2.4 電機選用

本次設計的蘋果采摘機械手的驅動部件是由電機實現的，因此電機的選擇是整個結構設計和控制系統設計的關鍵。常見的機器人的運動形式在于對步進電機的控制和驅動，為了設計的方便，此次設計選擇電機為四相的步進電機（內阻33 Ω，步進角度1.8°，額定電壓12 V）。

想要驅動電機，必須需要響應的驅動電路，因此使用LN298 芯片，不僅可以充分發揮了步進電機的功能，能穩定地驅動步進電機，而且從經濟考慮，價格不高，其可以直接用單片機模擬出時序信號，控制不復雜。

本文步進電機步距角為1.8°，螺桿導程為2 mm，所以單片機需要發出200 個脈沖，螺桿螺母將轉動一周，其簡單的系統結構圖如圖9 所示。

圖9 步進電機控制系統結構圖

如圖10 所示，單片機對EN A、EN B 口發送方波脈沖信號，接P3.4、P3.5 引腳，IN1~IN4 接AT89C51 單片機P0.0~P0.3 口；單片機接受到力傳感器和位置信號后，通過輸出脈沖，然后經過LN298 芯片信號放大，實現電機正反轉以及啟停。

圖10 電機接線圖

3 仿真分析

3.1 三維裝配

在機械手裝配過程中與其他裝配過程大致相同，在裝配時，需要選擇合理的連接方式，使后期仿真順利進行，因此選用銷釘、滑塊等方式進行裝配，其裝配圖先進行手指部分，然后進行總裝配。

3.2 仿真過程

為了使設計的產品能夠合理地進行運動以及實現需要的功能，在設計中往往會進行仿真分析，本文利用creo4.0 進行仿真分析，其仿真分析過程如下。①打開已經裝配好的機械手爪，點擊“應用程序”，運行“機構”命令。②點擊電動機，為機械手添加驅動裝置。③進行機構分析，點擊運行。④點擊“回放”，然后打開“動畫”界面。⑤打開“動畫”界面后，選擇播放查看仿真是否合適，隨后點擊“捕獲”，選擇保存路徑，點擊保存的視頻類型，隨后點擊確定，最后就能夠獲得仿真動畫視頻。⑥曲線圖繪制。點擊測量，進行新建測量定義，輸入需要測量的角速度連接軸，點擊圖形工具，曲線圖如圖11 所示。

圖11 角速度圖

4 結束語

蘋果人工采摘作業季節性強、人工成本高、勞動強度大，是蘋果生產鏈中最耗時、最費力的一個環節。因此，研制一款蘋果采摘機器人具有重要的經濟意義，能夠有效降低工人勞動強度，提高生成效率，保證蘋果及時采收。通過對蘋果采摘機器人手指和手掌進行結構設計，尺寸計算和受力分析，完成了蘋果采摘機械手的整體方案，并進行了控制系統的設計和簡單的仿真，驗證了該機械手的設計合理性，零件的結構要素符合預期的設計目標，為下一步的步態規劃和樣機研制奠定了基礎。