申一歌，袁 鑄

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

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基于FPA控制系統(tǒng)的多指多關(guān)節(jié)采摘機械手設(shè)計

申一歌，袁 鑄

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

針對傳統(tǒng)機械手爪存在抓持動作單一、自由度少及通用性較差等缺點，設(shè)計了一種新型的由FPA直接驅(qū)動的多指多關(guān)節(jié)采摘機械手，有效地提高了機械手的靈活性和對不同果實采摘的自適應(yīng)能力。從靜力學(xué)的角度，建立了彎曲關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角及輸出力的靜態(tài)模型，并利用多目標優(yōu)化方法對各個關(guān)鍵受力的均勻性進行了優(yōu)化設(shè)計，分析了三自由度手指的輸出力特性。最后，通過實驗方法建立了機械手的蘋果抓持實驗，分析了氣壓值與抓持能力之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明：隨著待采摘果實目標半徑的增大，機械手抓取關(guān)節(jié)角度有所減小，機械手抓取關(guān)節(jié)手指內(nèi)腔的壓力有所降低，為新型采摘機械手的研究提供了理論借鑒和技術(shù)參考。

多指機械手；多目標優(yōu)化；FPA驅(qū)動；抓持能力；自由度

0 引言

農(nóng)業(yè)的機械化實現(xiàn)了用機械動力和電力代替人力和畜力，以工作機械代替人的手工工具的目標。20世紀70年代以來，農(nóng)業(yè)逐漸推廣應(yīng)用自動控制、電子計算機、系統(tǒng)工程、遙感等技術(shù)，實現(xiàn)部分生產(chǎn)作業(yè)和管理自動化，取得了提高作業(yè)質(zhì)量、效率和安全、省力等效果。在果蔬采收作業(yè)時，采摘機器人是最常用的自動化和智能化機械工具之一，但在作業(yè)過程中，傳統(tǒng)的采摘機械手的抓取動作比較單一，手指關(guān)節(jié)自由度較少，通用性較差，制約了采摘機器人的發(fā)展和應(yīng)用。多指采摘機械手手指關(guān)節(jié)靈活，可以實現(xiàn)復(fù)雜的抓取動作，如果將其作為在采摘機器人與外界作業(yè)環(huán)境的末端執(zhí)行部件，必然會提高采摘機器人的自動化水平，提高其作業(yè)范圍和作業(yè)能力。

1 基于FPA的多指采摘機械手設(shè)計

采摘機器人設(shè)計的最重要部分之一是機械手的設(shè)計，機械手設(shè)計的好壞直接影響機械人的作業(yè)性能和工作效率。機械手指的驅(qū)動是機械手設(shè)計的一個難題，要在小的空間內(nèi)實現(xiàn)多自由度的靈活動作，且還要保證機械手指具有足夠的抓取力。在此背景下，各國的農(nóng)業(yè)機器人專家和學(xué)者都在積極探討和研究一種既具有對大部分果實自適應(yīng)采摘能力，又對大部分果實損傷較小的采摘機械手。其中，典型的代表是Monta等人研制的番茄采摘機械手，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機械手番茄采摘照片

該末端執(zhí)行器由4個90°間隔分布的手指和1個吸盤組成，在采摘番茄過程中，機械手對果實的損傷較小，其工作原理如圖2所示。其每個手指都是使用橡膠軟管進行連接，軟管使用纜繩連接，拉動纜繩時，手指向內(nèi)彎曲，放開纜繩，手指放松，配合壓力傳感器和吸盤，可以完成整個果實采摘動作。為了提高手指關(guān)節(jié)的靈活程度，設(shè)計了多關(guān)節(jié)靈活動作的機械手指，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于果實形狀各異，為了滿足機械手指的自適應(yīng)能力，將其設(shè)計成模塊化結(jié)構(gòu)，手指數(shù)量設(shè)計為3個，單個手指的關(guān)節(jié)數(shù)量設(shè)計為3個，手指間的距離可以根據(jù)不同的果實調(diào)節(jié)。

圖2 機械手末端執(zhí)行器原理圖

圖3 多關(guān)節(jié)機械手指結(jié)構(gòu)

多指采摘機械手的控制系統(tǒng)分為上位機和下位機兩部分：上位機主要負責(zé)手指各個關(guān)節(jié)和多個手指的協(xié)調(diào)工作，包括運動學(xué)計算、軌跡計算和關(guān)節(jié)控制；下位機主要負責(zé)壓力和角度的測量與控制，包括各種傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如圖4所示。上位機和下位機由CAN總線連接，可以有效地提高系統(tǒng)的控制速度和性能，關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖4 多指多關(guān)節(jié)采摘機械手控制系統(tǒng)

圖5 關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)框架

關(guān)節(jié)控制器系統(tǒng)主要是控制關(guān)節(jié)的彎曲驅(qū)動和彎曲力的大小，是機械手控制的基礎(chǔ)構(gòu)件。本設(shè)計的控制器使用的是壓力比例控制閥，并利用壓力反饋信號實現(xiàn)關(guān)節(jié)運動的調(diào)節(jié)。采摘機械手總體的控制電路如圖 6所示。

采摘機械手的總體控制電路可以根據(jù)采摘果實的數(shù)量和形狀進行設(shè)定，通過實驗標定機械手的采摘姿態(tài)、關(guān)節(jié)角度和FPA中的壓力值，通過綜合評估后確定各個關(guān)節(jié)合適的壓力值。在采摘作業(yè)過程中，對FPA中的壓力值進行閉環(huán)控制，通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)壓力值，使其適應(yīng)不同的待采摘果實作業(yè)對象，從而有效地提高采摘質(zhì)量和采摘效率。

2 多指采摘機械手幾何和運動學(xué)模型

多指采摘機械手設(shè)計的關(guān)鍵是多指幾何結(jié)構(gòu)，幾何形狀關(guān)系到手指的運動角度和內(nèi)腔的壓力，幾何形狀的優(yōu)化可以合理地設(shè)計出對果實損失較小的采摘機械手。假設(shè)待采摘果實的結(jié)合方程為

x2+y2=rg2

(1)

其中，rg表示待采摘果實的半徑。假設(shè)機械手關(guān)節(jié)1的轉(zhuǎn)動中心O1的坐標為

(x1,y1)=(a,-rg-Hb)

(2)

其中，Hb表示待采摘果實到底板的距離；a表示關(guān)節(jié)1的長度。關(guān)節(jié)2繞中心O1轉(zhuǎn)動的坐標為

(x2,y2)=(a+L1cosθ1,-rg-Hb+L1sinθ1)

(3)

其中，關(guān)節(jié)L1表示關(guān)節(jié)2的長度；θ1表示關(guān)節(jié)2轉(zhuǎn)過的角度。關(guān)節(jié)3繞中心O3轉(zhuǎn)動的坐標為

(4)

其中，關(guān)節(jié)L2表示關(guān)節(jié)3的長度；θ2表示關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)過的角度，則指節(jié)的幾何方程可以表示為

(5)

綜合以上公式可得，各個指節(jié)和待采摘果實之間接觸點的縱坐標為

(6)

在機械手采摘果實時，手指與目標果實相切的切線斜率，其表達式為

(7)

因此，可得各關(guān)節(jié)彎曲角為

(8)

為了使多指機械手可以抓住果實，需要向果實的接觸點施加壓力，其中接觸點的坐標為

(9)

由于果實采摘作業(yè)時果實較為容易發(fā)生損傷，因此需要各個手指的力保持盡量均勻，使果實的傷害降低到最小。針對果實的抓取模型，建立了如公式(10)所示的優(yōu)化方程。

優(yōu)化變量為

FN(X)=[FN1,FN2,FN3,FN4,FN5,FN6]T

(10)

目標函數(shù)為

(11)

該模型為有約束的線性規(guī)劃模型，可以通過輸入手指的轉(zhuǎn)角和接觸點壓力值，對每個輸出壓力進行優(yōu)化，從而得到均勻分布的采摘抓取力。

3 基于FPA的多指采摘機械手實驗研究

為了驗證FPA多指采摘機械手的可靠性，對機械手進行了實驗測試，包括關(guān)節(jié)的角度變化和關(guān)節(jié)的內(nèi)腔壓力狀況。實驗機械手采用多指三關(guān)節(jié)機械手，其實物如圖7所示。

為了降低機械關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)對果實的傷害，給機械手配置了橡膠套。該機械手的手指關(guān)節(jié)靈活，具有較強的適應(yīng)能力，各項參數(shù)指標如表1所示。

表1 采摘機械手各項參數(shù)指標

對機械手定量分析可以得到待采摘果實的半徑對手指關(guān)節(jié)角的影響，通過對3個手指關(guān)節(jié)的測試，得到了如圖8所示的結(jié)果曲線。

圖8 不同果實半徑下關(guān)節(jié)彎曲角度曲線

由圖8可以看出：隨著待采摘果實目標半徑的增大，機械手抓取關(guān)節(jié)角度有所減小。為了進一步研究待采摘果實半徑和機械手指抓取關(guān)節(jié)的形狀關(guān)系，計算了不同果實半徑下的關(guān)節(jié)內(nèi)腔壓力曲線，如圖9所示。

圖9 不同果實半徑下手指內(nèi)腔的壓力曲線

由圖9可以看出：隨著待采摘果實目標半徑的增大，機械手抓取關(guān)節(jié)手指內(nèi)腔的壓力有所降低，因此在進行手指優(yōu)化時，可以結(jié)合壓力和果實的半徑進行結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化。

4 結(jié)論與討論

為了提高采摘機械手對不同果實的自適應(yīng)能力，使采摘手指具有動作靈活好多自由度等特性，設(shè)計了一種新型的多指多關(guān)節(jié)采摘機械手，并從靜力學(xué)的角度建立了彎曲關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角及輸出力的靜態(tài)模型，對多指和多關(guān)節(jié)的受力進行了多目標優(yōu)化。對采摘機械手的采摘性能進行了實驗研究，結(jié)果表明：隨著待采摘果實目標半徑的增大，機械手抓取關(guān)節(jié)角度有所減小，機械手抓取關(guān)節(jié)手指內(nèi)腔的壓力有所降低。由于時間和篇幅的限制，本研究只進行了初步的手指關(guān)節(jié)角度和內(nèi)腔壓力的測試，從后續(xù)的研究中，將通過大量的實驗來優(yōu)化機械手的尺寸，使其可以在實際生產(chǎn)中應(yīng)用。

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Design for Multi-fingered Picking Manipulator Based on FPA Control System

Shen Yige, Yuan Zhu

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000，China)

In view of the traditional mechanical gripper are holding a single action, less degrees of freedom and general poor shortcomings, a model driven directly by the FPA of multi finger articulated picking manipulator is designed, so as to effectively improve the flexibility of the mechanical hand movements and of different fruit picking the adaptive ability. From the static point of view, the establishment of a joint bending angle and the output force of the static model, and the multi-objective optimization method was proposed to the optimization design of the uniformity of the force on each key, and output force characteristics of three degree of freedom finger was analyzed. The experimental method to establish the manipulator for Apple grasping experiments, experimental results of pressure value and the grasping ability between. The results show that with be picking fruit target radius increases, the manipulator joint angle decreases, manipulator finger joint cavity pressure decreases, is a new type of picking manipulator research provides a theoretical and technical reference for reference.

multi-fingered manipulator; multi-objective optimization; FPA driver; holding capacity; freedom degreeaz

2016-03-10

河南省自然科學(xué)基金項目(2015GZC155)；南陽市科技攻關(guān)(KJGG36)

申一歌(1982-)，女，河南南陽人，講師，碩士研究生。

袁 鑄(1982-)，男，河南南陽人，講師，碩士，(E-mail)yuanzhu1982@hnpi.cn。

S225；TP273

A

1003-188X(2017)05-0249-04