王宜磊 - 陳 霖 易柳舟 - 魏 鑫 唐 建

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

隨著科技的發(fā)展，機械采摘方面也在不斷發(fā)展，水果采摘機械手也在廣泛使用中，不同果蔬的生長特點和采摘要求不同，采摘的方式也不同，在末端執(zhí)行機構(gòu)上也存在差異[1-3]?，F(xiàn)階段獼猴桃多采用棚架式結(jié)構(gòu)栽培，生長環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，果實垂直于藤蔓上面，底部空間較大，不受枝干、樹葉、果實等干擾，有利于采摘動作的實施[4-5]。采摘末端執(zhí)行器從果實兩側(cè)抓取，左右翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)果柄分離，但是并沒有利用好下方空間，也沒有考慮對相鄰果實的影響；劉繼展等[6]對番茄果柄折斷特性進行了研究，為果實采摘提供了依據(jù)；凌行方[7]研究的“一種果品采摘機械手”采用鉗刀剪切進行果實摘取，但存在實際操作困難，刀片容易損傷果實表皮的問題。從目前對獼猴桃采摘機器人的研究來看，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，這種方式需要對切斷點進行精準(zhǔn)的定位，同時機械手腕還需要有足夠靈活的自由度進行調(diào)節(jié)，該方法能夠提高采摘的效率，但采摘風(fēng)險大，控制不精準(zhǔn)；② 利用機械手的連桿機構(gòu)控制機械手旋轉(zhuǎn)，通過扭力實現(xiàn)果柄分離，避免了剪切時錯位對果實的影響，機械式結(jié)構(gòu)控制簡單。

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

1 獼猴桃采摘機械手末端執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

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

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

設(shè)計的獼猴桃采摘機械手末端執(zhí)行機構(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)動電機等組成，見圖1。

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

圖1 獼猴桃采摘機械手末端執(zhí)行機構(gòu)

Figure 1 Kiwi fruit Picking manipulator Terminal actuator

獼猴桃機械采摘末端執(zhí)行機構(gòu)的夾持裝置設(shè)計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。夾取裝置的運動主要通過絲杠電機提供動力，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，電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)耳片的上下運動，實現(xiàn)手指的張開與收緊。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，同時手指的內(nèi)側(cè)貼有壓力傳感器，當(dāng)壓力達到預(yù)設(shè)值時電機停止工作，以防止抓取壓力過大壓傷果實。

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

1. 電機殼 2. 采摘手部分旋轉(zhuǎn)用電機圖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)動手指的電機嵌入一殼體中，與此構(gòu)成一個整體，再通過伺服電機帶動殼體旋轉(zhuǎn)，從而帶動夾持裝置整體旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)獼猴桃果實與果柄相對轉(zhuǎn)動，使果柄分離。其次，末端執(zhí)行機構(gòu)變的較細長，整體結(jié)構(gòu)的最大寬度為9.75 cm，更好地適應(yīng)了獼猴桃果實生長密集特性下的采摘。

1.3 獼猴桃采摘機械手末端執(zhí)行機構(gòu)工作原理

獼猴桃采摘機械手末端執(zhí)行機構(gòu)采摘流程見圖3。工作時，通過采摘手末端的圖像識別技術(shù)確定獼猴桃果實所在位置，絲杠電機7通過旋轉(zhuǎn)使連接件6做上下運動，從而驅(qū)動采摘手指1的張開，接觸獼猴桃果實后絲杠電機開始反向旋轉(zhuǎn)，手指開始夾緊果實。為了實現(xiàn)獼猴桃果實采摘過程中減少磨損，在4個手指的內(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的壓力，避免獼猴桃在采摘過程中對其外表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成刮傷和夾傷，當(dāng)夾取壓力達到設(shè)定的壓力值時電機停止運轉(zhuǎn)，不再繼續(xù)夾緊果實。此時旋轉(zhuǎn)電機8開始運轉(zhuǎn)，電機7安裝在電機殼3中，旋轉(zhuǎn)電機帶動整個夾持裝置做旋轉(zhuǎn)運動，電機8旋轉(zhuǎn)一定角度后果柄已基本分離，再由機械臂向下拉扯，從而實現(xiàn)采摘的徹底性。

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

2 獼猴桃采摘機械手末端執(zhí)行機構(gòu)的運動分析

2.1 末端執(zhí)行機構(gòu)運動的理論分析

獼猴桃采摘機械手末端執(zhí)行機構(gòu)四指的運動依靠絲杠電機轉(zhuǎn)動帶動連接件6上下運動，從而實現(xiàn)四指的運動，機械手指中的各桿件繞著各鉸接點做不完整圓周運動。末端執(zhí)行機構(gòu)手指內(nèi)表面貼附壓力傳感器，保證抓取時有足夠的抓取力，在抓取和扭轉(zhuǎn)時不至于產(chǎn)生滑動摩擦，而且壓力小于果實破壞時最小壓力，若沒有這個條件將很難保證獼猴桃果實采摘時的精度。

2.2 建立動力學(xué)方程

為了確保抓取采摘的準(zhǔn)確性必須建立動力學(xué)方程。

(1) 桿件4驅(qū)動力的計算：

F4=Fsinα3cosα2，

(1)

式中：

F4——桿件4驅(qū)動力，N；

F——絲杠電機提供的驅(qū)動力，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)動力的計算：

(2)

式中：

F3——桿件3驅(qū)動力，N；

l3——桿件3的長度，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)動力的計算：

F2=F3cosα1，

(3)

式中：

F2——桿件2驅(qū)動力，N；

α1——桿件3與水平方向的夾角，(°)；

F3——桿件3驅(qū)動力，N。

(4) 桿件1驅(qū)動力的計算：

F1=F2cosα4，

(4)

式中：

F1——桿件1驅(qū)動力，N；

α4——桿件2與桿件1垂直方向的夾角，(°)；

F2——桿件2驅(qū)動力，N。

(5) 機械手指指尖驅(qū)動力的計算：

(5)

式中：

F0——機械手指指尖驅(qū)動力，N；

v0——機械手指的指尖速度，m/s；

m0——機械手指部分的質(zhì)量，kg；

l0——機械手指指尖到旋轉(zhuǎn)軌跡中心的距離，m。

利用Auto CAD繪制出獼猴桃采摘機械手末端執(zhí)行機構(gòu)簡化圖，見圖4。

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

2.3 運動軌跡的分析

利用Creo 3.0繪制出采摘機械手末端執(zhí)行機構(gòu)，并利用Creo 3.0對所繪制的三維圖形進行運動軌跡的分析，得到手指指尖的運動軌跡，見圖5。

由指尖的運動軌跡計算可得末端執(zhí)行機構(gòu)抓取手指的可抓取范圍為45.2～73.3 mm，滿足獼猴桃果實規(guī)格大小的范圍。

1. 指尖運動軌跡圖5 指尖的運動軌跡Figure 5 The trajectory of the fingertips

初定手指的運動速度為10 mm/s，得到位移和速度的圖像，見圖6。

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

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

普通獼猴桃的單果質(zhì)量在80～100 g，手指的加載力為7 N，對果實進行抓取受力模擬仿真分析，結(jié)果見圖7。

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

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

4 結(jié)論

本研究設(shè)計的一種針對獼猴桃采摘的末端執(zhí)行機構(gòu)采用四指抓取減少了夾取過程中果實側(cè)漏、滑落的情況，通過在機械手指的內(nèi)表面貼附壓力傳感器，減少了果實在采摘過程中的磨損。對機械結(jié)構(gòu)的簡化，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)使得果柄與果實的連接處出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形而松動，加之向下拉扯力的作用使果柄與果實分離，從而有效地實現(xiàn)了獼猴桃采摘的徹底性，也為其他水果的機械采摘提供了參考依據(jù)。本設(shè)計仍存在一些不足之處，由于獼猴桃為藤蔓植物，在設(shè)計時沒有考慮到果實在采摘時的柔性變形，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問題。

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