采摘機器人柔性末端執行器抓取策略研究

丁媛媛，金寅德

DING Yuan-yuan1,JIN Yin-de2

（1. 杭州職業技術學院，杭州 310018；2. 浙江省特種設備檢驗研究院，杭州 310000)

0 引言

果蔬采摘是水果生產鏈中最耗時和最費力的一個環節，研究和開發果蔬采摘機器人技術對于解放勞動力、提高勞動生產效率、降低生產成本及保證新鮮果蔬品質具有重要的意義。由于果蔬的外表皮脆弱、形狀及生長狀況復雜，因此末端執行器的設計通常被認為是農業機器人的核心技術之一[1]。

自1983年以來，采摘機器人末端執行器前沿技術和應用技術的研究和開發已經取得很多重要成果[2]，法國、荷蘭和日本等國家相繼立項研究了采摘果蔬、柑橘、番茄、黃瓜、西瓜和葡萄等智能機器人，其末端執行器以吸盤式和多指式為主[3]，我國對農業機器人領域的研究始于20世紀90年代中期，上海交通大學機器人研究所曹其新、劉成良等人完成了智能化聯合收割機樣機的研制；江南大學機械工程學院章軍等提出了基于彈性波殼伸縮的氣動驅動器。盡管我國在果蔬采摘機人末端執行器的理論和實踐研究都取得了顯著進步，但大多數的執行器系統復雜，成本高，通用性差，仍停留在實驗室階段，更難以運用到農業工程實踐之中[4]。同時，由于多指式氣動末端執行器的果實采摘可以歸結為末端執行器手指對具有不同幾何形狀和外表特性的物體抓取問題，不同的果蔬其外表特性各不同，對于橙、柚等外表皮較厚且富彈性的果蔬，夾持力稍大也不致壓傷外表；對于番茄、草莓、茄子等外表皮較薄較脆的果蔬，對末端執行器抓持力的精確控制顯得尤為重要[5]。

為此，本文充分考慮果蔬的基本特性( 大小、形狀、質量)及其力學特性(壓縮性、摩擦性等)，提出了一種新型的采摘機器人氣動柔性末端執行器，通過對氣動彎曲關節的合理設計與配置，可實現不同大小、形狀果蔬的穩固抓?。徊捎秒姎獗壤y控制進出彎曲關節內腔氣體壓力可實現末端執行器輸出力的精確控制，使末端執行器在具有可調輸出力的同時具備一定的柔性，既可實現不同果蔬的充分抓持卻不會傷到果蔬，在農業、服務業機器人等領域具有廣闊的應用前景。

1 彎曲關節數學建模與實驗分析

傳統的采摘機器人末端執行器大多是針對特定的工作目標而設計的，夾持方式有限、缺少靈活性，無法進行精確的力控制，為此，本文提出了一種適用不同果蔬抓取的彎曲關節，它由氣動彎曲結構與剛性誘導結構并聯構成，具有良好剛性與柔性，其原理如圖1所示。將橡膠管制成彎曲結構與剛性雙連桿誘導結構進行一體化設計，形成一個完整的彎曲關節，橡膠管內嵌具有一定強度的螺旋鋼絲，可確保當壓縮氣體經電氣比例閥進入彎曲結構內腔時，彎曲結構只有軸向伸長，不產生徑向變形，對橡膠管的徑向膨脹產生很強的約束作用，從而實現橡膠管彎曲角度與輸出力的精確控制。當壓縮氣體通入彎曲結構內腔時，由于螺旋鋼絲的約束作用橡膠管產生軸向伸長，以兩個連桿的轉軸為中心旋轉一定角度；當釋放氣體時，在橡膠管的彈性力的作用下，橡膠管與誘導結構均恢復到初始狀態，因此當采用多個彎曲結構聯合控制時，通過控制氣體進出彎曲關節的內腔可實現抓緊與松開動作。橡膠套與兩端蓋過盈配合，保護彎曲關節和連桿機構在工作過程中的不受破壞，由于彎曲關節其他配件均為剛性構件，具有良好的剛度，因此，該彎曲關節可較好地模擬人類手指彎曲關節運動。

圖1 彎曲關節原理圖

采摘機器人末端執行器需實現果蔬的平穩、無損傷抓取，要有效避免夾持力過大壓傷果蔬外表或夾持力過小抓取失穩、果蔬掉落的情況發生，應用系統動力學理論對構成末端執行器的關節進行力學特性分析，其受力模型如圖2所示。

圖2 彎曲關節受力模型

1）彎曲關節變形分析

當壓力為P的壓縮氣體充入橡膠管時，橡膠管和剛性誘導機構聯合作用，橡膠管變形伸長，根據胡克定律知變形量為：

其中：FN為彎曲關節橡膠管在有壓氣體作用所受的軸向力；l為橡膠管初始長度，此時剛性連桿2轉動角度a=0。；E為橡膠管彈性模量；A為橡膠管截面面積。

由關節幾何關系知：

橡膠管變形量：

其中： l'為變形后的橡膠管長度；R為橡膠管彎曲后形成的理論圓半徑；a為膠管中心到剛性結構轉軸的距離。

橡膠管截面：

其中：D為橡膠套直徑；d為橡膠管壁厚。

聯立上三式得彎曲關節所受軸向力為：

2）彎曲關節伸長變形下的力學特性分析

此時，橡膠管內壓力為P，管外壓力為大氣壓0P，橡膠管所受軸向力：

聯立上兩式得到彎曲關節內壓力：

由上式可知：當彎曲結構內腔壓力為P時，由于螺旋鋼絲的約束作用橡膠管產生軸向伸長，以連桿轉軸為中心旋轉a角度，a的大小僅與氣壓P、橡膠管的原始材料及原始形狀有關，只需改變輸入的氣體壓力即可改變關節彎曲量，使其符合果蔬的大小、形狀，實現不同外形果蔬的抓取。對橡膠管內壓力P與連桿彎曲角度關系進行仿真與實驗分析，結果如圖3所示。

圖3 彎曲關節轉角分析

從圖3可知，理論分析與實驗結果吻合，通過控制充入彎曲關節壓縮氣體的氣壓可實現關節轉角的精確控制。

3）彎曲關節抓取果實時受力分析

在采摘機器人實際工作過程中，關節彎曲一定角度a后接觸果蔬，此時，剛性雙連桿誘導機構將停止繞轉軸的旋轉運動，關節停止彎曲，此時繼續將氣體輸入彎曲結構內腔，內腔壓力將增加到P+△P（△P為剛性雙連桿誘導結構停止轉動后產生的氣壓增加值），形成關節輸出力F。彎曲關節指尖端蓋所受合力為：

從上式可知，關節輸出力F僅與氣壓增加值△P、橡膠管與彎曲關節原始形狀有關，通過對關節停止彎曲后關節氣壓增加值△P的控制，即可實現關節作用在果蔬上力的精確控制，只需根據水果的力學特性選擇適當的△P即可避免果蔬損傷。

仿真分析剛性雙連桿誘導結構停止轉動后產生的氣壓增加值Δp與作用于果蔬力的力F如圖4所示。

圖4 彎曲關節輸出力分析

從理論分析與實驗分析可知，輸出力均隨著關節內氣壓增加值△P的增大而增大，通過控制△P可實現不同的輸出力以適應不同力學特性的果蔬的抓取，與理論分析一致。

2 末端執行器抓取策略分析

為使采摘機器人的末端操作器能像人手一樣對不同形狀和不同性質的物體具有抓、握、夾和拿等功能，有較好的靈活性與廣泛的適應性，本文將三個新型彎曲關節以一定的角度關系進行圓周配置，依靠指尖與物體之間的摩擦力克服物體重力實現抓取，其結構如圖5所示。

圖5 末端執行器結構圖

本文以抓取球狀果蔬為例，其受力如圖6所示。

圖6 球狀果蔬受力模型

由末端執行器原理可知，三個彎曲關節作用在果蔬上的正壓力F將在果蔬的表面產生向上的摩擦力，該摩擦力可與果蔬重力平衡可實現果蔬的有效抓起，由于末端執行器三指由同一臺空氣壓縮機供氣，即 F1=F2=F3=F。不同的果蔬其力學特性各異，所能承受的最大壓力也各不相同，其值可由實驗確定。在采摘作業過程中，為避免對果蔬的壓縮損傷，只需控制氣壓增加值△P即可控制F在適當范圍內，保證果蔬表皮組織的完好。

由上式可知，當末端執行器配置完成后，通過控制橡膠管內腔壓力可實現不同重量果蔬的抓取；采摘質量較大的果蔬時，可適當增大末端執行器右端兩個關節的配置b，以減小輸入的氣壓差△P，防止關節輸出力F過大引起果蔬損傷，提高末端執行器的抓取能力。

根據上述分析，搭建實驗平臺，通過調節電氣比例閥的輸入電壓來調整氣壓輸出，得到末端執行器輸出力隨橡膠管內腔壓力變化曲線如圖7所示，末端執行器實際輸出力在仿真結果吻合良好，末端執行器在控制好輸入氣壓的前提下，不會對果蔬造成損傷，與理論分析一致。

3 結論

本文提出的采摘機器人末端執行器在氣動柔性彎曲關節的基礎上引入剛向誘導結構大大加強了關節的側向剛度，使末端執行器具有較高的通用性，結果表明：通過對三指末端執行器的合理設計可實現不同種類果蔬的平穩抓??；通過控制彎曲關節的氣體壓力可實現末端執行器輸出力的精確控制，避免在采摘作業中損傷果蔬。

圖7 末端執行器抓取能力分析

[1] Ceres R,Pons J L,Jiménez A R,et a1. Design and imp1ementation of an aided fruit-harvesting robot (Agribot)[J].Industria1 robot,1998,5(5)∶337-346.

[2] 趙勻,武傳宇,胡旭東,等.農業機器人的研究進展及存在的問題[J].農業工程學報,2003,19(1)∶20-24.

[3] Ca1dwe11 D G,MedranoCerda G A,Goodwin M J. Contro1 of Pneumatic Musc1e Actuators [J].IEEE Contro1 Systems Magazine,1995,15(1)∶40-48.

[4] 徐麗明,張鐵中.果蔬果實收獲機器人的研究現狀及關鍵問題和對策[J].農業工程學報.2004,20(5)∶38-42.

[5] Mohsenin N N.Physica1 properties of p1ant and anima1 materia1. 2nded. New York∶Gordon and Breach Science Pub[J].1986.154-169.