球形水果采摘末端執行器設計與仿真

時 光，李國利，陳 健，劉 登，張愷鈺

（金陵科技學院 機電工程學院，江蘇 南京 211169）

球形水果采摘末端執行器設計與仿真

時 光，李國利，陳 健，劉 登，張愷鈺

（金陵科技學院 機電工程學院，江蘇 南京 211169）

末端執行器的工作直接關系到采摘機器人整個采摘作業能否準確、高效。設計了一種能夠完成多種球狀果實采摘的機器人末端執行器。該末端執行器采摘作業時無需檢測與果實的接觸力，采用單個電機可實現整個采摘控制。采用SolidWorks軟件設計了末端執行器整體結構，并應用Adams構建虛擬樣機進行運動仿真，驗證了方案的可行性。該末端執行器結構簡單、制作成本低，適合多種球狀果實采摘。

末端執行器；球形水果；設計；虛擬樣機

果實采摘是果蔬生產過程的重要環節。末端執行器是安裝于采摘機器人機械手臂前端進行采摘作業的關鍵部件。因此采摘機器人末端執行器的設計非常重要。國內外學者針對采摘機器人末端執行器做了大量研究工作，設計了多種水果采摘機器人末端執行器。

根據分離果樹與果實的方式，目前大部分末端執行器大體分為兩類：第一類，強行拉斷果梗來實現果實與果樹的分離；第二類，先用夾具加緊果實，再通過剪刀、鋸條、高壓水槍、激光等工具切斷果梗，從而將水果從果樹上采摘下來。對于第一類采摘末端，容易拉斷其他枝條，對果樹的傷害較大。而第二類采摘執行末端也存在較多缺點：其一，執行器在切斷果梗之前，要先用夾具夾住果實，夾具的力很難控制，過小會導致果實的脫落，過大則會損壞水果；其二要準確抓取果實，這對機器人視覺系統以及機械手的控制要求較高，微小的誤差都會導致采摘的失敗。文章提出了一種球形水果采摘末端執行器，該末端執行器采摘過程中不需要接觸果實果皮部分，可吸收部分視覺與控制方面的誤差，采用單電機控制。通過Adams構建虛擬樣機驗證了方案的可行性。

1 末端執行器結構設計

末端執行器的機械結構主要由伸縮機構、切割機構、回收機構和傳感器四個部分組成，總體機械結構如圖1所示。圖2為末端執行器剖視圖。

圖1 末端執行器結構圖

圖2 末端執行器剖視圖

1.1 伸縮機構

末端執行器的伸縮機構是通過曲柄滑塊機構來實現的，其中曲軸、連桿2、連桿3、執行器主體和法蘭構成曲柄滑塊機構，曲軸和連桿2固結、連桿2和連桿3構成轉動副，執行器主體和法蘭之間構成移動副。曲軸與電機轉子通過聯軸器連接，電機轉子轉一圈，該機構實現一次伸縮動作。伸縮機構用來實現擺桿和執行器主體上刀片的同時動作，減輕采摘過程對果實的影響，同時補償機械臂的運動誤差，進而提高采摘成功率。

1.2 切割機構

末端執行器切割機構用來分離果實與枝干，如圖3所示，由固定在執行器主體上的刀片與曲軸、連桿1及擺桿組成。其中曲軸與連桿1及連桿1與擺桿之間通過鉸鏈連接，擺桿的末端同樣通過鉸鏈連接在執行器主體上。這樣擺桿、連桿1、曲軸和執行器主體構成曲柄搖桿機構。曲軸與電機軸相連，電機軸的轉動可以轉化為擺桿的擺動，與固定在執行器主體上的刀片相配合，可實現剪短果梗的功能。該機構還具有急回特性，大大縮短了切割時間，提高機構的切割效率。且擺桿做成圓弧狀，防止工作時果實脫落。伸縮機構與切割機構由同一電機控制。刀片位于果實容器的正上方，這樣剪斷果梗的同時，果實也落入果實容器中。

圖3 切割機構結構圖

1.3 回收機構

末端執行器回收機構用來存放果實，是一個沒有底面圓柱體容器，在圓柱體的下底面有一個可繞一軸線旋轉的擋板，這樣可控制容器的開合。它主要實現果實的臨時存放與回收。當執行采摘操作時，擋板擋住圓柱體的下底面，果實可以盛放在果實容器中。當采摘完成，準備回收果實的時候，擋板打開，果實與執行器末端分離。切割機構的刀片與回收機構相對位置固定，避免切割操作前割斷果梗而導致采摘失敗。

1.4 傳感器系統

末端執行器的傳感器為一個超聲波發射與接收裝置。首先通過雙目視覺的分析，主機械臂將末端執行器帶到離目標果實合適的地方。這時，傳感器開始工作，它發射并接受返回超聲波，一方面通過CPU提取超聲回波信號幅值實現果實與果樹枝葉的識別，另方面通過檢測超聲波發射與接收的時間差進行目標果實測距。確定目標果實的精確位置。從而達到提高機械部分運動精度和提高采摘成功率的目的。

2 Adams仿真與可行性分析

為了進一步說明本末端執行器的采摘動作原理和論證結構方案的合理性，文章利用虛擬樣機軟件ADAMS構建了末端執行器虛擬樣機，對其采摘作業過程進行了仿真。首先通過SolidWorks三維繪圖軟件畫出末端執行器的裝配圖，在將配圖導入到ADAMS中，在ADAMS中添加各個運動副和設定電機的轉速，如圖4所示。該末端執行器采摘步驟為：（1）機械臂帶著執行器一起運動到離目標果實適當位置處；（2）電機轉動，帶動擺桿緩慢旋轉，同時執行器主體向目標果實靠攏。（3）當果實靠近刀片時，擺桿繼續旋轉，剪短果梗。（4）剪短果梗后，電機繼續旋轉，帶動執行器主體和擺桿回到初始位置。仿真實驗中，電機轉速設為30r/min，采摘仿真時間為2s、步數為2000、重力加速度為9.8N/m。在擺桿和刀片上分別添加點“MARKER_one”和“MARKER_knife”。利用Adams的Post-Processor模塊仿真這兩個MARKER點的位移，得到兩個MARKER點位移如圖5所示。

圖4 Adams仿真界面

圖5 末端執行器運動仿真曲線

3 結語

文章設計了一種適于球形果實采摘的采摘機器人末端執行器，并通過建立虛擬樣機進行了仿真分析，檢驗了末端執行器機構運動的平穩性與可靠性。所設計的末端執行器結構與控制方式簡單，采摘作業速度較高，能較好地吸收機器人視覺與機械臂的控制誤差。通用性好，可以滿足不同類型球形水果的采摘的要求。

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Structural Design and Simulation of the End-effector for Spherical fruit Picking

SHI Guang,LI Guo-li,CHEN Jian,LIU Deng,ZHANG Kai-yu
(School of Mechanical and Electronic Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing，Jiangsu 211169，China)

The work of end-effector is closely related to whether the picking operation of the picking robot is accurate and efficient.An end-effector which is suitable for spherical fruit is designed.The end-effector is controlled by a single motor and there is no need to test the contact force on the fruit.The structure of end-effector was designed with the SolidWorks and the virtual prototype was established by Adams to simulate the movement and v the feasibility of the solution was verified.The structure of end-effector is simple and its cost is low,it is suitable for the picking of a variety of spherical fruits.

End-effector;Spherical fruit;design;virtual prototype

TP242

A

2095-980X（2015）02-0030-02

2015-01-17

2014江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃重點項目（201413573007Z）。

時光（1994-），男，江蘇淮安人，大學本科，主要專業方向：機電一體化。

李國利（1973-），男，山東濱州人，碩士，副教授，研究方向為：農業機器人，智能化檢測技術。