果蔬采摘欠驅動靈巧機械手的設計

楊婕， 趙曉棟，2， 宋申祥 ， 張兆德 ，2

（1.浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山316022；2.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江舟山316022）

0 引言

果蔬采摘機器人的研究在國外已經有40多年的歷史，日本和歐美等發達國家相繼研究用于采摘番茄、黃瓜、蘋果、蘑菇等果蔬的智能機器人［1-6］。對于外表皮較薄較脆的果蔬，對手爪抓持力的控制要求很高，同時要求夾持系統需要具有一定柔性，可以補償部分力控制產生的誤差，避免夾持力過大壓傷外表或夾持力過小抓取失穩而造成果蔬掉落。欠驅動靈巧機械手是一種理想的方案，其結構緊湊，重量輕，控制簡化，抓取可靠［7］，并能很好地貼合各種球狀水果外形。

通常一般機構正常工作的條件是驅動器數目等于機構本身自由度，即所謂的全驅動方式，如常見的6自由度工業機器人都具有6個驅動器。當機構的驅動器數目少于機構本身自由度數目，可依靠機構自身的動力約束條件來正常工作［8］，這類機構稱之為欠驅動機構。在欠驅動方式下，機械手爪上可以只安裝1個驅動器，依靠彈簧和機械限位裝置來實現機構正常工作所需的動力約束條件，即1個驅動器可以驅動手指上每個關節的運動。欠驅動機械手的原理［9］（如圖1所示）采用曲柄連桿方式，與滑輪和凸輪方式相比，在傳動過程中損失能量較小，產生的力更大，運用范圍更廣。

圖1 欠驅動機械手的工作原理

與全驅動多指手爪相比，欠驅動機械手具有驅動器數目少、成本低、控制簡單、可靠性高的特點，由于欠驅動機械手手指機構中存在作為動力約束的彈簧或扭簧，使機械手本身具有一定的柔性，可實現無損采摘。本文利用欠驅動機構設計了一種果蔬采摘欠驅動靈巧機械手（以蘋果采摘為例），采用1個電動機驅動三根手指，靈活性高、結構簡單。

1 采摘對象物理特性分析

該欠驅動靈巧手采摘對象選取直徑為60～95 mm，高度為50～85 mm的蘋果為例。根據文獻［10］，采用果實硬度計測定我國典型品種蘋果的不同果實部位的果肉硬度的試驗得知，蘋果的硬度一般為100 N/cm2，因此當果實表面受壓小于20 N時不會遭到破壞，而其果肉細胞在小于100 N的壓力時也不會遭到破壞。

2 欠驅動機械手的結構和工作原理

該欠驅動機械手由手指、支架、滾珠絲杠、曲柄搖桿機構和直流伺服電動機構成。共有6個自由度，采用1個電動機同時驅動3根手指。整體機構采用硬質鋁合金，既保持了鋁本身較輕的特性，也保證了較好的機械性能。結構和尺寸如圖2、圖 3所示。

圖3 欠驅動機械手的三維造型圖

其工作原理如下：電動機正轉時，滾珠絲杠旋轉，帶動與絲杠螺母相連的支架上升，并驅動3個手指的曲柄和連桿上升，在彈簧的作用下，推動手指下關節和上關節使3個手指收攏，抓取水果。當手指的壓力達到壓力傳感器設計的壓力閥值時，電動機停止轉動，依靠手腕關節的旋轉，完成蘋果的摘取，如圖4（a）和圖4（b）所示。當機械手臂運動到包裝箱處，電動機反轉，帶動聯接在滾珠絲杠上的螺母下降，從而使支架下降，手指張開，松開水果后，電動機停止轉動，如圖4（c），完成一次水果的采摘和放置動作。

圖4 欠驅動機械手采摘模擬過程

3 欠驅動機械手主要部件和機構設計

3.1 指端結構的設計

在手指的數量選擇方面，可以模仿人類手指設計，利用5指可以完成所有動作，但并不是手指數量越多，精度和可靠性就會越高：因為手指數量增加，需要的傳感器就會增加，傳動結構和控制系統就越復雜，在實際應用中的可靠性和精度就會降低。對于抓取蘋果這類球型水果，3根手指即能保證平穩抓取，其余手指只是起到輔助作用，因此設計中選擇3指。3根手指以120°夾角均勻安裝在支架上，通過軸與上板相連接。每根手指分上下兩段指節，尺寸為34 mm和60 mm，完全能夠包絡尺寸較大的水果，完成采摘動作。與3指節的欠驅動機械手爪［9］相比性能上各有優勢，而其結構簡單、成本低的特點更能適合農業采摘自動化的應用發展。

水果汁液一般為弱酸性，因此手指材料采用尼龍。相比金屬材料和聚酯材料，尼龍具有較好的綜合力學性能和耐磨損性、耐腐蝕性。

為了在水果受到壓力時保護表皮不受破壞，手指指面和下指節內側均覆蓋一層硅膠，內嵌壓力傳感器。在壓力達到閥值時，控制系統會發出信號，電機停止轉動。手爪指端結構如圖5所示。

圖5 指端結構圖

3.2 傳動機構的設計

傳動機構以支架為主體，利用絲杠螺母副和曲柄搖桿機構傳遞力和運動。

滾珠絲杠傳動精度高，摩擦力小，使用壽命長，且具有自鎖功能。在電動機停止轉動后，中板在絲杠的自鎖作用下停止運動，手爪會保持抓住水果的姿態不變。中板與螺母使用螺栓連接，與絲杠組成一個由旋轉運動轉變為直線升降運動的運動副。支架上下板采用3根支撐桿固定，并起到導向作用，使中板沿支撐桿上下運動。

為了使曲柄搖桿機構順暢運動，在連接軸上安裝了37系列內徑為4 mm的深溝球軸承，用以承受徑向載荷，減小動摩擦力。

為了實現1個驅動力產生2個自由度的效果，在連桿和搖桿之間安裝扭簧。當手指下指節接觸到蘋果時，受到蘋果的反作用力，而無法繼續運動；連桿2在下方曲柄的推動下繼續運動，此時扭簧被壓縮，連桿2繼續驅動與上指節相連的連桿1運動，上指節在下指節和連桿2的共同作用下運動，并抓住蘋果；當手指上的壓力達到所設計的閾值時，控制系統發出信號，電動機停止轉動。

圖6 驅動機構結構圖

圖7 傳動機構的受力分析圖

圖8 驅動機構受力分析圖

3.3 驅動機構的設計

由于水果表皮受壓過大后容易受損，在選擇電動機時需要考慮到其驅動力和控制精度兩方面因素。對于小型的機械手爪而言，選擇直流伺服電動機較為合適。這種電動機轉動慣量小、動態特性好，控制精度高。調節電動機的控制電壓可調速，操作簡便。驅動機構的結構如圖6所示。

假設夾取的蘋果高為55mm，直徑為79mm；蘋果受到20 N的臨界壓力時表皮被破壞，取臨界壓力的85%為安全壓力 F，則 F=15 N；手爪的夾取力為N，各桿受力分別為 F1、F2、F3、F4，曲柄連桿機構受力分析如圖7。N、F1、F2、F3的力臂分別為 L1、L2、L3、L4。

根據力矩平衡條件可知，NL1=F1L2，F1=15×14.17÷5.67=37.5 N。

連桿1和曲柄均為二力桿，則 F1=F2，F3=F4，F3L4=F2L3，F3=37.5×35÷11.6=113.1 N=F4。

滾珠絲杠受到電動機向上的驅動力F5和曲柄通過支架中板的反作用力F4，其簡化的受力模型分析如圖8所示，可得

絲杠導程為L0=0.2 cm，本設計中選擇的絲杠均為單頭，導程即為螺距。

因此電動機上的負載轉矩為

考慮實際工作中的安全系數K，設K=2，則T=Tm·K=3.95×2=7.9 N·cm。

根據計算所得的電動機實際負載轉矩值Tm，可選取Maxon Re13微型直流伺服電機，電壓為12 V，輸出功率為2.8 W，空載轉速為13 500 r/mmin，帶1∶68減速器，最終輸出轉速為195 r/min。

4結語

本文通過對欠驅動原理的研究分析，設計并研制了一種果蔬采摘欠驅動機械手。該欠驅動機械手爪由手指、支架、滾珠絲杠、曲柄搖桿機構和直流伺服電動機構成，整體機構采用硬質鋁合金，指端結構采用尼龍和硅膠材料制成。該機共有6個自由度，采用一個微型直流伺服電機同時驅動3根手指、6個指節，可以實現對果實的包絡抓取，并具有控制簡單可靠、抓取穩定、不損傷果實等特點。其靈活性高、結構簡單、體積小、成本低，能夠適應農業采摘自動化技術的推廣。

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