類球果蔬采摘末端執(zhí)行器設(shè)計及分析

付 舜，王 毅,2

（1. 重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 400054；2. 重慶大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 400044）

類球果蔬采摘末端執(zhí)行器設(shè)計及分析

付 舜1，王 毅1,2

（1. 重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 400054；2. 重慶大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 400044）

根據(jù)一般類球果蔬采摘特點，設(shè)計了一種基于改進對稱雙搖桿機構(gòu)的類球果蔬采摘末端執(zhí)行器。在ADAMS中建立其虛擬樣機，并對其受力關(guān)鍵部位作柔性體處理，得到其運動評估參數(shù)的變化曲線，得出該執(zhí)行器機構(gòu)運動特性，可知該執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、運動關(guān)系簡易，具有良好的可靠性保證。

類球果蔬；采摘末端執(zhí)行器；機構(gòu)設(shè)計；ADAMS仿真分析

我國是果蔬產(chǎn)業(yè)大國，從 1994 年開始，我國果蔬產(chǎn)量開始躍居世界首位，并一直穩(wěn)步增長。果蔬產(chǎn)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，其中僅以果蔬產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)的罐頭食品，出口量約占全球市場的六分之一[1-2]。然而果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最耗時耗力的部分，人工收獲的成本在果蔬的整個生產(chǎn)成本中所占的比例高達33%～50%[3]。因此，在果蔬收獲中采用機器人作業(yè)，實現(xiàn)果蔬收獲的自動化和智能化，對于解放生產(chǎn)力、提高勞動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本等具有重要意義[4-7]。

作為采摘機器人的重要組成，末端執(zhí)行器的通用性與系統(tǒng)成本、使用成本之間的矛盾是制約采摘機器人未來發(fā)展與應(yīng)用推廣的關(guān)鍵難題[8]。末端執(zhí)行器作為采摘的最終執(zhí)行機構(gòu)，通用性與實用性是其設(shè)計核心指標(biāo)之一[9]。目前，果蔬采摘末端執(zhí)行器一般是對特定果實設(shè)計專用執(zhí)行器[4,7,10-11]。國外如日本、美國、荷蘭等國研發(fā)了針對各類果蔬采摘的末端執(zhí)行器，然而由于作業(yè)對象易損壞、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜性等特點，其采摘成功率和采摘效率都很低，且本體可移植性和輕便性差[5,10]。我國類似研究起步較晚，近年來已針對獼猴桃、番茄、蘋果和柑橘等特定目標(biāo)研制了相對應(yīng)的采摘執(zhí)行器，然而這類執(zhí)行器采摘步驟復(fù)雜，欠缺通用性與實用性[11-12]，這是采摘機器人效率難以提高的重要原因，也是制約采摘機器人未來發(fā)展與應(yīng)用推廣的瓶頸[4-6]。因此，筆者針對一般類球果蔬生長特性，提出一種咬合式果蔬采摘末端執(zhí)行器，該咬合機構(gòu)相對簡單實用，且能避免機器人收獲果實后的放置動作，能提高末端執(zhí)行器的通用性和靈活性。通過三維軟件對末端執(zhí)行器進行實體建模，并在ADAMS中建立末端執(zhí)行器的剛?cè)狁詈夏Ｐ停治瞿Ｐ透鬟\動部件的力學(xué)關(guān)系曲線，為模型改進提供依據(jù)。最后通過對末端執(zhí)行器物理樣機的分析，驗證該新型執(zhí)行機構(gòu)的適用性。

1 末端執(zhí)行器設(shè)計與模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)組成及采摘流程

根據(jù)類球果蔬的生長特性搭建其采摘機器人的系統(tǒng)組成，采摘末端執(zhí)行器附于關(guān)節(jié)型機械臂之上[14]。它主要由上下弧形刀片組成的咬合式切割機構(gòu)、主體支撐架、隨動支撐板、傳動推桿等部分組成，使用SOLIDWORKS 三維建模對末端執(zhí)行器進行建模，如圖1所示。

末端執(zhí)行器工作前，首先由機器人本體上的視覺定位系統(tǒng)定位目標(biāo)果蔬的空間位置，再由機械臂帶動末端執(zhí)行器運動到預(yù)定采摘位置處。采摘時，由固定在機械臂末端處的左右2個氣缸分別驅(qū)動左右推桿作直線伸縮運動，通過傳動桿帶動執(zhí)行器上下顎作咬合運動，從而實現(xiàn)果柄支桿的切斷分離。這種設(shè)計可以方便地在下顎支架與主架間安裝果蔬柔性通道，使采摘動作完成后果蔬通過該通道滑向存儲器皿，從而避免了機器人采摘完成后的放置步驟。末端執(zhí)行器采摘流程圖如圖2。

圖1 類球果蔬采摘末端執(zhí)行器模型（1：上顎支架；2：上顎刀片；3：主架；4：下顎刀片；5：下顎支架；6：傳動連桿；7：支撐長桿；8：動力推桿；9：隨動支撐鈑金；10：基座。）

圖2 末端執(zhí)行器采摘流程圖

1.2 末端執(zhí)行機構(gòu)工作原理

1.2.1 末端執(zhí)行器機構(gòu)自由度分析 根據(jù)機械原理相關(guān)知識，該搖桿機構(gòu)活動構(gòu)件數(shù) n=7，低副數(shù) P=10，自由度 F=3×7-2×10=1，即該機構(gòu)有 1 個自由度。

末端執(zhí)行器運動極限位置如圖3所示，其中A-B’-C’-D’為咬合起始位置，A-B-C-D 為執(zhí)行機構(gòu)咬合最終位置。

1.2.2 機構(gòu)桿件受力分析 假設(shè)構(gòu)件為剛體，則各點力的傳動情況如圖4。

執(zhí)行器機構(gòu)為對稱機構(gòu)，以機構(gòu)一半進行分析，

圖3 末端執(zhí)行機構(gòu)示意圖

圖4 末端執(zhí)行機構(gòu)受力分析

假設(shè)氣缸輸入機構(gòu)的力恒為F，對于末端執(zhí)行器機構(gòu)，其可視為剛體分析，則對于機構(gòu)各鉸接點，

在荒野悟道之后，他信心滿懷地走上回歸人群的征途。然而，幾個月前，那條母性悠揚、將克里斯溫柔渡過對岸的大河，如今卻變得面目猙獰，波濤洶涌，阻斷了歸途。阿拉斯加的冬天來得特別早，克里斯很快就找不到食物了，饑餓之下，他四處搜尋植物，結(jié)果誤食了野土豆，身中劇毒。

C 點 ：CE為 只 受 兩 個 力 的 傳 動 桿 支 桿， 故FC=FE，其中 ：

A點：沿平行于桿的方向

如上分析，在運動過程中，機構(gòu)傳動角逐漸增大，執(zhí)行機構(gòu)桿件AB的速度與加速度逐漸增大，利用幾何圖形法對機構(gòu)尺寸進行優(yōu)化，得到 AB=35 mm，BC=40 mm，BD=150 mm，CE=100 mm，同時對機構(gòu)的極限點進行形態(tài)分析如圖3所示，機構(gòu)運動所取氣缸行程經(jīng)圓整后 X=60 mm。

1.3 基于 ADAMS 的執(zhí)行器力學(xué)模型建立

為了優(yōu)化末端執(zhí)行器的設(shè)計和分析其運動情況，將 SOLIDWORKS 所建模型導(dǎo)入 ADAMS，得到果蔬采摘末端執(zhí)行器的虛擬樣機。ADAMS是目前應(yīng)用最廣泛的機械系統(tǒng)仿真軟件，通過其可以進行可視化的模擬仿真，能方便準(zhǔn)確地模擬執(zhí)行器運動及受力情況[15]。根據(jù)機械原理相關(guān)知識[16]，冗余約束只增強機構(gòu)的穩(wěn)定性，對機構(gòu)運動關(guān)系無影響。在ADAMS中將系統(tǒng)冗余約束處理后，進行仿真計算可知，末端執(zhí)行器相關(guān)機構(gòu)運動無干涉，能達到設(shè)計要求。

對該末端執(zhí)行器構(gòu)型分析，因為執(zhí)行器機構(gòu)為對稱機構(gòu)且為左右冗余機構(gòu)，ADAMS將自動消除冗余機構(gòu)部分，故以其模型分析結(jié)果失真率較大。將模型受力較大部分進行柔性化，不僅能消除冗余機構(gòu)帶來的不利影響，而且將容易受力變形的部件的內(nèi)部應(yīng)力及變形計入分析中，使分析結(jié)果更加具有參考性[17]。

上下顎弧座與安裝座為焊接連接，考慮到實體材料屬性及內(nèi)部力學(xué)性能，將安裝座作為柔性體考慮，再進行力學(xué)分析。利用 ADAMSViewFlex 生成模態(tài)中性文件 MNF（Modal Neutral File）， 將柔性體導(dǎo)入替換模型相關(guān)原剛性構(gòu)件。同理，將傳動機構(gòu)的受力較集中易變形的二力傳動桿柔性化，最后得到的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D5。

圖5 末端執(zhí)行器剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚1：上顎支架（部分柔性化）；2：上顎刀片；3：主架；4：下顎刀片；5：下顎支架（部分柔性化）；6：傳動連桿（柔性體）；7：支撐長桿；8：動力推桿；9：支撐鈑金；10：基座。]

2 仿真后處理分析

建立好剛?cè)狁詈夏Ｐ秃螅O(shè)置好相關(guān)參數(shù)，在ADAMS下對此機構(gòu)進行動力學(xué)分析，通過數(shù)據(jù)曲線來分析機構(gòu)的運動性能。以柑橘為收獲對象，經(jīng)大量實驗，可以認為在切割柑橘果柄時采用至少 88.93 N的切割力可以達到切割不同柑橘果柄的效果[17]。因此，在機構(gòu)仿真驗證中，設(shè)置左右兩端氣缸輸入推桿的推力各恒 150 N，仿真時間設(shè)置 1.2 s，分別取上刀片與下刀片咬合運動的速度與加速度分析機構(gòu)的咬合性能，選取機構(gòu) A（A1、A2、A3 和 A4）點，B（B1、B2、B3 和 B4）點對應(yīng)旋轉(zhuǎn)副的扭矩為機構(gòu)運動性能參考點。

上下顎咬合過程的速度及角速度曲線如圖6所示，可知在咬合果柄支桿時，執(zhí)行器的速度及角速度突然增大，即此時上下刀片受到一個較大的沖量，為切割瞬間提供能量；同時如圖7所示，機構(gòu)運動加速度與角加速度在切割瞬間突增，機構(gòu)執(zhí)行咬合動作時慣性力足夠大。

圖6 上下顎咬合過程各自速度與角速度變化曲線

圖7 上下顎咬合過程各自加速度與角加速度變化曲線

以下分析柔性體安裝座上的旋轉(zhuǎn)副所受扭矩，其中 A1、A2、A3、A4 處 對 應(yīng) shang_1_1、shang_3_1、xia_1_1、xia_3_1 旋轉(zhuǎn)副所對應(yīng)的扭矩，可以得出在運動過程中旋轉(zhuǎn)副扭矩逐漸增大，在咬合瞬間突變，咬合機構(gòu)受力情況需要進一步研究改進。

圖8 旋轉(zhuǎn)副 A1、A2、A3、A4 在運動過程中所受扭矩變化曲線

同理，可得 B1、B2、B3、B4 對應(yīng)的 shang_1_2、shang_3_2、xia_1_2、xia_3_2 旋轉(zhuǎn)副的扭矩變化圖，與圖8對比，分析在柔性化安裝座上不同旋轉(zhuǎn)副受力的變化，其符合小變形原理，可知模型的分析基本合理。另外，從圖 6～9 可以得出，上下顎咬合過程中，其各運動性能指標(biāo)參數(shù)變化趨勢基本一致。

對末端執(zhí)行器機構(gòu)實體加工，其物理樣機（圖10），通過對機構(gòu)運動關(guān)系的驗證，可知該末端執(zhí)行器運動關(guān)系合理，上下顎張合動作理論上能實現(xiàn)全角度采摘，為采摘機器人末端執(zhí)行器進一步深入研究奠定基礎(chǔ)。

圖9 旋轉(zhuǎn)副 B1、B2、B3、B4 在運動過程中所受扭矩變化曲線

圖10 末端執(zhí)行器樣機

3 結(jié) 論

目前，采摘機器人末端執(zhí)行器研究處于初級階段，關(guān)于采摘末端執(zhí)行器本體研究的更少，就已研制成功的果蔬采摘執(zhí)行器而言，設(shè)計思路大體類似，即由抓取裝置和果柄分離裝置組成，抓取裝置為類手指機構(gòu)或吸持機構(gòu)，果柄分離裝置以刀具或激光為主體，其設(shè)計思路單調(diào)，且在真實的非結(jié)構(gòu)作業(yè)環(huán)境下成功率很難準(zhǔn)確驗證。

基于現(xiàn)實情況，提出一種適用于一般類球果蔬的采摘作業(yè)機器人末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器相比剪切式或激光燒割式末端執(zhí)行器，消除了一般采摘執(zhí)行器必須先檢測果蔬果柄位置方向來確定執(zhí)行器采摘最終位置以及采摘完成后獲取物的放置這兩個步驟，理論上縮減機器人采摘時間；同時能在一定程度上補償機器人視覺系統(tǒng)對目標(biāo)果蔬的定位誤差，提高機器人采摘成功率。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）

Design and Analysis of End-effector for Spherical Fruit and Vegetable Picking

FU Shun1，WANG Yi1,2
（1. College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, PRC; 2. College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, PRC）

According to the general characteristics of spherical fruits and vegetables harvesting, an end-effector based on double-rocker mechanism for picking robot was designed. The virtual prototype was established in the ADAMS and the key parts of stressed were treated as fl exible bodies, the motion parameters of the actuator were obtained, and the motion characteristic of the actuator was obtained. It was proved that the actuator had simple structure, simple kinematic relationship and good reliability.

spherical fruit and vegetable; picking end-effector; mechanical design; ADAMS analysis

S225

A

1006-060X（2017）03-0016-04

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.003.006

2016-12-08

重慶市科委重點產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項（cstc2015shmsztzx0100）；重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究一般項目（cstc2016jcyjA0444）作者簡介：付 舜（1992-），男，湖南洞口縣人，碩士研究生，研究方向為智能山地農(nóng)業(yè)機械。

王 毅