夾剪一體的荔枝采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

陳 燕 蔣志林 李嘉威 王佳盛 劉威威 鄒湘軍

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642)

0 引言

荔枝采收是荔枝產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，采用機(jī)器人采摘能高效作業(yè)，改善勞動(dòng)條件，并克服傳統(tǒng)人工采收高成本的缺點(diǎn)。機(jī)器人通過末端執(zhí)行器對(duì)果蔬進(jìn)行采收，是直接與果蔬接觸的重要部件[1-2]，它對(duì)果蔬的采摘效率、采摘損傷率、采摘范圍都有很大影響。

針對(duì)不同果蔬的生長(zhǎng)特性、采摘農(nóng)藝要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種果蔬采摘末端執(zhí)行器進(jìn)行了大量研究[3-15]。但這些末端執(zhí)行器大多采用2個(gè)動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)“夾持果實(shí)或果梗、切割果梗”的采摘?jiǎng)幼鱗8-13]，其控制相對(duì)繁瑣，相對(duì)單驅(qū)動(dòng)整體質(zhì)量增加，體積加大。同時(shí)，部分末端執(zhí)行器采用圓形刀片旋轉(zhuǎn)切割[10-12]，采摘時(shí)，因復(fù)雜的野外環(huán)境容易造成采摘對(duì)象及其周邊的枝、葉受損。此外，由于果蔬自然生長(zhǎng)的隨機(jī)性和不確定性，針對(duì)柑橘、蘋果、番茄等球狀果蔬的抓持[12-15]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了擬人指的末端執(zhí)行器，而關(guān)于夾持串果母枝或單果果梗的末端執(zhí)行器研究則較少報(bào)道。

基于此，本文以成簇生長(zhǎng)于樹上的荔枝串果為研究對(duì)象，并克服已有末端執(zhí)行器的不足，對(duì)夾剪一體的荔枝采摘末端執(zhí)行器進(jìn)行設(shè)計(jì)，制作其物理樣機(jī)，并對(duì)6自由度機(jī)器人進(jìn)行工作性能試驗(yàn)。

1 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

荔枝成簇生長(zhǎng)于樹上，人工采摘時(shí)，先用手指夾持固定串果母枝，然后剪斷母枝并將串果取下。根據(jù)其采摘方式，本文提出一種夾剪一體結(jié)構(gòu)的荔枝采摘末端執(zhí)行器，它采用單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，采摘時(shí)對(duì)荔枝串果母枝采用剪切方式，避免了因旋轉(zhuǎn)切割造成荔枝及其周邊枝、葉受損的問題。該末端執(zhí)行器由剪切模塊、夾持模塊、動(dòng)力輸出模塊、機(jī)械臂連接組件4部分組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of end-effector1.柔性指 2.剛性指 3.右刀片 4.左刀片 5.擺桿 6.復(fù)位扭簧 7.支承板 8.動(dòng)力源 9.圓螺母 10.壓刀塊 11.連接組件 12.扇形齒輪 13.機(jī)架 14.擺桿轉(zhuǎn)軸 15.刀片銷軸 16.滾子

采摘時(shí)，動(dòng)力源輸出扭矩，齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)左、右擺桿聯(lián)動(dòng)，通過擺桿滾子壓迫刀背實(shí)現(xiàn)左、右刀片閉合剪切動(dòng)作，同時(shí)，安裝于刀片下方的柔性指和剛性指隨刀片閉合轉(zhuǎn)動(dòng)而閉合夾持。采摘后，舵機(jī)輸出反向動(dòng)力，擺桿組件反向張開，左、右刀片在復(fù)位扭簧的回彈作用下復(fù)位，同時(shí)帶動(dòng)夾指張開使串果滑落。

1.2 剪切模塊

1.2.1 本體設(shè)計(jì)

剪切模塊的基本原理為雙搖桿滑塊機(jī)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組合，通過齒輪嚙合傳動(dòng)使左右對(duì)稱的雙搖桿滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

具體實(shí)施結(jié)構(gòu)由圖1可知，左、右刀片通過刀片銷軸鉸接于機(jī)架上，刀片外側(cè)設(shè)置擺桿組件，且通過齒輪嚙合聯(lián)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀片閉合剪切。自然狀態(tài)下，刀片在復(fù)位扭簧的回彈作用下張開，刀背緊貼擺桿滾子。

1.2.2 剪切力學(xué)模型

根據(jù)剪切模塊的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖構(gòu)建其剪切力學(xué)分析圖，如圖2所示。末端執(zhí)行器工作時(shí)，動(dòng)力通過齒輪嚙合傳遞至左右擺桿組件末端滾子并分別作用于左刀片(Fa)和右刀片(Fb)，實(shí)現(xiàn)對(duì)串果母枝的剪切力分別為Fk1和Fk2，其數(shù)值相等，由此可得動(dòng)力扭矩與剪切力、各力臂的關(guān)系為

(1)

式中M——剪切執(zhí)行力矩，N·mml1——擺桿作用力分力的力臂，mml2——剪切力臂，mml3——擺桿力臂，mmφ——Fa與Fa1(Fb與Fb1)的夾角，(°)

圖2 剪切力學(xué)分析圖Fig.2 Cutting mechanical analysis diagram

通過搭建剪切試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行10次重復(fù)剪切試驗(yàn)可知，當(dāng)剪切直徑為8 mm的串果母枝時(shí)，所需最大剪切力平均為100 N；根據(jù)荔枝采摘環(huán)境和6自由度的機(jī)器人本體尺寸，取剪切模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸為l1=78.94 mm、l2=75.00 mm、l3=75.00 mm；測(cè)得Fa與Fa1的夾角φ=27.54°。代入式(1)，求得滿足最大剪切要求的剪切執(zhí)行力矩M為160.73 N·mm。

1.3 夾持模塊

1.3.1 本體設(shè)計(jì)

為模擬人指夾持串果母枝的采摘?jiǎng)幼鳎瑢⒛┒藞?zhí)行器的夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成“二指夾持”形式，具有較好的夾持穩(wěn)定性，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘對(duì)象的夾持[16]。

具體實(shí)施結(jié)構(gòu)由圖1可知，將左、右夾指分別緊固于剪切刀片下方，采取“一剛一柔”的配合形式，隨動(dòng)于剪切刀片。左夾指為柔性指，模擬人手并攏的食指和中指，指面為“平板指面”形式；右夾指為剛性指，模擬人手拇指，指面為“V”型槽指面形式。

1.3.2 穩(wěn)定夾持的力封閉性分析

末端執(zhí)行器是否能穩(wěn)定夾持目標(biāo)和合理提供夾持力是評(píng)價(jià)其工作性能的重要指標(biāo)之一[16]。

夾持時(shí)，可將夾指與串果母枝接觸段視作規(guī)則圓柱體，如圖3所示。柔性指平板指面與母枝接觸區(qū)域?yàn)?條接觸邊線，剛性指“V”型槽指面與母枝的接觸區(qū)域?yàn)?條基礎(chǔ)邊線。根據(jù)圣維南原理，每條邊線的接觸分布力約束可簡(jiǎn)化為一個(gè)空間接觸點(diǎn)的接觸合力模型。因此，可對(duì)夾指與串果母枝接觸段視作三“指”抓持目標(biāo)的力學(xué)狀態(tài)，與機(jī)器人的多指抓取原理相似[17]。

圖3 夾指夾持串果母枝截面圖Fig.3 Section diagram of clamping fruiting cane

DF=W

(2)

式中D——夾持矩陣,D∈R6×9

由于式(2)在夾指穩(wěn)定夾持前提下必定有解，故矩陣D必定可逆，則R(D)=6，為行滿秩矩陣。因此，滿足三指夾持的力封閉性第一判別條件[18-19]。同時(shí)，由圖3可知，夾指的接觸面均與串果母枝相切，故接觸合力內(nèi)法矢量F1、F2、F3必匯交于點(diǎn)O，且點(diǎn)O存在于接觸合力點(diǎn)P1、P2、P3處由摩擦錐匯交形成的多邊形S中(交集域S為非空)。因此，滿足三指夾持的力封閉性第二判別條件[18-19]。

綜上所述，本文提出的夾指模塊設(shè)計(jì)方案，能夠穩(wěn)定夾持荔枝串果母枝，滿足力封閉性原則。

1.3.3 穩(wěn)定夾持力學(xué)模型

在荔枝的實(shí)際采摘過程中，夾持模塊的作用為預(yù)壓緊并定位串果母枝，有利于刀具剪切；當(dāng)串果母枝被剪斷后，夾指能提供足夠的夾緊力夾持荔枝串果，避免荔枝串果在之間掉落，造成跌落碰撞損傷。

當(dāng)夾指夾緊串果母枝時(shí)，視其夾緊段為規(guī)則圓柱體，并以母枝的回轉(zhuǎn)軸線為z軸，以母枝的橫截面為xOy二維坐標(biāo)平面，且點(diǎn)O在z軸上；令?yuàn)A指對(duì)母枝夾持時(shí)的接觸正壓力分別為F1、F2和F3，建立其夾持力學(xué)模型如圖4所示。當(dāng)夾指能穩(wěn)定夾持荔枝串果時(shí)，其靜力平衡方程為

(3)

式中Fi——夾指指面對(duì)串果母枝接觸正壓力，Nμ——摩擦因數(shù)G——串果總重量，N

圖4 串果母枝穩(wěn)定夾持力學(xué)分析圖Fig.4 Stable clamping mechanical analysis diagram of fruiting cane

夾指接觸面與串果母枝相切，接觸正壓力矢量均通過圖中圓心O，故將各力矢量簡(jiǎn)化至點(diǎn)O，獲得力系的靜力平衡方程為

(4)

式中Fix——F1、F2、F3在平面坐標(biāo)系xOy的x軸上的投影分力，N

Fx——F1、F2、F3在平面坐標(biāo)系xOy的x軸上的合力，N

Fiy——F1、F2、F3在平面坐標(biāo)系xOy的y軸上的投影分力，N

Fy——F1、F2、F3在平面坐標(biāo)系xOy的y軸上的合力，N

MiO——F1、F2、F3對(duì)點(diǎn)O的力矩，N·mm

MO——F1、F2、F3對(duì)點(diǎn)O的合力矩，N·mm

將式(4)展開，得

(5)

由于F1、F2、F3均通過點(diǎn)O，因此F1、F2、F3相對(duì)于點(diǎn)O的力矩為0，即M1O=M2O=M3O=0，則進(jìn)一步獲得平衡方程為

(6)

式中α——左夾指夾持過程中轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，(°)θ——右夾指“V”型槽兩斜面的夾角，(°)

由式(3)和式(6)聯(lián)立，求得夾持模塊指面作用于串果母枝時(shí)的接觸正壓力F1、F2、F3分別為

(7)

式(7)即為末端執(zhí)行器夾持模塊穩(wěn)定夾持串果母枝的三點(diǎn)接觸正壓力計(jì)算模型。由此可知，當(dāng)串果質(zhì)量越大，穩(wěn)定夾持時(shí)所需的接觸正壓力越大；當(dāng)夾指指面越粗糙，則接觸正壓力越小。

荔枝串果成簇采摘時(shí)，其質(zhì)量通常不超過1 kg，取G=10 N；剛性指指面“V”型槽兩斜面夾角的設(shè)計(jì)角度為θ=90°；當(dāng)串果母枝直徑為10 mm，穩(wěn)定夾持時(shí)，計(jì)算得柔性指扭轉(zhuǎn)角α=13.77°；根據(jù)前期試驗(yàn)[20]，當(dāng)夾指指面材料為橡膠時(shí)，μ=0.89。因此，通過式(7)計(jì)算可得荔枝串果穩(wěn)定夾持時(shí)三點(diǎn)接觸正壓力為F=(F1,F2,F3)=(4.73 N,4.05 N,2.45 N)。由此可知，只要三點(diǎn)接觸正壓力F1≥4.73 N、F2≥4.05 N、F3≥2.45 N，則可保證夾持可靠、穩(wěn)定，荔枝串果不會(huì)掉落。

2 樣機(jī)性能試驗(yàn)與分析

根據(jù)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方案制作了其物理樣機(jī)，并將其安裝在6自由度機(jī)器人上進(jìn)行多項(xiàng)工作性能試驗(yàn)。

2.1 采摘試驗(yàn)

為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器對(duì)荔枝串果母枝的采摘剪切性能，對(duì)具有不同直徑母枝的荔枝串果進(jìn)行了采摘試驗(yàn)。

2.1.1 材料與方法

品種為“桂味”荔枝串果母枝，采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物園。試樣選取較筆直且?guī)в蟹种Ш腿~的母枝串，直徑分別為3、4、5、6、7 mm，母枝長(zhǎng)為8～15 cm。將母枝綁于荔枝模型上，制作荔枝串果采摘模型。

圖5 采摘試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.5 Scene picture of picking experiment

試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)采摘成功率和采摘時(shí)間。采摘時(shí)間為從刀片準(zhǔn)備進(jìn)入串果采摘點(diǎn)開始，控制末端執(zhí)行器夾持剪切母枝，直到母枝被剪斷且夾指穩(wěn)定夾持串果為止。

2.1.2 結(jié)果分析

采摘試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。由表可知，采摘時(shí)間與串果母枝直徑無關(guān)，試驗(yàn)范圍內(nèi)，末端執(zhí)行器的平均采摘時(shí)間為2 s左右；在50次的荔枝串果采摘試驗(yàn)中，采摘成功42次，失敗8次；其中，對(duì)于母枝直徑為3～5 mm的串果，采摘成功率均為100%；對(duì)于母枝直徑為6～7 mm的串果，采摘平均成功率為70%。

表1 采摘試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of picking experiment

圖6為采摘直徑為6 mm和7 mm的母枝斷面圖。由圖可見，母枝斷面存在毛刺，側(cè)面有擠壓痕跡。因此，串果母枝的剪切破壞并非純剪切，還包括右刀片刃傾角對(duì)母枝的擠壓破壞、左刀片排開角對(duì)母枝切口造成的拉伸破壞。

圖6 串果母枝剪切斷口Fig.6 Shear-cut mouth of fruiting cane

2.2 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)重試驗(yàn)

荔枝采摘時(shí)，若末端執(zhí)行器夾持不可靠，容易造成成簇荔枝脫落損傷。通過負(fù)重試驗(yàn)可考察該末端執(zhí)行器最大穩(wěn)定夾持荔枝串果的質(zhì)量。由于在野外采摘環(huán)境下，被夾持的串果可能受到來自外界的干擾(機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的振動(dòng)或風(fēng)等自然因素)，荔枝串果會(huì)發(fā)生擺動(dòng)。因此本文分別進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的負(fù)重試驗(yàn)。

2.2.1 材料與方法

靜態(tài)負(fù)重試驗(yàn)：在串果母枝的一端吊掛重物，末端執(zhí)行器穩(wěn)定夾持母枝的另一端(圖7)。夾持過程中，不斷增加重物的質(zhì)量，直至重物在夾持模塊中脫落，并記錄夾持物質(zhì)量。

動(dòng)態(tài)負(fù)重試驗(yàn)：采摘時(shí)，被夾持的串果受外界的干擾會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，正常情況下這種擺動(dòng)不會(huì)太大，本文選擇較大擺角120°進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)串果母枝和重物按圖7所示方式夾持，然后將重物扳至與鉛垂方向呈60°夾角后松開，使其作擺角為120°的自由鐘擺運(yùn)動(dòng)(重復(fù)擺動(dòng)5次)，當(dāng)重物擺動(dòng)趨于靜止后不脫落，則進(jìn)一步增添重物質(zhì)量，直至擺動(dòng)的重物脫落，并記錄夾持物質(zhì)量。

圖7 負(fù)重試驗(yàn)Fig.7 Weight bearing experiment

2.2.2 結(jié)果分析

圖8為串果母枝直徑與末端執(zhí)行器最大負(fù)重關(guān)系曲線。由圖可知：靜態(tài)負(fù)重時(shí)末端執(zhí)行器的負(fù)重性能優(yōu)于擺動(dòng)干擾狀態(tài)；隨著母枝直徑的增大，最大負(fù)重質(zhì)量隨之增大；試驗(yàn)范圍內(nèi)，母枝直徑3～5 mm范圍內(nèi)，最大負(fù)重質(zhì)量增大緩慢，母枝直徑5～7 mm范圍內(nèi)，最大負(fù)重質(zhì)量增加較快。當(dāng)果梗直徑增大，柔性指扭轉(zhuǎn)角增大，果梗受到的正壓力增大；同時(shí)，果梗直徑增大，其與柔性指的真實(shí)接觸面積增大。由于這兩方面原因，當(dāng)果梗直徑較大時(shí)，隨著果梗直徑的增加，最大負(fù)重量增大較快。通過負(fù)重試驗(yàn)可知，當(dāng)串果母枝直徑為3 mm時(shí)，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)最大負(fù)重質(zhì)量分別為1.33 kg和1.67 kg；當(dāng)串果母枝直徑為7 mm時(shí)，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)最大負(fù)重質(zhì)量分別為3.01 kg和3.67 kg。由于荔枝串果單串質(zhì)量通常低于1 kg，因此，本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器能滿足荔枝采摘夾持要求，具有良好的穩(wěn)定夾持功能。

圖8 母枝直徑與最大負(fù)重關(guān)系Fig.8 Relationship between diameter of fruit cane and maximal weight bearing

2.3 抗遮擋干擾試驗(yàn)

由于荔枝生長(zhǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，采摘時(shí)，采摘目標(biāo)前方會(huì)存在一定程度的遮擋物(枝、葉等)。通過抗遮擋干擾試驗(yàn)，考察本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器在復(fù)雜環(huán)境下采摘性能。

2.3.1 材料與方法

把遮擋物的數(shù)量及干擾程度分為A(無遮擋)、B(輕微遮擋)、C(中度遮擋)、D(嚴(yán)重遮擋)4個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)時(shí)，首先尋找不同干擾等級(jí)的采摘位置，然后控制末端執(zhí)行器進(jìn)入采摘位置，并觀察刀片及夾指能否順利進(jìn)入串果母枝的預(yù)定采摘位置。

2.3.2 結(jié)果分析

分別對(duì)4種干擾級(jí)別的采摘點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 干擾采摘試驗(yàn)Fig.9 Interference picking experiment

觀察并分析試驗(yàn)情況可知：

干擾等級(jí)A：荔枝串果采摘點(diǎn)的母枝完全暴露，附近無枝葉擋在其前方，末端執(zhí)行器的剪切部位可順利到達(dá)串果采摘點(diǎn)。

干擾等級(jí)B：存在幾片葉子或者杈枝輕微遮擋在采摘點(diǎn)的兩側(cè)附近或正前方。當(dāng)串果采摘點(diǎn)進(jìn)入剪切部位時(shí)，擋在采摘點(diǎn)兩側(cè)附近的枝葉可被刀具前端斜角排開；擋在采摘點(diǎn)的正前方的枝葉可被剪切部位包絡(luò)在剪切范圍內(nèi)，采摘時(shí)可與母枝一起剪下，不影響采摘效果。

干擾等級(jí)C：采摘點(diǎn)前方兩側(cè)存在較茂密的枝葉。若末端執(zhí)行器剪切部位進(jìn)入串果采摘點(diǎn)，則刀具前端容易將擋在采摘點(diǎn)前方的枝葉強(qiáng)行往荔枝串果方向推進(jìn)，導(dǎo)致荔枝串果受牽連被往后擠退，采摘

點(diǎn)也隨之向后移動(dòng)，形成了“刀進(jìn)果退，刀退果回”的采摘干擾現(xiàn)象。

干擾等級(jí)D：采摘點(diǎn)受枝葉嚴(yán)重遮擋。在這種情況下，串果母枝完全隱蔽于茂密的枝葉后方，阻礙采摘機(jī)器人對(duì)串果采摘點(diǎn)的識(shí)別與定位，末端執(zhí)行器無法采摘。

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)夾剪一體的荔枝采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，采用剪切方式，避免了旋轉(zhuǎn)切割造成荔枝及其周邊枝、葉受損的問題；夾持手指采取“一剛一柔”配合，柔性指平板指面，剛性指“V”型槽指面，可穩(wěn)定夾持荔枝串果母枝。

(2)試驗(yàn)測(cè)試表明，末端執(zhí)行器具有良好的夾持負(fù)重功能，母枝直徑分別為3 mm和7 mm時(shí)，動(dòng)態(tài)最大負(fù)重質(zhì)量分別為1.33 kg和3.01 kg；采摘時(shí)能快速剪切母枝并穩(wěn)定夾持串果，平均夾剪時(shí)間為2 s，母枝直徑5 mm以下采摘成功率均為100%，母枝直徑6～7 mm采摘平均成功率為70%；具有中等的抗遮擋干擾采摘能力，當(dāng)采摘點(diǎn)前方兩側(cè)存在較茂密的枝葉或采摘點(diǎn)受枝葉嚴(yán)重遮擋時(shí)，采摘困難或無法采摘。

(3)大直徑母枝的荔枝串果采摘成功率低，其可能原因是剪切刀片的刃角和左、右刀片裝配間隙不理想，導(dǎo)致對(duì)串果母枝的剪切破壞并非純剪切，伴隨有擠壓與拉伸破壞。

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