一種三自由度采摘機(jī)械爪設(shè)計(jì)

王 勇 張新景 史穎剛

（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100）

鮮食番茄具有巨大的需求量和產(chǎn)量，人工采摘效率低下和人工采摘成本極大影響著鮮食番茄的市場(chǎng)價(jià)值［1，2］，用于深加工的番茄采摘已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，而用于鮮食的番茄由于采摘難度大仍未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。番茄采摘機(jī)器人的研究與應(yīng)用，一方面可以提高采摘效率，避免由于采摘不及時(shí)導(dǎo)致番茄腐爛；另一方面可以減少番茄采摘過(guò)程中人工的參與，進(jìn)而降低番茄生產(chǎn)成本［3，4］。機(jī)械爪采摘時(shí)與番茄直接接觸，是采摘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)番茄采摘的關(guān)鍵末端執(zhí)行部分，因此直接影響著鮮食番茄果實(shí)表面品質(zhì)。本文主要基于農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化溫室番茄采摘自動(dòng)化問題，設(shè)計(jì)一種三自由度采摘機(jī)械爪。

1 鰭條效應(yīng)原理

鰭條效應(yīng)［5］是生物學(xué)家Leif Kniese在捕魚時(shí)發(fā)現(xiàn)的，魚鰭由2個(gè)排列成“V”形的骨頭和其間的結(jié)締組織構(gòu)成，拉動(dòng)“V”的一側(cè)會(huì)導(dǎo)致魚鰭變形，如圖1所示。當(dāng)魚鰭的一側(cè)受到外力作用，該力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的側(cè)面彎曲，使得基部和尖部朝施加的載荷方向彎曲。由于鰭條效應(yīng)的效果可擴(kuò)展，且功能多樣性，被廣泛應(yīng)用在各種夾具上。本文基于鰭條效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種三自由度采摘機(jī)械爪。

圖1 鰭條效應(yīng)示意圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Whitney等基于鰭條效應(yīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)兩自由度柔性手爪，通過(guò)2個(gè)伺服電機(jī)，將手爪向下推到一起，夾取效果良好，但夾取速度較慢［6］。故本文基于鰭條效應(yīng)，設(shè)計(jì)三自由度機(jī)械爪，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，每個(gè)關(guān)節(jié)由舵機(jī)直接控制，提升抓取速度。

圖2 三指采摘機(jī)械爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

采摘機(jī)械爪三維圖如圖3所示，包括鰭條效應(yīng)器、鰭條效應(yīng)器支架、雙軸舵機(jī)和手掌，雙軸舵機(jī)通過(guò)舵盤與效應(yīng)器支架固連，鰭條效應(yīng)器安裝在支架的溝槽內(nèi)。該鰭條效應(yīng)器主要由2個(gè)一端固定在一起的縱向邊緣纖維骨架和位于兩主骨架間的小橫向纖維組成?？v向骨架和橫向骨架間通過(guò)柔性連接，以保證他們之間可以相互移動(dòng)。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕且強(qiáng)度大，能自適應(yīng)所抓物體的外形。為了采摘番茄等類圓形，同時(shí)使機(jī)械手作業(yè)時(shí)對(duì)果蔬的損傷降至最低，鰭條效應(yīng)器采用TPU柔性材料，利用3D打印技術(shù)完成制作。

圖3 采摘機(jī)械爪三維圖

采摘機(jī)械爪采用3個(gè)數(shù)字舵機(jī)，選用LOBOT生產(chǎn)的LD—220MG數(shù)字舵機(jī)，其采用PWM脈寬調(diào)節(jié)角度，周期20 ms，占空比0.5～2.5 ms的脈寬電平對(duì)應(yīng)舵機(jī)0°～180°，且呈線性關(guān)系，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 LD—220MG數(shù)字舵機(jī)性能參數(shù)

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器的精準(zhǔn)定時(shí)及GPIO可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的控制，但是3個(gè)舵機(jī)均用單片機(jī)控制會(huì)占用較多的單片機(jī)資源，增加設(shè)計(jì)難度。因此，本文采用LSC—16舵機(jī)控制器，利用上位機(jī)調(diào)試舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度，控制舵機(jī)按照預(yù)先調(diào)試好的動(dòng)作組運(yùn)行。舵機(jī)控制器采用串口通信，通信參數(shù)為波特率9600，停止位1位，數(shù)據(jù)位8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。其接受數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)幀格式

該舵機(jī)可采用2種控制方式，在單舵機(jī)控制模式時(shí)，Prm1，需控制舵機(jī)的個(gè)數(shù)；Prm2，時(shí)間低八位；Prm3，時(shí)間高八位；Prm4，舵機(jī)ID；Prm5，角度低八位；Prm6，角度高八位。

本文采用動(dòng)作組控制模式，Prm1，要運(yùn)行的動(dòng)作組的編號(hào)；Prm2，動(dòng)作組要運(yùn)行的次數(shù)低八位；Prm3，動(dòng)作組要運(yùn)行的次數(shù)高八位。本文需使用舵機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)2個(gè)動(dòng)作組的運(yùn)行，但考慮到程序的可擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)舵機(jī)控制程序，可調(diào)用3個(gè)動(dòng)作組，其控制程序流程如圖4所示。首先，創(chuàng)立3個(gè)長(zhǎng)度為8的一維數(shù)組，分別配置3個(gè)數(shù)組為調(diào)用動(dòng)作組1、2、3的指令。然后，進(jìn)入條件選擇語(yǔ)句，串口發(fā)送相對(duì)應(yīng)的數(shù)組數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)溫室大棚番茄采摘的實(shí)際需要，筆者搭建了采摘機(jī)械爪樣機(jī)，如圖5所示。作業(yè)時(shí)，舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械爪的開閉，當(dāng)機(jī)械爪閉合時(shí)若繼續(xù)受到驅(qū)動(dòng)力，鰭條效應(yīng)器即會(huì)內(nèi)收形成包絡(luò)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的包絡(luò)抓取。通過(guò)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度的控制以及鰭條效應(yīng)器柔軟的材料可有效減小果蔬所受壓力，降低了番茄損傷率。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械爪基本能完成采摘任務(wù)，但由于時(shí)間、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面的限制，還需要對(duì)采摘機(jī)械爪進(jìn)行進(jìn)一步研究、設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

圖4 舵機(jī)動(dòng)作組控制程序流程圖

圖5 采摘機(jī)械爪樣機(jī)