夾持式末端執行器在水果采摘中的可行性研究

杜帥

摘? 要：針對目前國內水果采摘機械化程度低、采摘困難等問題，該文對現有的夾持式末端執行器應用于水果采摘中的可行性進行研究。首先，通過建立夾持水果枝干的靜力學模型，推導了一種夾持力計算公式。然后，借助ANSYS對末端執行器進行有限元分析，確定了典型夾指應力和應變最大值，可針對不同采摘對象對末端執行器的材質和強度進行調整。最后，利用Adams軟件建立虛擬樣機模型，驗證了夾持式末端執行器在水果采摘中的合理性和可行性，為進一步研究水果機械化采摘提供了技術支持和理論依據。

關鍵詞：末端執行器;水果采摘;靜力學模型;ANSYS有限元分析

中圖分類號：TP24? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

目前，國內水果采摘多采用人工采摘的方式，機械化程度低、采摘難度大。近幾年人們開始研究借助末端執行器采摘水果。由于末端執行器夾持果實表面的夾持力大小不好控制，且容易造成果實損傷，因此如何無損采收成為機械化采收果實的一個技術難點。如果將末端執行器夾持水果表面改為夾持水果母枝，就能減少夾持力的控制難度，而夾持穩定性和夾持力的大小就成為衡量夾持機構性能的重要指標。該文從末端執行器和母枝之間的夾持力關系入手，建立兩者的靜力學模型，推導出一種適用于末端執行器和水果母枝的夾持力計算方法。然后通過ANSYS有限元分析確定末端執行器的夾持應力和應變量大小，以適應不同夾持對象。最后借助Adams運動學仿真，驗證末端執行器應用于水果采摘中的可行性和合理性。

1 末端執行器結構原理

夾持式末端執行器為雙四連桿結構，通過驅動齒輪連桿向中間運動，連桿帶動左右夾指同時向中間運動，最終完成夾指的夾持動作[1]。其中，左右夾指的末端設計成“V”型結構，利于水果母枝嵌入其中，其夾角為2α。末端執行器結構如圖1所示。

2 夾持靜力學模型

2.1 夾持力封閉性分析

末端執行器夾指的夾持位置和夾持角度直接影響夾持力的封閉性。因此將水果母枝截面簡化成圓形，左右夾指“V”型面對接形成的菱形輪廓與母枝的接觸點為4個，可以根據多指抓取的力封閉條件判斷該模型是否符合力封閉性[2]。

如圖2所示，A1、A2、A3、A4分別為左夾指和右夾指與母枝的接觸點。n11和n12，n21和n22，n31和n32，n41和n42分別為A1、A2、A3、A4接觸點摩擦錐的矢量，S為矢量交集區域，o為夾持力矢量交點，β為接觸點摩擦錐角。

由圖2可以看出夾持力矢量的交點位于摩擦錐角的交集區域內，滿足夾持力封閉條件，末端執行器夾持水果母枝時比較平穩。

2.2 夾持靜力學分析

末端執行器夾持母枝的靜力學模型如圖3所示。以夾持方向為X軸，垂直于夾指夾持方向的為Y軸，母枝軸向為Z軸，建立如圖3所示的坐標系。其中A和B為夾指與母枝的接觸點。由于在實際的采摘過程中，會產生干擾因素，比如自然風會影響模型的受力，該文假定末端執行器在采摘水果過程中會遇到垂直于夾持方向的干擾力，即Y軸負方向的Fd，如圖3（b）所示。

當末端執行器夾指完全夾住母枝時，可以完成采摘。根據夾持靜力學模型，分別過A、B兩點做垂直于YOZ面的旋轉軸，對兩點建立力矩方程

（1）

式中：d—2個接觸點之間的距離;L1—干擾點與Y軸的距離;G—夾持對象重力;L2—同一夾指上下接觸點的間距;θ—夾指邊緣夾角;FBy、FBz—B點在Y、Z方向的壓力分量;FAy、FAz—A點在Y、Z方向的壓力分量;Fd—采摘過程中干擾力;FNy—夾指抵抗擾動產生的壓緊力。

解得

夾指預緊力

夾指A側正壓力

夾指預緊力FB在x方向上的分力

正壓力FR在x方向上的分力

當采摘對象受到干擾力Fd時，夾指所提供的的夾持力

通過靜力學模型推導出的夾持力計算公式，可以應用于以后采摘末端執行器驅動力計算與驅動元件的選型中。該計算方法適用于多種夾持模型。

3 末端執行器仿真分析與驗證

末端執行器在完成夾持母枝動作時，除了要考慮所需要的夾持力大小，還要考慮末端執行器前端本身的材料特性和夾持能力。為分析末端執行器在夾持母枝時本身所產生的應力和應變量，該文借助ANSYS的Workbench模塊對末端執行器完成夾持動作時所產生的應力和應變進行分析，并通過Adams虛擬樣機驗證其夾持動作的合理性。

3.1 末端執行器有限元分析

3.1.1 建立有限元模型

在有限元分析中，為保證仿真結果的真實性和可靠性，需要將大的模型劃分為許多細小的單元進行分析[3]。要盡可能地將網格畫小一些，提高仿真分析的真實度。對末端執行器進行網格劃分，建立的有限元模型如圖4所示。考慮到末端執行器在夾持母枝時的真實情況，在夾持住母枝的一瞬間，末端執行器沒有運動，因此將其合并成一個整體來分析，只在夾指的末端施加載荷。分析末端執行器在夾持母枝時各部位的應力和應變大小。

3.1.2 仿真結果分析

該文選擇的末端執行器材料為6061鋁合金，具有輕便、加工性能好、韌性高的特點。具體施加載荷情況可以根據夾持對象，通過夾持力計算公式計算出所需的夾持力，然后在有限元分析中對夾持部位施加相同的載荷，分析應力和應變情況。通過仿真結果可以分析末端執行器材質的選擇是否合適，以及應力集中點是否需要加強材料強度。設置材料屬性為鋁合金，將典型荔枝采摘夾持力15 N作為載荷，以此來分析末端執行器的應變和各部分的應力情況，其應力云圖和應變云圖如圖5（a）、圖5（b）所示。

通過圖5（a）應力云圖可以看出末端執行器左右夾指的受力最大，其最大應力為13.6 MPa，同時左右連桿和齒輪連桿的齒輪嚙合處所受應力也比較大。這些部位在以后的實際應用中應該進行加固處理，或者增強材料特性。通過圖5（b）可以分析出左右夾指指端的應變量最大，然后由指端向中間遞減，齒輪連桿的前端應變量最小。其夾指指端的最大應變量可以達到0.019 mm，這個應變量的大小跟選用的材質有很大關系，6061鋁合金具有韌性高的特點。由于夾持對象為水果的母枝，因此應盡量選擇韌性高一點的材質，在保持合理夾持力的同時也會減少對母枝的破壞，做到無損采摘。

通過對末端執行器應力和應變云圖的分析，可以為以后末端執行器的設計提供一定的理論支持，尤其是在材質選擇和夾指強度設計上。

3.2 末端執行器運動學仿真

3.2.1 建立虛擬樣機模型

借助Adams虛擬樣機可以分析末端執行器運動的平順性和合理性，判定該結構是否在采摘工作中存在干涉問題[4]。將SolidWorks模型另存為parasolid（*.X_T）格式，導入Adams中進行質量屬性等的設置。由于模型導入后為了方便運算，需要將部分零件進行布爾加運算。給末端執行器關節部位添加旋轉副，非動作部位添加固定副。確保各部分之間有著約束又不影響相對運動。添加完的約束模型如圖6所示。在虛擬樣機中對齒輪連桿添加正反2個方向的驅動，并通過設置時間（time）和步長（step）實現夾指的夾持和松開動作。

3.2.2 仿真結果分析

在虛擬樣機模型中標記夾指前端，并在后處理模塊導出該部位的速度、角速度以及位置曲線，如圖7（a）和圖7（b）所示。

通過圖7（a）速度、角速度時間曲線圖可以看出，末端執行器在虛擬樣機中運行比較平穩，沒有出現大的波動。從圖7（b）位置時間曲線圖中的也可以看出，其基本與假定的夾指運動軌跡一樣，能夠平穩完成母枝的夾持動作。進一步驗證了末端執行器運用于水果采摘中的合理性與可行性。

4 結論

該文對夾持式末端執行器應用于水果采摘中的可行性進行了分析，推導了一種夾持力的計算方法，借助有限元分析確定了該結構應力和應變最大的部位，為末端執行器以后的設計和改進提供了理論基礎。最后通過Admas虛擬樣機驗證了末端執行器在完成夾持動作時的連貫性和平順性。通過以上分析可以看出，該末端執行器應用于水果采摘中是切實可行的，具有一定的合理性和可行性。

參考文獻

[1]趙玲亞，王英健，趙子開.圓形水果采摘機械手運動學分析與仿真[J].中國農機化學報，2020，41（3）：24-29.

[2]葉敏，鄒湘軍，楊洲，等.荔枝采摘機器人擬人指受力分析與夾持試驗[J].農業機械學報，2015，46（9）：1-8.

[3]宋和義，王雷，胡聰，等.架管機的機械手爪優化分析[J].礦山機械，2020，48（4）：59-62.

[4]劉佩森，靳杏子，鄭翔鵬，等.基于ADAMS的工業機器人建模與動力學仿真[J].成都工業學院學報，2018，21（4）：10-13，59.