基于氣動無損夾持控制的番茄采摘末端執行器設計與試驗

陳子文，楊明金，李云伍，楊 玲

（西南大學工程技術學院，重慶 400715）

0 引言

果蔬采摘收獲是果蔬生產過程中最費時和費力的環節[1-2]，約占整個作業過程作業量的40%[3]。在自動化采摘過程中，采收質量的好壞直接影響果蔬的存儲、加工和銷售，與經濟利益直接相關，加上果實生長具有隨機性，采摘環境對機械化來說具有非結構特點[4]，因此設計適合特定果實的采收器，并實現無損采摘是目前果蔬自動化采收重點關注的問題之一。近年來，國內外學者針對不同果蔬的生長特點和果實特征，設計了專用采摘執行器。高自成等[5]設計了一款操作簡單不傷果實的手動背負式梨采摘器，平均剪切輸出為13.5 N，試驗表明較人工采摘效率提高57.1%。徐麗明等[6]基于欠驅動原理設計了一種V型手指臍橙采摘機器人末端執行器，結合電阻式薄膜壓力傳感器實現穩定無損采摘，試驗表明單果采摘時間為1.76 s，采摘成功率為94.28%且無損傷。王毅等[7]模擬蛇嘴咬合動作，設計了一款柑橘采摘末端執行器，該執行機構直接對果柄進行夾持和剪切，降低末端執行器直接夾持對果實造成的損傷，室外試驗表明采摘成功率為87.5%。同時針對荔枝[8]、獼猴桃[9]、葡萄[10]、菊花[11]、藍莓[12]、蘋果[13]、番茄[14-15]及青椒[16-17]等作物，研究人員均研發了相應可滿足作業要求的采摘執行器。

同時為降低果實采收過程中的損傷，針對無損采摘，研究人員主要從3個方面進行研究。第一，果實擠壓損傷機理的研究，主要通過對果蔬壓縮特性建模和仿真。姬偉等[18]建立蘋果3層實體力學模型，通過ANSYS分析獲得節點應力云圖，結果顯示最大應力在果皮處。劉繼展等[19-20]采用試驗方法建立番茄果實和果柄的力學模型，為無損采摘提供基礎數據。第二，無損算控制算法研究。其中包括基于跟蹤阻抗[21]、灰色預測的增量式比例積分[22]、速度同步控制原理[23]、自適應模糊網絡[24]及廣義比例積分GPI[25]的抓取力控制等算法。第三，柔性無損機構研究。苗玉彬等[26]通過對無損采摘需要的柔順恒力特性進行計算，設計了一款蘋果柔順機構，抓取完好率為95%。同時研究者還將以氣壓和線纜作為驅動的軟體手應用于果蔬無損采摘中[27-28]。

大部分研究者均以電動作為末端執行器的驅動動力，通過將電機旋轉運動轉化機械爪的閉合運動從而實現對果實的夾持和夾持力控制，相比電驅，氣動系統通過改變系統壓力，可更容易實現輸出力的連續調節，且由于氣體具有一定的壓縮性，可提高末端執行器的緩沖和保護效果。因此本文針對類球形果實，設計了一款空間多連桿三爪氣動無損夾持采摘末端執行器。通過創新機構設計，將果實回拉和夾持兩個運動通過一個主運動驅動并實現順序動作，同時設計并搭建基于夾持壓力反饋的氣動伺服調節系統，在該系統基礎上提出基于動態標準差波動上升節點的果實滑移判據和無損采摘算法，并通過番茄采摘田間試驗對末端執行器進行性能驗證。

1 末端執行器系統設計

1.1 工作原理與機構設計

本文設計的末端執行器用于類球形果實的采收，通過吸附、回拉、夾持、扭轉4步動作實現擬人單手采摘過程，末端執行器搭載于基于雙目立體視覺的采摘機器人上，通過雙目視覺果實空間定位，引導末端執行器對靶果實，真空吸盤吸附果實并回拉直果柄，空間夾持爪閉合完成果實夾持，隨后通過扭轉實現果實和果柄分離。末端執行器由吸持回拉機構、果實夾持機構、果柄分離機構組成，吸持回拉機構作為果實采摘的輔助裝置，可實現果實的位置誤差補償和輔助定位[29]。果實夾持機構可抓取果實，保證果實在采摘過程中果實不會發生滑落，并盡量降低夾持對果實造成的機械式損傷。果柄分離機構主要采用擬人采摘動作的扭轉拉拽式，該方式主要針對果柄與果蒂連接強度不大的成熟果實。

圖1為氣動吸-夾一體式三爪采摘末端執行器的實物圖。末端執行器由3組相同的夾持爪單元周向均布在三爪氣缸上，每組構件中均包括夾持爪、上連桿、下連桿、水平滑塊。水平滑塊連接在三爪氣缸的每一個滑臺上，可隨氣缸同時徑向伸出或縮回。上、下連桿一端分別連接夾持爪和水平滑塊，并形成轉動副，另一端連接到中心滑塊的上、下兩端，形成轉動副，真空吸盤與中心滑塊固連。在運動時三爪氣缸3個滑臺同步伸出或縮回，實現夾持爪在開、閉過程中中心滑塊帶動真空吸盤進行伸、縮運動，該機構可通過一個主動件驅動完成真空吸盤回拉和夾持爪閉合的2個順序動作。

1.2 電氣比例伺服系統設計

考慮采摘末端執行器具有夾持和扭轉兩個自由度，同時要求扭轉力及速度可調，夾持力可連續實時調節，故設計末端執行器氣動系統回路如圖2所示，為保證氣動回路提供持續穩定氣壓，采用5 L儲氣罐，配合電接點壓力表及其控制電路，實現末端執行器氣動系統壓力自動穩定在0.6～0.8 MPa范圍內。經過氣動三聯件對氣源進行清潔，干凈氣源分為3路，一路通過手動調壓閥和3位5通電磁換向閥供給扭轉氣缸，并設置單向節流閥進行手動調速，根據文獻[19]番茄果梗平均折斷彎矩為161.29 N·mm，最大折斷果梗彎矩為308.72 N·mm，選用SMC公司MSQB-10A型擺動氣缸，工作壓力為0.1～1.0 Pa，擺角190°，在0.5 MPa下輸出890 N·m力矩，可滿足使用需求。另一路氣源經過比例調壓閥和2位5通電磁換向閥控制3爪氣缸，同時設置單向節流閥調速。最后一路氣源經過2位2通電磁換向閥供給ZPCAC公司生產的ZV-10HS真空發生器中，工作壓力為0.1～0.8 Pa，最大真空度可達-92 kPa。并根據采摘對象弧形表面，應選用帶緩沖雙層風琴型ZP-10B真空吸盤。

氣動控制系統采用32位ARM（Advanced RISC Machine）核心的Arduino Due控制板作為主控器，為實現夾持壓力實時連續可調，采用SMC公司ITV2050-312L型的電氣比例調壓閥，設定氣壓范圍0.005～0.9 MPa。選用華源測控的4路模擬量輸出模塊HY4A0進行模擬量輸出，通過標準Modbus-RTU協議的RS485接口實現與主控器通信。夾持爪上貼有美國Interlink Electronics公司FSR-402型壓力傳感器，實現采摘過程中夾持壓力的實時獲取，壓力檢測范圍為0.1～100 N。圖3為無損采摘末端執行器系統實物圖。

2 末端執行器運動分析與仿真

2.1 運動學模型建立與參數確定

圖4為末端執行器單個夾持爪單元的結構參數示意圖，分別以水平滑塊和中心滑塊運動軸線為坐標軸建立平面直角坐標系XOY。通過機構的幾何關系可推導出吸附點K(0,yK)的運動學方程

夾持爪上鉸鏈點D的運動學方程為

式中（xD，yD）為D點坐標。F、G、H點運動方程均可通過桿件長度和夾角用D點運動方程推算出來，給出夾持爪末端H點運動學方程如下：

式中（xH，yH）為H點坐標；xG(xD)和yG(yD)代表G點的橫縱坐標，這兩個坐標分別是關于D點坐標的函數。

當xC=l時，此時末端執行器完全張開，3指爪末端包絡圓的最大直徑Lmax=2xH；當xC=l+c時，末端執行器完全閉合，指爪包絡圓最小直徑Lmin=2xH。根據運動學方程，確定結構參數，保證末端執行器張開區域不小于150 mm，且能夾持最小50 mm的果實，末端執行器參數見表1所示。最終獲得指爪張開范圍為0～156 mm，真空吸盤運動最大運動距離為38.7 mm。

表1 末端執行器組件結構參數 Table 1 Structure parameters of manipulator component

2.2 運動仿真分析

通過運動學建模確定了滿足運動幾何尺寸需求的末端執行器各桿件結構參數，進一步采用ADAMS多體動力學軟件進行運動仿真分析，獲取該參數下末端執行器的運動和動力性能。

仿真中采用球形模型代替類球形果實，實際果實為非標準球形，且每個果實生長外形均有差異性，相比實際果實，采用球形果實仿真是將夾持爪觸碰果實的過程理想化，即3爪同時接觸果實表面，實際夾持過程可能某一爪先觸碰果實，隨后兩爪或3爪實現穩定夾持。本文設計的末端執行器是由一個氣缸驅動，因此氣缸的總輸出力僅僅與氣動系統壓力有關，氣缸推動3爪閉合將力傳遞給夾持爪上，加之三爪機構和其運動均是完全對稱的，因此理想的穩定夾持剛度較大的物體的條件是3爪均接觸果實并施加夾持力，或是僅兩爪接觸施加夾持力，每一爪的夾持力為氣缸總力的均分值，由于果實表面有一定彈性，末端執行各部件連接鉸鏈有一定間隙，且果實表面不同位置的彈性模量和剛度均有不同，因此實際夾持問題變的非常復雜。本文為探討該末端執行器在夾持運動過程中各桿件運動和動力學性能，以及夾持力與果實尺寸、系統壓力之間的關系，采用球形模擬實際果實進行仿真可觀測該設計參數下夾持爪運動和輸出力的情況，并作為末端執行器的運動特性。

參照番茄果實物理特性作為球形模擬果實的參數，參照文獻[20, 30-31]，取縱向剛度1.9198×103N/m，密度為1.04±0.06 g/cm3，彈性模量1.7866×106 N/m2，泊松比為0.14。根據機構的尺寸建立ADAMS仿真模型，對約束、驅動、邊界條件、激勵進行設定，3個水平滑塊分別設置運動和力激勵，3個夾持爪的內側與果實表面設為接觸碰撞力，吸盤和果實固定副連接。建立仿真模型，如圖5a所示。動力學分析中，將水平滑塊上設置固定力來模擬氣壓系統提供的恒力輸出，三爪氣缸選用SMC公司MHSL3-50D-M9BW型平行開閉氣爪，缸徑為50 mm，在夾持過程中分為內徑夾持和外徑夾持，如圖5b所示。設置末端執行器夾持過程中3個水平滑塊的運動為先加速后減速運動，最大加速度為5 mm/s2。仿真獲取其他部件質心點的速度和加速度變化曲線，見圖6a、6b所示。可見下連桿運動速度和加速度的變化較小，說明其在整個夾持過程中運動幅度小，上連桿和吸盤在末端執行器閉合后期具有較大運動速度和加速度。

本文設計的末端執行器在氣爪向外運動時實現夾持，為內徑夾持模式，仿真單向作用力作用在夾持點10 mm處，查閱氣缸參數資料獲得氣壓在0.1～0.6 MPa下的夾持力為40～250 N。圖6c為不同系統壓強情況下，夾持100 mm果實在夾持點所產生的夾持力，可見系統壓力與夾持力呈正比例關系，在理想夾持的情況下0.6 MPa壓力可產生44 N的夾持壓力，0.1 MPa僅能產生8.8 N夾持力。圖 6d為0.4 MPa系統壓力下，夾持不同尺寸果實所產生的夾持力，可見果實越大，所產生的夾持力越大。該機構系統壓力、果實尺寸都會對最終的夾持力造成影響，因此單一的控制方法無法適應不同情況下的夾持需求，需要增加反饋伺服氣壓控制，來提高末端執行器的適用性。

3 無損夾持控制方法

目前無損夾持的方法可分為兩類。一類為通過滑覺傳感器檢測采摘對象的滑移反饋，實現最小的可靠夾持力輸出。其優點在于從未知最小的可靠夾持力出發，能實現對不同采摘對象的無損采摘作業[32]，本文設計的末端執行器在果柄分離時刻容易使果實與末端執行產生相對滑移，當初始夾持力過小時，果柄分離時會使果實從末端執行器中脫落，夾持力過大則會對果實產生損傷，因此本文通過模擬相對滑移過程，分析壓力傳感器信號變化情況來判斷滑移發生時刻，從而判斷當前的夾持力是否為穩定夾持的最小夾持力；第二類是通過壓力傳感器檢測夾持力并反饋，實現從采摘末端執行器與采摘對象表面接觸到完成無損夾持過程的夾持力閉環控制，從而避免因夾持力過大造成的果實損傷[20]，該方法需要提前建立無損和夾持力的標定關系，針對不同品種果實，需要大量試驗數據進行統計分析。本文結合兩類夾持方法，將最小夾持力獲取作為控制目標，極限壓力通過靜態夾持損傷壓力來限定。

3.1 果實動態夾持試驗

當末端執行器夾持住果實后，通過人手拉動和旋轉果實來模擬和分解采摘過程中果實與夾持爪之間發生滑動的現象，如圖7所示。并通過對壓力傳感器數據進行采集和分析，獲取果實表面相對末端執行器產生相對滑移的發生時刻判別依據。根據薄膜壓力傳器的工作原理，當傳感器上下表面產生相對位移時均會對內部碳顆粒排布產生影響，從而影響傳感器信號輸出，因此本試驗主要用于捕捉滑移現象的發生時刻對應傳感器信號變化的關系，并未對傳感器的內部結構特性與電器信號輸出表象建立精確的數學關系，因此果實相對末端執行器的運動速度、加速度及平穩性對薄膜壓力傳感器信號變化的關系，可作為后續的深入的研究過程。試驗中采用0.1 MPa低氣壓作為初始壓力，手動操控采摘按鈕控制采摘手閉合夾持番茄，并實時采集壓力傳感器讀數，3個壓力傳感器分別布置在每個夾持爪的內側，采樣頻率通過程序設置為0.2 kHz。

獲得拉動和旋轉情況下3組壓力傳感器的時域信號如圖8a、b所示。在果實發生拉動滑移或轉動滑移前，3組壓力傳感器數字信號都維持在一定數值，但3個傳感器數值有所差異，其原因是壓敏電阻傳感器對受壓位置敏感，由于番茄表面形狀不是完全對稱，導致傳感器受壓位置和大小均不同。果實發生拉動滑移和轉動滑移時3組壓力傳感器讀數產生較大波動，但總體呈下降趨勢，轉動情況下由于滑移的發生不是連續的，因此出現多個波動位置。通過對時域信號相鄰的兩點求差可等到相鄰數據差值圖，從該圖上可明顯看出增幅產生的最大位置。動態均值為信號采集過程中實時對獲取的信號總和求解均值，其公式為

式中Dysum(x)為x數據的動態和；x為目前接收到數據的數量；n(i)為數據數組，i為序號；lengthdata為數據的總長度；Dyavg(x)為x數據的動態均值。

動態標準差SD計算公式如下：

由動態標準差的變化曲線可明顯看出在壓力傳感器數字信號降低的情況下，動態標準差會明顯增大，在轉動情況下，傳感器1和2均產生波動數據，在動態標準差曲線上可看出“臺階”式的增長情況。

3.2 無損夾持算法設計

通過對時域信號進行分析可發現，壓敏電阻受壓表面相對物體發生滑移時，壓力讀數會產生突變，因此可通過突變特征來判斷滑移現象。時域信號的突變特征在相鄰讀數差值上可明顯表現出來，圖8中相鄰讀數差值越大說明突變越明顯，因此通過設置單一閾值可判斷發生滑移的位置，但是在不同夾持工況下該閾值并不是固定值，如果閾值過小會使控制敏感，過大控制延遲嚴重。圖9為在0.1 MPa系統壓力下轉動果實所采集到壓力傳感器局部數據，傳感器相鄰數據差值在50以上的發生的位置有8處，這8個位置均可作為基于數據變化量的滑移判斷，本文為避免相鄰數據差單一閾值適用性不強，且難以選取的問題，采用動態標準差波動上升節點作為滑移位置的判斷特征點。

通過對動態標準差曲線分析發現，無滑移靜態情況下，標準差穩定在某一值左右，因此相鄰標準差變化量基本接近零。當出現滑移，壓力傳感器讀數降低，此時標準差增大，相鄰標準差變化量也增大，通過判斷標準差增大量及其增量維持時間來識別是滑移特征點還是干擾點。圖 10a為標準差上升節點判斷的流程圖，也為滑移判據算法。設置雙閾值：閾值1為標準差增量，大于該閾值則標準差的增量滿足滑移判斷的條件；閾值2為增量持續時間，判斷連續出現滿足滑移判斷的持續次數。對采集的多組動態夾持數據進行試驗，獲取閾值1標準差增量閾值為0.1，閾值2增量持續次數閾值為6時，具有較理想的判斷效果。圖9中實線代表通過該方法判斷出滑移出現的位置。根據滑移位置判斷，提出無損夾持控制算法，如圖10b所示，氣動系統的初始壓力設置為0.1 MPa，3個壓力傳感器同時實時判斷滑移情況，以最先出現滑移信號為控制信號，每次出現滑移信號系統壓力增加0.05 MPa，當系統總壓力增加到極限壓力時，系統壓力不再增加。極限壓力為夾持的靜態損傷壓力，本文對50個番茄進行靜態夾持損傷試驗，發現在0.6 MPa壓力夾持后的番茄放置72 h，84%番茄表面出現褐變，故本文的取極限壓力取0.6 MPa，說明使用0.6 Mpa以上的壓力會出現較大概率損傷。

4 采摘試驗與分析

4.1 試驗設計與方法

試驗于2020年6月15-20日開展，采摘試驗地點為重慶市璧山區璧北蔬菜種植基地和璧山國家農業科技園，試驗對象為移栽番茄，番茄品種為紅運721。采摘末端執行器安裝于傲博AUBO-i5機械臂上，并在末端搭載ZED雙目立體視覺相機，機械臂末端的最大線速度和最大線加速度分別設為1.5 m/s 和1 m/s2，采摘時機械臂在雙目視覺的引導下將吸盤對準并貼近番茄表面，然后執行采摘操作，番茄在夾持爪閉合過程中被吸盤向末端執行器方向拉拽，當夾住果實后擺動氣缸轉動，將番茄果梗與果實分離，夾持過程全程通過Arduino Due控制器運行滑移判斷和無損夾持程序，保證夾持穩定和無損采摘。

為驗證末端執行器無損采摘性能，采摘試驗中將番茄尺寸作為末端執行器適用范圍的衡量指標，按番茄最大外徑分為80～100、70～80、60～70、50～60 mm 4種不同尺寸等級，試驗中4個等級番茄的數量分別為31、55、78和40個，總計204個試驗對象。定義采摘成功率來衡量末端執行器的采摘效果，考慮到番茄的損傷變化過程通常分為兩階段[31]：1）果實細胞膜和細胞壁受到機械損傷，釋放細胞壁修飾酶；2）酶與底物接觸，促進降解，使受損部分產生軟化和褐變。因此通過72 h褐變情況可間接反映夾持力度的控制效果，并與夾持直接損傷率作為無損采摘的衡量指標，定義如下

式中s為采摘成功率，%；n為成功采摘數量；m為總采摘數量；Dd為采摘直接損傷率，%，直接損傷主要包括夾持過程中末端執行器對番茄造成的機械損傷以及使番茄掉落所造成的損傷；p為直接損傷數量；Bs為72 h褐變率，%，將采摘下的番茄放置72 h肉眼觀測其褐變的情況，出現褐色斑點同時該區域出現軟化情況，則定義發生了褐變；q為發生褐變番茄數量。試驗現場如圖11所示。

4.2 試驗結果與分析

試驗統計結果如表2，204個尺寸在50～100 mm內的番茄采摘試驗表明，試驗總采摘成功率為96.03%，單個采摘過程耗時5 s，采摘直接損傷率為1.58%，損傷番茄主要集中在大果徑番茄中，直接損傷主要由以下兩種因素造成：1）吸盤沒有完全貼合果實表面，導致末端執行器在閉合過程中夾持爪前端與番茄表面接觸，壓力反饋信號不準確或丟失，從而降低夾持穩定度，特別在采摘大果徑番茄時，會出現指爪前端損傷番茄表面或扭轉過程中番茄掉落的現象；2）受到果柄和周邊果實的影響，末端執行器在夾持時會同時夾到枝、葉，指爪未完全貼合果實表面，在扭轉過程中果實掉落造成損傷。成功采摘下來的197個番茄中72 h褐變率為1.76%，72 h發生褐變的情況除了與受到夾持力大小有關外，還與番茄果實成熟度有密切關系，在本文中僅通過對已成熟番茄進行隨機抽樣來統計夾持效果，對不同成熟度的影響不做研究。因此基于采摘成功率、直接損傷率和褐變率的結果，可見本文研制的無損采摘末端執行器具有良好的無損夾持效果和優良的采摘性能。

表2 番茄采摘試驗結果統計 Table 2 Statistical results of tomato picking testing

5 結論

1）本文設計了一種氣動吸-夾一體式類球形果實無損采摘末端執行器，通過對多連桿空間三爪機構的創新設計，實現果實回拉和夾持兩個運動由一個單一主動氣缸驅動并實現順序動作，減少主運動機構數量。

2）通過建立末端執行器運動學建模，確定其最大夾持范圍為156 mm以及果實回拉最大距離為38.7 mm的機械結構參數。

3）設計并搭建具有壓力反饋和連續在線調壓功能的電氣伺服控制系統，分析了夾持過程中番茄相對夾持爪滑動時壓力傳感器信號的變化規律，提出基于相鄰動態標準差波動上升節點的雙閾值滑移判別算法，以及無損采摘控制方法。對204個不同尺寸番茄進行采摘試驗表明，末端執行器采摘成功率為96.03%，單個番茄采摘過程耗時5 s，夾持過程中直接損傷率為1.58%，72 h褐變率1.76%，可滿足實際工作需求。