水果被動抓取末端執行器的結構設計

孫金風， 陳 龍， 楊智勇， 熊高健

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

末端操作器作為采摘機器人的關鍵部件，直接影響采摘機器人的采摘能力，對蔬果的成功采摘起著關鍵作用。筆者以抓取蘋果為例對操作器進行結構分析、受力分析和優化分析，設計出具有可調性的柔性緩沖裝置。該裝置通過調整，可以適應市場上大多數品種水果的無損抓取，可廣泛應用于水果產業鏈中的水果在線檢測及分揀領域，提高水果分揀效率，降低勞動強度[1-3]。

1 末端操作器的初步設計

1.1 整體結構及工作原理

采用如圖1所示的三手指穩定抓取方式，主控計算機通過視覺定位水果空間位置并發出指定運動指令[4-5]，先由傳動系統帶動曲柄3旋轉，再通過連桿4牽引滑塊在上下滑臺1、5的滑槽滑動，從而帶動抓取手指8向水果移動抓緊水果。當抓取力達到預設值或水果對抓取手指的反作用力大于扭轉彈簧7的預緊力時，抓取手指連接塊6的凸起將松開按動開關9，電機停轉，抓取手指8停止收縮，水果抓取過程完成。

抓取完成后，傳動系統會對電機發出水果收箱運動的信號。末端操作器運動到指定位置，電機反轉，抓取手指8松開水果，按動開關9再次處于壓緊狀態，并繼續運動，回到初始狀態[6]。水果收箱過程結束，裝置進入下一個工作循環。

1-上滑臺； 2-滑塊； 3-曲柄； 4-連桿； 5-下滑臺； 6-抓取手指連接塊； 7-扭轉彈簧； 8-抓取手指； 9-按動開關； 10-軟硅膠圖 1 整體結構

1.2 機構基本尺寸的確定

1.2.1曲柄及連桿尺寸市場上蘋果的尺寸直徑范圍一般為30～100 mm，高度范圍為40～70 mm，而梨、桃、桔子、柑橘、草莓等其他品種水果的尺寸均小于蘋果。因此，將蘋果作為對象可使機械手具有較大的抓取范圍，能適應其他品種水果的抓取。

取抓取手指的工作直徑范圍為10～100 mm。計采用如圖2所示的曲柄滑塊機構，防止連桿發生干涉，其旋轉角度不能超過120°。經過幾何分析，設計曲柄和連桿的尺寸分別為27.5 mm和55 mm。

圖 2 曲柄連桿

1.2.2滑臺直徑與高度根據曲柄和連桿的尺寸以及抓取手指工作范圍，取滑臺直徑195 mm。為防止滑塊在滑動過程中卡死，對上下滑塊采用兩點拉動的方式。考慮兩點拉動的方案所占用的物理空間，選取滑臺部分高度為100 mm。

2 關鍵部件的設計

2.1 抓取手指的設計

2.1.1抓取手指輪廓確定為獲得水果的近似輪廓曲線，采集蘋果圖片，使用Halcon機器視覺軟件對采集的圖片進行圖像處理。首先利用gen_retangle算子和reduce_domain算子分別創建ROI(感興趣區域)和分割出ROI(圖3b)。進行圖像處理時只需關注待測目標及周圍的區域，以減少計算量，提高圖像處理的速度和精度。然后利用trans_from_rgb和threshold對ROI閾值分割，得到初步分割圖，再使用圖像形態學算法進一步處理，對目標進行增強和除去一些噪聲干擾，為后續的特征提取和邊緣檢測做準備。最后利用Canny算子進行目標輪廓提取(圖3d)。

圖 3 提取蘋果輪廓過程

圖4為不同品種蘋果的正面圖片，通過圖像處理提取不同品種蘋果的輪廓曲線。

圖 4 提取不同品種蘋果的輪廓圖

調整提取出來的輪廓圖像，將圖片像素尺寸改成一致，在Matlab軟件中提取比例一致的數據并分析比較。用Matlab軟件調用處理后的圖片，采用取點法，提取出蘋果輪廓曲線(圖5)。

(a)不同品種蘋果輪廓曲線

(b)綜合輪廓曲線圖 5 蘋果輪廓曲線

圖 6 手指寬度分析 mm

采用算術平均值算法，將取得的數據求平均值，擬合出綜合輪廓曲線。

2.1.2建立手指模型由于蘋果高度一般范圍為40～70 mm，抓取手指接觸高度小于蘋果高度的一半，因此取抓取手指彎曲部分的高度為30 mm，手指豎直部分高度為40 mm。

為防止三個抓取手指在抓取過程中產生相互干涉，同時保證手指和蘋果有足夠的接觸面積，讓手指寬度利用率足夠大，根據蘋果的最小直徑，確定手指寬度范圍為20 mm。

根據前面的確定抓取手指得高度和寬度，采用Matlab獲得的綜合輪廓曲線的有效數據點，根據蘋果的高度范圍，對曲線進行適當的調整，在Creo軟件中建立抓取手指模型(圖7)。

圖 7 手指曲線和三維模型

采用擬合蘋果輪廓曲線彎曲手指作為抓取執行部件。由于抓取手指的抓取面與蘋果外輪廓十分相近，所以其抓取水果時的接觸面積大，所需抓取力相對較小。此外，手指內側貼有軟硅膠，增加了抓取的柔性，抓取蘋果時有一定緩沖作用，從而大大降低了蘋果的損壞率。

2.2 柔性緩沖裝置的改進設計

由于初步設計的末端操作器的緩沖器過于簡單，僅抓取手指連接塊和抓取手指連接處安裝了扭轉彈簧，扭轉彈簧的剛性較大，預緊力的范圍過小，很可能會造成抓取成功率會偏低，水果的損壞率偏高，而且抓取對象單一。因此，需要對柔性緩沖裝置進行改進設計，進一步提高抓取效率和質量。在抓取手指和運動部件連接處采用柔性緩沖裝置，代替了單一的扭轉彈簧，其結構設計如圖8所示。

1-壓塊; 2-按動開關; 3-抓取手指連接塊; 4-預緊力調整塊; 5-預緊力刻度尺; 6-螺釘; 7-螺母; 8-調整螺母; 9-預緊力指針; 10-壓縮彈簧; 11-抓取手指; 12-軟硅膠圖 8 改進后的抓取手結構

如圖8所示，按動開關2安裝在抓取手指連接塊3的側面上，壓塊1壓住按動開關2。彈簧預緊力調整塊4固定安裝在抓取手指連接塊3上。預緊力刻度尺5安裝在預緊力調整塊4上。螺釘6通過螺母7安裝在彈簧預緊力調整塊4上。預緊力指針9位于壓縮彈簧10和調整螺母8之間。

工作時，當抓取力矩大于壓縮彈簧力矩，抓取手指會相對于抓取手指連接塊向外側轉動，同時按動開關壓塊解除對按動開關的壓力，按動開關變為斷開狀態，驅動電機停止運動，抓取手指停止運動，防止損傷水果，抓取動作結束。當抓取手指松開水果時，抓取手指在壓縮彈簧回復力的作用下歸正，按動開關壓塊重新壓緊按動開關，柔性緩沖裝置復位。通過調整螺母的位置，改變壓縮彈簧的預緊力，可實現對不同品種水果的抓取。

3 蘋果的受力分析及抓取力的確定

3.1 抓取蘋果受力模型

建立簡化模型如圖9所示。先將受力模型簡化，針對手指和蘋果理想接觸情況計算出手指抓取力的理想值，然后通過調整裝置在樣品中進一步調整抓取力。

F-機械手對蘋果的作用力;G-蘋果的重力;f-蘋果受到的摩擦力;D-蘋果直徑;AB-簡化后的蘋果受力面;Q-蘋果受力面和水平方向的夾角圖 9 簡化模型

3.2 將蘋果抓起的最小抓取力

(1)

(2)

(3)

根據受力平衡

G=3×(FX+FY)

(4)

綜合式(1)(2)(3)解得F和D之間的關系如下：

(5)

在Matlab軟件中輸入式(5)，輸出的圖形如圖10所示。

圖 10 手指所需壓力與蘋果直徑的對應關系

抓取裝置的手指高度為30 mm，當蘋果直徑D<60 mm時，簡化后蘋果受力面和水平方向的夾角Q=π/4。由式(1)(5)得

(6)

由式6可知，末端操作器要將不同直徑的蘋果抓起所需的抓取力范圍為0.04～1.97 N。為了保證不同直徑的蘋果都能順利抓起，單個手指所需壓力值取F=2 N。考慮到這是理想接觸情況下的受力，取安全系數S=2，則實際抓取蘋果時最小抓取力Fmin=S·F=4.00 N。

3.3 不破壞蘋果的最大抓取力

不同品種成熟蘋果的表面硬度及果肉硬度值如表1[7]所示。由于所有品種蘋果的果肉硬度都小于其表面硬度，其差值在1～2 kg/cm2。為防止果肉先于果皮發生變形而產生損傷，將果肉硬度作為不破壞蘋果的參考標準。根據表1的信息，取最小蘋果硬度值P=5 kg/cm2=0.5 N/ mm2。

表1 不同品種蘋果各個生長期臨界受力特征

在抓取蘋果時，抓取手指內側貼有的軟硅膠與蘋果表面充分接觸，接觸面積大小可近似等于整個軟硅膠層的面積。根據模型尺寸，通過對模型曲面的掃描得到單個抓取裝置的手指與蘋果直接接觸的表面積S=442 mm2，則不破壞蘋果表面的最大抓取力Fmax=P×S=0.5×442 N=110.5 N。

3.4 確定抓取力和預緊力

1)確定抓取力

由于Fmin

F=25.3 N即作為該裝置抓取蘋果時設定的抓取力。

本設計雖以蘋果為主要抓取對象，但最終面向的對象是多品種的水果。經查詢相關水果的表面硬度值和尺寸范圍[8-9]，參考蘋果的受力分析過程，分析結果如表2所示。

表2 不同水果尺寸和抓取力分析結果

由表2可看出，蘋果的預定抓取力與其他水果最佳抓取力相差較大，會造成對應的彈簧預緊力量程、彈簧刻度尺尺寸偏大以及調節不方便等缺點，而且實際上抓取蘋果的力度也不需要25.3 N，因此需要將初步設置的蘋果抓取力調得更小一些。選取最小抓取力的2.5倍為蘋果的抓取力，即10 N，這樣既確保穩定的抓取成功率，又避免了不同品種水果的預緊力相差過大所帶來的問題。

2)求取彈簧預緊力

根據抓取機構手指的力矩分析(圖11)，由轉矩平衡公式得：

圖 11 手指力矩分析

Ft·Lt=F·Lsin∠Q

(7)

F為果對手指的反作用力；Ft為壓縮彈簧對手指的作用力；L為簡化后水果反作用力臂；Lt為壓縮彈簧作用力臂；Q：F和L的夾角。

建模時，根據裝置的工作需要和滿足連接件的安裝要求，初定參數：L=78.81 mm；Lt=17.00 mm；Q=72°。根據不同水果的最佳抓取力，由式(7)計算出對應的彈簧壓力，結果如表3所示。

表3 常見水果抓取力與所需彈簧力N

4 關鍵結構尺寸優化與校核

4.1 曲柄滑塊機構尺寸優化

根據工作要求，抓取手指的抓取范圍為10～100 mm。為防止干涉，曲柄滑塊機構中曲柄轉角不超過120°，取其旋轉角度范圍為0～110°，則曲柄滑塊從0～110°的轉動過程中行程差為45 mm。為保證滑臺尺寸合理，將曲柄滑塊中曲柄長度和連桿長度作為設計變量，將它們的和作為目標函數，在Matlab中進行優化，得到滿足運動要求的最小尺寸。建立數學模型。

設曲柄長度為L1，連桿長度為L2，滑塊為B。曲柄旋轉角度θ的范圍是0～110°。曲柄旋轉一周，最大行程差為2L1，則有2L1>45，取L1下界為23 mm。

由圖12根據余弦定理

圖12 曲柄連桿數學模型

可得

(8)

則行程差

有等式約束條件S=45。

取曲柄長度L1上界為40 mm，連桿長度下界和曲柄長度下界相同，連桿長度上界為70 mm。在Matlab中進行優化設計，優化結果為曲柄長度L1為28.53 mm，連桿長度L2為57 mm。

4.2 抓取手指的結構優化

在抓取手指安裝位置處設計調整塊，其滑塊端點的運動范圍為25～70 mm，對應的抓取直徑為50～140 mm。經過調整，調整塊沿著滑臺徑向長度為32 mm，抓取手指的工作直徑范圍為10～100 mm，滿足設計要求。

4.3 滑塊支撐桿的強度校核

滑塊支撐桿是本裝置中受載荷較大的零件。對其進行靜力學分析。選取45號鋼作為分析材料，將滑塊支撐桿和滑塊連接處固定約束，單個手指的最大抓取力不超過10 N，在滑塊支撐桿和抓取手指連接處一共施加10 N的力，在Creo中對滑塊支撐桿進行靜力學分析，結果如圖13所示。

圖13 滑塊支撐桿靜力學分析

分析結果顯示，危險截面處馮米斯應力值為14.346 MPa，端點處最大位移為10.4 μm，滿足材料的使用安全。

5 機構運動仿真

5.1 工作環境仿真

如圖14所示，將優化后的抓取機械手末端執行器(圖15)安裝在導軌上。執行器工作動力由步進電機提供，整體上下運動的動力由氣缸提供。

1-導軌; 2-氣缸; 3-步進電機; 4-抓取機械手; 5-傳送帶圖14 抓取機械手工作環境仿真

1-滑塊支撐桿;2-軸承;3-曲柄;4-連桿;5-滑塊;6-調整塊;7-抓取手指連接塊;8-按動開關;9-壓塊;10-預緊力調整塊;11-預緊力刻度尺;12-壓縮彈簧;13-抓取手指;14-軟硅膠圖15 優化后的末端操作器

通過機器視覺技術對水果目標進行識別定位，攝像頭采集圖像并將其圖像數據傳輸給主控計算機，主控計算機中視覺處理軟件完成輸入的圖像數據處理，通過一定運算得出抓取目標的三維信息。獲取目標的三維信息后，主控計算機發出相應運動指令，抓取機械手將目標抓取后運送到指定位置。

5.2 機構運動學仿真

根據其約束條件，結合代數和幾何方法推導出電機運動的逆解公式。逆解公式的結果是否存在解，與末端執行器的約束條件密切相關，如果不滿足其約束條件，則無解[10]。

由圖16a可看出，當曲柄以10°/s勻速轉動，滑塊速度先增加后減少，確保穩定抓取，只需控制步進電機的轉速即可。當步進電機轉速規律如圖16b所示時，滑塊可做勻速直線運動，實現穩定抓取。

圖16 運動分析