茶葉嫩梢采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)研究

許麗佳，劉琦,2，代建武，陳小虎

茶葉嫩梢采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)研究

許麗佳1，劉琦1,2，代建武1，陳小虎1

1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625014；2. 華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院，湖北 武漢 430074

為了解決茶葉嫩梢的選擇性采摘問題，以茶葉嫩梢的物理學(xué)特性為設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種可夾提式采摘茶葉嫩梢的末端執(zhí)行器，運(yùn)用MATLAB軟件的GUI模塊及SolidWorks軟件對(duì)采摘末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選分析，并獲得最佳組合參數(shù)，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析可行且滿足夾持力要求；采摘末端執(zhí)行器模型在茶園進(jìn)行采摘試驗(yàn)，結(jié)果表明，一芽一葉的漏采率為2.8%、采摘完整率為91%；一芽?jī)扇~的漏采率<3%、采摘完整率為94%，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該采摘末端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其參數(shù)切實(shí)可行，為茶葉嫩梢的選擇性采摘提供理論依據(jù)，并為后續(xù)茶葉嫩梢采摘機(jī)的研發(fā)提供技術(shù)支撐。

茶葉嫩梢；采摘機(jī)械手；末端執(zhí)行器；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

中國(guó)是茶葉生產(chǎn)大國(guó)，茶葉種植具有面積大、分布廣、產(chǎn)量高等特點(diǎn)。2019年統(tǒng)計(jì)表明，中國(guó)18個(gè)主要產(chǎn)茶地區(qū)茶園種植面積為306.5萬hm2，產(chǎn)值到達(dá)2?396億元。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的大背景下，研發(fā)綠色化和自動(dòng)化、智能化程度高的大型茶葉機(jī)械是中國(guó)茶葉機(jī)械化生產(chǎn)發(fā)展的核心方向[1]，而茶葉采摘機(jī)械化已成必然趨勢(shì)。嫩梢采摘是茶葉產(chǎn)業(yè)鏈中最耗時(shí)、耗力的環(huán)節(jié)，其耗費(fèi)的人工成本占據(jù)茶農(nóng)收益的50%，現(xiàn)有采茶機(jī)以采摘大宗茶葉為主，一刀切采摘模式無法選擇性采摘嫩梢。近年來形成了一些名優(yōu)茶采摘機(jī)的相關(guān)研究成果：如宋揚(yáng)揚(yáng)等[2]設(shè)計(jì)了一種履帶式智能采茶機(jī)，利用SolidWorks軟件三維建模對(duì)采茶機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析和茶園試驗(yàn)；歐陽愛國(guó)等[3]為降低茶葉在收集板上的堆積并提高茶葉到集葉袋的輸送能力，依據(jù)流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)原理對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)；范元瑞等[4]利用單支鏈約束方程求解采摘機(jī)器人的采摘空間，建立其空間模型；蔡麗萍等[5]針對(duì)優(yōu)質(zhì)嶗山茶的種植及生長(zhǎng)特點(diǎn)，通過拍攝環(huán)境背景設(shè)置、兩葉一針嶗山茶的嫩梢識(shí)別、針尖的特征提取及定位等進(jìn)行了方法研究，設(shè)置藍(lán)光作為拍攝環(huán)境背景利用分塊二值矩陣求和的方法進(jìn)行針尖的識(shí)別；王立謙等[6]結(jié)合STM32和MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種新的農(nóng)業(yè)果實(shí)采摘機(jī)器人激光自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中引入了PID算法，提高了果實(shí)采摘機(jī)器人的定位精度和自動(dòng)化程度；劉燦[7]在全面理解自動(dòng)采摘工作原理及結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上建立核心部件采摘作業(yè)的有限元理論控制模型，創(chuàng)建符合實(shí)際的采摘結(jié)構(gòu)三維物理模型；Dong等[8]采用圖像特征（色澤和紋理）和Ada Boost改進(jìn)的ELM（極限學(xué)習(xí)機(jī)）混合算法，明確了茶葉外形表象與人的感官感受間的非線性量化解析關(guān)系。即使上述文獻(xiàn)對(duì)智能機(jī)械采摘作了諸多研究，選擇性采摘嫩梢仍然是采茶機(jī)研發(fā)過程中的難點(diǎn)，而采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)則是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本研究以四川省雅安市名山區(qū)廣泛種植的名山131茶樹為研究對(duì)象，結(jié)合茶葉嫩梢的物理學(xué)特性（亦稱力學(xué)特性，即夾提式拉斷嫩梢葉柄所需的夾持力）及前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9-10]，運(yùn)用MATLAB軟件的GUI模塊及SolidWorks軟件設(shè)計(jì)優(yōu)選了一種適于該類茶葉嫩梢的夾提式采摘末端執(zhí)行器，為后續(xù)各品種茶葉嫩梢采摘機(jī)的選擇性采摘奠定理論基礎(chǔ)。

1 采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

1.1 茶葉嫩梢采摘機(jī)模型

針對(duì)復(fù)雜的茶園環(huán)境，本研究提出了茶葉嫩梢采摘機(jī)的整體方案（圖1）。采摘機(jī)由履帶式底座、機(jī)器視覺模塊、微處理器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、裝配架、機(jī)械手和收集裝置（包括可伸縮收集平臺(tái)和真空箱）組成，其中，多個(gè)機(jī)械手采用3行4列形式固定在裝配架上，機(jī)器視覺模塊采用ZED深度感知攝像頭對(duì)茶壟的縱深進(jìn)行測(cè)距，微處理器模塊獲得茶壟縱深距離信號(hào)后，發(fā)生控制指令至各個(gè)對(duì)應(yīng)的機(jī)械手，所有機(jī)械手隨即采摘并自動(dòng)收集嫩梢。其中，機(jī)械手由機(jī)械臂（包括大臂和小臂）及安裝在其頂端的采摘末端執(zhí)行器構(gòu)成，如圖2所示。采摘末端執(zhí)行器通過對(duì)嫩梢的夾提式選擇采摘，對(duì)比基于機(jī)器視覺的嫩梢識(shí)別定位及采摘[11]，可以較大程度地提高采摘效率并降低漏采率。

1.2 采摘末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)夾提式選擇性采摘嫩梢，結(jié)合在實(shí)際采摘過程中的運(yùn)動(dòng)特性，本研究選取梯形式四桿機(jī)構(gòu)，如圖3所示。從圖3可知，采摘末端執(zhí)行器由前后位置對(duì)稱的一對(duì)搖桿機(jī)構(gòu)（包括齒輪搖桿和從動(dòng)搖桿）、主/從動(dòng)齒輪、2個(gè)夾持件、傳動(dòng)軸、舵機(jī)和箱體組成，其兩側(cè)齒輪搖桿的同步傳動(dòng)采用軸傳動(dòng)，舵機(jī)作為動(dòng)力源，圖3中的A、B、C、D四點(diǎn)即形成四桿機(jī)構(gòu)。在兩個(gè)夾持件之間的箱體用作安裝末端執(zhí)行器的零部件，舵機(jī)安裝在箱體頂部，其通過傳動(dòng)部件（傳動(dòng)軸、相互嚙合的主/從動(dòng)齒輪和四桿機(jī)構(gòu)）與2個(gè)夾持件相連。通過前期試驗(yàn)測(cè)試，選取具有防水抗氧化的鋁合金作為夾持件材料。

當(dāng)接收到來自機(jī)器視覺模塊的茶壟縱深距離后，微處理器模塊發(fā)送控制指令經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)各個(gè)機(jī)械手動(dòng)作，在機(jī)械臂的帶動(dòng)下采摘末端執(zhí)行器下降至待采高度，舵機(jī)隨即通過傳動(dòng)部件使得2個(gè)夾持件閉合即可夾持嫩梢，在預(yù)設(shè)夾持力的作用下2個(gè)夾持件夾斷嫩梢葉柄而無法夾斷老葉葉柄，嫩梢采摘完畢后2個(gè)夾持件保持閉合并伴隨機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)而上升，待上升至固定高度時(shí)，機(jī)械臂下方的收集平臺(tái)向前伸出到指定位置，此時(shí)2個(gè)夾持件張開使得嫩梢在重力作用下落在可伸縮收集平臺(tái)上，隨后收集平臺(tái)開始向后退回，當(dāng)嫩梢隨收集平臺(tái)向后移動(dòng)時(shí)將經(jīng)過真空箱的吸附口從而被吸入箱內(nèi)完成嫩梢的收集。此為一次完整的夾提式選擇采摘過程，后續(xù)隨著履帶式底座沿茶壟方向緩慢前行并循環(huán)該采摘過程。

2 采摘末端執(zhí)行器的參數(shù)設(shè)計(jì)

從圖3中可知，采摘末端執(zhí)行器的夾持力（即指舵機(jī)通過四桿機(jī)構(gòu)作用在E點(diǎn)的力）與其結(jié)構(gòu)參數(shù)有著密切關(guān)系，其結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括2個(gè)夾持件的尺寸和傳動(dòng)部件的參數(shù)，其中，傳動(dòng)部件的參數(shù)包括由舵機(jī)帶動(dòng)所引起的四桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角（圖3-a）中對(duì)稱的2個(gè)主動(dòng)搖桿AD轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的角度、傳動(dòng)角、齒輪半徑和四桿機(jī)構(gòu)的4個(gè)參數(shù)，即圖3中的主動(dòng)搖桿AD、連桿CD、從動(dòng)搖桿BC以及AB段的長(zhǎng)度。故需對(duì)采摘末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化，使得采摘末端執(zhí)行器具備所需的夾持力上限值（指舵機(jī)通過四桿機(jī)構(gòu)作用在E點(diǎn)處的力等于此值則嫩梢葉柄被夾斷而老葉葉柄不能被夾斷）。另外，茶葉嫩梢大多數(shù)生長(zhǎng)在呈拱形的茶壟表面，經(jīng)實(shí)地試驗(yàn)可知，在舵機(jī)帶動(dòng)下四桿機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角為30°時(shí)較合適，若此角度過大會(huì)導(dǎo)致夾持茶葉數(shù)過多而采摘效果不佳，反之則夾持茶葉數(shù)過少而無法高效采摘。

圖1 茶葉嫩芽采摘機(jī)模型

注：（a）機(jī)械手的結(jié)構(gòu)模型；（b）機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 采摘末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.1 夾持件的尺寸選擇

據(jù)前期試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)[10]可得，名山131茶樹的一芽一葉葉柄的拉斷力平均值為3.08?N、拉斷力上限值為3.51?N，一芽?jī)扇~的拉斷力平均值為5.51?N、拉斷力上限值為7.40?N，茶葉老葉的拉斷力下限值大于10?N。從圖3可知，采摘末端執(zhí)行器是夾提式采摘，通常一次夾取多片茶葉導(dǎo)致所需的安全夾持力會(huì)出現(xiàn)小范圍浮動(dòng)[12]，結(jié)合前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果設(shè)置采摘末端執(zhí)行器的夾持力上限值1=8?N，夾持件接觸面選取抗水抗氧化的鋁合金材料。

為避免損傷旁側(cè)嫩梢和平穩(wěn)采摘，采摘末端執(zhí)行器的夾提式采摘?jiǎng)幼鳛閳A弧狀運(yùn)動(dòng)軌跡，且盡量呈水平狀態(tài)。前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過SPSS軟件分析得到實(shí)際夾持力與突變值（突變值即葉柄在該值下產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷）的百分比關(guān)系為64%，即安全系數(shù)為0.64，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸運(yùn)算，可得夾持件夾持嫩梢葉柄時(shí)的接觸面寬度（圖3-b）與嫩梢所受的實(shí)際夾持力之間的回歸方程：

=0.64×(1.555+2.523?8) ············（1）

根據(jù)式（1）以?shī)A斷嫩梢所需夾持力的平均值5.51?N計(jì)算出接觸面寬度=4?mm，經(jīng)多次試驗(yàn)選取夾持件的尺寸為176?mm×56?mm×90?mm，夾持件與茶葉接觸面的面積為176?mm×4?mm。

2.2 傳動(dòng)部件的參數(shù)選擇

為使得傳動(dòng)部件體積小、重量輕，選取一對(duì)齒輪的半徑為20?mm、箱體長(zhǎng)度為150?mm、箱體寬度為70?mm。在已知夾持件尺寸的情況下，為了得到預(yù)期的安全夾持力，需要對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的4個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，故需建立四桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型并推導(dǎo)分析，在一定限制條件下進(jìn)行優(yōu)化以便獲得最佳的組合參數(shù)值[13]。

2.2.1四桿機(jī)構(gòu)的位移方程

圖3中的B點(diǎn)位置不變，故以此點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。在圖4中，AB段的長(zhǎng)度設(shè)為1，主動(dòng)搖桿AD、連桿CD、從動(dòng)搖桿BC的長(zhǎng)度分別設(shè)為2、3和4。夾持件的采摘點(diǎn)即E點(diǎn)與C點(diǎn)在同一構(gòu)件上（圖3），故C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度即為E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度。圖4中，E點(diǎn)的加速度越小則采摘末端執(zhí)行器的夾持動(dòng)作越穩(wěn)定，E點(diǎn)的速度越大則采摘末端執(zhí)行器的夾持效率越高。

注：（a）結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型；（b）C點(diǎn)位置圖解

設(shè)BD與BC之間的夾角為，BD與X正半軸之間的夾角為，C點(diǎn)的位置坐標(biāo)（x，y），由該結(jié)構(gòu)模型的幾何關(guān)系可得C點(diǎn)的位移方程為：

2.2.2 四桿機(jī)構(gòu)的速度及加速度方程

坐標(biāo)原點(diǎn)B坐標(biāo)為（x=0，y=0），C點(diǎn)、D點(diǎn)的水平方向和垂直方向的速度分別為V、V、V、V，D點(diǎn)的位置坐標(biāo)為（x，y），由圖4可得C點(diǎn)的速度方程為：

式中，1=x－x，2=y－y，3=x－x，4=y－y。

設(shè)B點(diǎn)在水平、豎直方向的速度分別為V、V，設(shè)C點(diǎn)、D點(diǎn)在水平/垂直方向的加速度分別為（a，a）、（a，a），則C點(diǎn)的加速度方程為：

2.2.3 四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角

四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率與其傳動(dòng)角1呈正相關(guān)關(guān)系。主動(dòng)搖桿AD與連桿CD之間的夾角即為四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角1，如圖5所示。

由于整個(gè)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量輕且轉(zhuǎn)速低，故其慣性未計(jì)入，由圖5可得傳動(dòng)角1計(jì)算如下：

式中，AC表示A、C兩點(diǎn)間的距離。

由圖5可知，在其余參數(shù)固定時(shí)，2或3增加會(huì)使傳動(dòng)角1增大，四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率就增高，C點(diǎn)的夾持力（舵機(jī)通過四桿機(jī)構(gòu)作用在C點(diǎn)的力）也就隨之增大；在其余參數(shù)不變的情況下，4增加使AC增加則傳動(dòng)角1隨之減小，四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率降低，夾持力則隨之減小。

2.2.4 四桿機(jī)構(gòu)C點(diǎn)的夾持力

設(shè)采摘作業(yè)時(shí)舵機(jī)力矩為，連桿CD到A點(diǎn)的力臂即垂直距離為3（圖5），前述已知采摘末端執(zhí)行器的夾持力（即舵機(jī)通過四桿機(jī)構(gòu)作用在E點(diǎn)的力）的上限值1=8?N，由圖5可得3、為：

設(shè)連桿CD與X軸的水平夾角為3，由此可推導(dǎo)C點(diǎn)的夾持力和3計(jì)算如下：

2.3 傳動(dòng)部件的參數(shù)優(yōu)化

前述已知四桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角以及一對(duì)齒輪的半徑，根據(jù)茶葉嫩梢的物理學(xué)特性，四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角1、4個(gè)參數(shù)（1、2、3、4）還需滿足下述條件：（1）1+2≤3+4，其中，1最短、2最長(zhǎng)；（2）舵機(jī)在E點(diǎn)的實(shí)際作用力需接近夾持力上限值1=8?N；（3）四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率較高（傳動(dòng)角較大）；（4）夾持件的夾持動(dòng)作為圓弧狀運(yùn)動(dòng)軌跡，且盡量呈水平狀態(tài)，以保證平穩(wěn)采摘。

1、2、3、4的初始值均設(shè)為50?mm，利用MATLAB軟件開發(fā)了用于優(yōu)化此4個(gè)參數(shù)的GUI界面[14]，在該界面的控制區(qū)域內(nèi)點(diǎn)擊功能按鈕，將會(huì)在圖形顯示區(qū)內(nèi)顯示出在當(dāng)前參數(shù)下的采摘末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)仿真，如圖6所示。

在圖6-a中，當(dāng)4個(gè)參數(shù)（1、2、3、4）固定時(shí)，夾持力（其負(fù)號(hào)代表方向，絕對(duì)值越大則表示夾持強(qiáng)度越大即越大，下同）隨著C點(diǎn)水平位移X的增大其趨于減小（后期略有所增加），1=35?mm、2=60?mm、4=50?mm且X固定時(shí)設(shè)置3=35?mm、37?mm、38?mm，從圖中可知隨著3的增加也增加，3=38?mm、X=15?mm時(shí)達(dá)到極大值；在圖6-b中，當(dāng)1=35?mm、3=35?mm、4=50?mm且X固定時(shí)，設(shè)置2=55?mm、60?mm、65?mm，由圖可知隨著2的增加也增加，2越大受X的影響越小，當(dāng)2=65?mm時(shí)=–4?N基本恒定（即不受X的影響）；以此類推，當(dāng)1、2、3、X固定時(shí)，從圖6-c中可知隨著4的減小則越大，4越小受X的影響越小，4=45?mm時(shí)=–4?N基本恒定（不受X的影響）；從圖6-d—圖6-f中可知，當(dāng)4個(gè)參數(shù)均固定時(shí)C點(diǎn)加速度隨著X的增大而增大，當(dāng)4個(gè)參數(shù)中的任意3個(gè)參數(shù)（以圖6-d為例，1、2、3）和X固定而第4個(gè)參數(shù)4（以圖6-d為例）逐漸減小，從3幅圖中可知隨著第4個(gè)參數(shù)4（以圖6-d為例）的增加C點(diǎn)加速度也減小。圖7中的箭頭表示2個(gè)夾持件由張開到閉合的運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)采摘末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘運(yùn)動(dòng)時(shí)，C點(diǎn)的水平位移、速度、加速度均發(fā)生變化。在最佳組合參數(shù)下，圖7-a中橫、縱坐標(biāo)即C點(diǎn)坐標(biāo)（x，y），該圖中的C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈圓弧狀，X=16?mm時(shí)C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡處于最低點(diǎn)（茶葉嫩梢位置）即采摘末端執(zhí)行器閉合夾采茶葉嫩梢，C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)表示采摘末端執(zhí)行器處于最大轉(zhuǎn)動(dòng)角狀態(tài)；C點(diǎn)速度、加速度、夾持力與其水平位移X之間的曲線分別如圖7-b、圖7-c、圖7-d所示，從圖中可知當(dāng)X=16?mm時(shí)C點(diǎn)的速度達(dá)到極大值、加速度達(dá)到極小值而夾持力達(dá)到極大值，隨著采摘末端執(zhí)行器逐漸閉合則C點(diǎn)加速度單調(diào)減小、C點(diǎn)速度先減小后逐漸增加、夾持力先減小后增大，在X=42?mm處C點(diǎn)的速度和夾持力均達(dá)極小值，是源于舵機(jī)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)各桿之間的夾角出現(xiàn)了持續(xù)變化。從圖7-c可知在X=16?mm處C點(diǎn)加速度為極小值，即2個(gè)夾持件閉合夾采嫩梢，此時(shí)采摘末端執(zhí)行器處于最平穩(wěn)狀態(tài)；在圖7-d中，當(dāng)X=16?mm時(shí)=–3.5?N（即最大，負(fù)號(hào)僅表示其方向），此時(shí)對(duì)應(yīng)舵機(jī)通過四桿機(jī)構(gòu)作用在E點(diǎn)的力1為8?N，由X=16?mm及對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)角1代入式（6）計(jì)算，可得此時(shí)舵機(jī)力矩為840?N·mm。

注：（a）不同3值時(shí)的C點(diǎn)夾持力曲線；（b）不同2值時(shí)的C點(diǎn)加速度曲線；（c）不同4值時(shí)的C點(diǎn)夾持力曲線；（d）不同4值時(shí)的C點(diǎn)加速度曲線；（e）不同2值時(shí)的C點(diǎn)加速度曲線；（f）不同3值時(shí)的C點(diǎn)加速度曲線

Note: (a) Clamping force curve of C-point for different3values. (b) Clamping force curve of C-point for different2values. (c) Clamping force curve of C-point for different4values. (d) Acceleration curves of C point for different4values. (e) Acceleration curves of different2values. (f) Acceleration curves of C point different3values

圖6 不同四桿機(jī)構(gòu)參數(shù)下的仿真曲線

Fig.6 Simulation curves under different four-bar mechanism parameters

注：（a）C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡；（b）C點(diǎn)速度曲線；（c）C點(diǎn)加速度曲線；（d）C點(diǎn)夾持力F'曲線

2.4 運(yùn)動(dòng)仿真

為驗(yàn)證上述采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其參數(shù)的可行性，用三維建模軟件Solidworks對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模[15]并導(dǎo)入Motion板塊中進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)前期試驗(yàn)參數(shù)及茶葉嫩梢物理學(xué)特性數(shù)據(jù)，設(shè)置舵機(jī)的角速度為8.055?rad·s-1，在采摘過程中施加一個(gè)8?N的反向壓力作用于采摘末端執(zhí)行器的夾持件（圖3-a中的E點(diǎn)），以便反向驗(yàn)證其可行性及運(yùn)動(dòng)軌跡等，仿真獲得采摘末端執(zhí)行器C點(diǎn)加速度和舵機(jī)力矩的曲線如圖8所示。

采摘末端執(zhí)行器呈圓弧狀運(yùn)動(dòng)如圖3-a所示，圖8中的虛線為舵機(jī)帶動(dòng)采摘末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期的力矩變化曲線呈對(duì)稱分布，在[0，0.13?s]對(duì)應(yīng)采摘末端執(zhí)行器的閉合運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，[0.14?s，0.26?s]對(duì)應(yīng)采摘末端執(zhí)行器的張開運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。從圖8可知舵機(jī)力矩隨時(shí)間先減小后增大，在0.13?s附近2個(gè)夾持件閉合采摘嫩梢，此時(shí)舵機(jī)力矩達(dá)到最大值845?N·mm，依據(jù)式（6）所得的舵機(jī)力矩為840?N·mm，理論計(jì)算結(jié)果略小于實(shí)際仿真結(jié)果，其原因在于式（6）計(jì)算過程中忽略采摘末端執(zhí)行器自身重量以及運(yùn)動(dòng)慣性的影響，當(dāng)然其重量通常較小。另外，在采摘末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)過程中舵機(jī)力矩最小值為43?N·mm，這也是因?yàn)椴烧┒藞?zhí)行器不僅受舵機(jī)力矩的驅(qū)動(dòng)，還受其自身重量以及運(yùn)動(dòng)慣性的影響所致。另外，鑒于采摘作業(yè)過程中部件之間還存在摩擦力以及其他阻力，實(shí)際應(yīng)用中舵機(jī)力矩要大于虛擬仿真所得的舵機(jī)力矩最大值845?N·mm；圖8中的實(shí)線為采摘末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期的C點(diǎn)加速度的變化曲線，從圖中可知，C點(diǎn)加速度隨時(shí)間呈減小趨勢(shì)，加速度越小采摘越平穩(wěn)即0.13?s附近出現(xiàn)最小值，即采摘末端執(zhí)行器采摘茶葉嫩梢時(shí)具有最好的平穩(wěn)性，此時(shí)C點(diǎn)加速度為6?738?mm·s-2，從圖7-c可知對(duì)應(yīng)C點(diǎn)加速度為5?000?mm·s-2，兩者之間的誤差在于理論計(jì)算過程中忽略了采摘末端執(zhí)行器自身重量以及運(yùn)動(dòng)慣性的影響。綜上所述，仿真結(jié)果與理論計(jì)算相符合，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的正確性及可行性。

3 茶園試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的采摘末端執(zhí)行器的實(shí)際采摘性能，本研究選取DS32250金屬舵機(jī)，根據(jù)JB/T 6281—2007采茶機(jī)相關(guān)規(guī)定，以采摘末端執(zhí)行器的實(shí)際夾持力、嫩梢漏采率、嫩梢完整率為主要檢測(cè)指標(biāo)[17]，制作模型如圖9所示。

注：（a）3月份采摘作業(yè)；（b）8月份采摘作業(yè)

試驗(yàn)舵機(jī)角速度設(shè)為8.055?rad·s-1，四桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角為30°，在3月下旬對(duì)一芽一葉、一芽?jī)扇~的嫩梢以及老葉各自進(jìn)行了72組試驗(yàn)，記錄樣本數(shù)據(jù)并按照試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

嫩梢漏采率計(jì)算如下：

采收嫩梢完整率1計(jì)算如下：

式中，為采收嫩梢數(shù)，1為采收無損嫩梢數(shù)，2為漏采嫩梢數(shù)。

3.2 性能試驗(yàn)

將采摘末端執(zhí)行器模型在雅安市某茶園進(jìn)行采摘試驗(yàn)（圖9）。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果（表1），若F小于最小值時(shí)，該模型無法采摘對(duì)應(yīng)茶葉組；若2.76?N<<4.51?N，該模型僅能采摘一芽一葉嫩梢組；當(dāng)>3.51?N，會(huì)降低一芽一葉嫩梢組的采摘質(zhì)量；若7.80?N<<13.70?N，會(huì)降低所有嫩梢組的采摘質(zhì)量且無法采摘老葉；若F>27.20?N，會(huì)采摘所有茶葉且易對(duì)夾持件造成物理損傷，一芽一葉的平均漏采率小于2.8%、平均采摘完整率約91%，一芽?jī)扇~的平均漏采率小于3%、平均采摘完整率約94%，滿足實(shí)際選擇性采摘要求，且與前期試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，8月份對(duì)同一片茶園同一品種茶葉進(jìn)行采摘試驗(yàn)，如圖9-b所示，兩次試驗(yàn)采摘效果對(duì)比如圖10所示。由圖10可知，該模型3月份的嫩梢漏采率、嫩梢完整率均明顯優(yōu)于8月份的采摘效果，其原因在于3月份采摘的是春茶，此時(shí)茶樹修剪整齊，嫩梢長(zhǎng)勢(shì)較好數(shù)量眾多且大多數(shù)覆蓋在茶壟表面，而8月份是采茶的晚期，茶樹經(jīng)采摘多次且長(zhǎng)勢(shì)不均勻，嫩梢參差不齊，嫩梢數(shù)量不多且少數(shù)嫩梢覆蓋在茶壟表面，此時(shí)末端執(zhí)行器的選擇性采摘效果不顯著。

表1 采摘試驗(yàn)結(jié)果

4 小結(jié)

本研究基于茶葉嫩梢的物理學(xué)特性，以及采摘要求，設(shè)計(jì)了一種嫩梢采摘末端執(zhí)行器，結(jié)合前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置采摘末端執(zhí)行器的有關(guān)參數(shù)，即夾持件接觸面寬度=4?mm，夾持件尺寸176?mm×56?mm×90?mm，夾持件與茶葉接觸面的面積為176?mm×4?mm，舵機(jī)角速度為8.055?rad·s-1，四桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角為30°，一對(duì)齒輪半徑為20?mm，且傳動(dòng)部件呈梯形狀的四桿機(jī)構(gòu)并建立其數(shù)學(xué)模型；在四桿機(jī)構(gòu)的4個(gè)參數(shù)（1，2，3，4）取值范圍內(nèi)，以1最大、采摘平穩(wěn)、夾持件圓弧狀運(yùn)動(dòng)軌跡以及夾持力上限值8?N為目標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，獲得最優(yōu)參數(shù)1=35?mm、2=60?mm、3=35?mm和4=50?mm；隨后運(yùn)用Soildworks 2014軟件對(duì)采摘末端執(zhí)行器裝配，對(duì)其進(jìn)行了虛擬運(yùn)動(dòng)及仿真分析，得到此參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)性能與理論計(jì)算基本吻合；最后將采摘末端執(zhí)行器模型應(yīng)用于茶園采摘試驗(yàn)，以實(shí)際夾持力、嫩梢漏采率以及嫩梢完整率為主要檢測(cè)指標(biāo)，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)際采摘效果良好，較好地解決了茶葉嫩梢采摘過程中的選擇性采摘問題。當(dāng)然，本研究選取了夾持件接觸面寬度、四桿機(jī)構(gòu)4個(gè)參數(shù)、齒輪半徑、接觸面材料、夾持件形狀、運(yùn)動(dòng)軌跡、夾持力等進(jìn)行分析研究，在今后的研究中為了更加精確建模，可綜合考慮傳動(dòng)部件材料、部件之間的摩擦力和阻力、視覺測(cè)距、控制算法等，以及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)嫩梢采摘末端執(zhí)行器采摘效果的影響。

注：（a）嫩梢漏采率對(duì)比；（b）嫩梢完整率對(duì)比

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Design of End Effector for Picking Tea Shoots

XU Lijia1, LIU Qi1,2, DAI Jianwu1, CHEN Xiaohu1

1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan Agricultural University, Ya'an 625014, China; 2. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

In order to solve the selective picking of tea shoots, based on the physical characteristics of tea shoots, an end effector of picking tea shoots with clip was designed in this study. The GUI module of MATLAB software and SolidWorks software were used to optimize the structural parameters of the picking end effector，and the optimal combination structural parameters were obtained. The kinematics simulation analysis was feasible and met the requirements of clamping force. The model of picking end effector was tested in tea garden, and the results show that the missed picking rate of one bud and one leaf was 2.8%, and the picking integrity rate was 91%. While the missed picking rate of one bud and two leaves was <3%, and the picking integrity rate was about 94% in March. The experimental results verified that the structural design and parameters of the picking end effector are feasible, which provided a theoretical basis for the selective picking of tea shoots, and a technical support for the subsequent research and development of tea shoot picking machine.

tea shoot picking, picking manipulator, picking end effector, kinematics simulation

S571.1

A

1000-369X(2021)05-705-12

2020-11-27

2021-02-15

國(guó)家級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910626024）

許麗佳，女，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)信息檢測(cè)與控制技術(shù)的研究，583458957@qq.com

（責(zé)任編輯：趙鋒）