一體式蔬菜缽苗取苗爪夾持力檢測傳感器設計與試驗

金 鑫 索宏斌 張恒毅 姬江濤,3 張 博 林 誠

(1.河南科技大學農業裝備工程學院, 洛陽 471003; 2.龍門實驗室成套裝備科技創新中心, 洛陽 471003;3.河南省機械裝備先進制造協同創新中心, 洛陽 471003)

0 引言

缽苗夾持力是指移栽機作業過程中取苗爪對穴盤苗缽體基質的作用力,是決定缽體破損率與取苗成功率的關鍵因素[1]。現有的移栽取苗機構多采用純機械夾緊方式,缺少對取苗夾持力的感知與檢測[2]。移栽過程中受穴盤苗品種、生長狀況以及移栽機穩定性等因素影響,容易導致缽苗夾持力發生改變,出現穴盤苗缽體破損、散坨、漏栽等問題[3-5]。同時,傳感器結構與安裝方式易造成夾持力變化,影響取苗爪正常取投動作與傳感器自身精度及使用壽命[6-8]。因此,開展傳感器檢測與取苗爪作業互適性研究,在實現夾持力檢測不干涉取苗爪正常工作的同時,可為后續移栽機末端執行器反饋控制研究提供技術支撐,對全自動蔬菜缽苗移栽機智能升級與低損高效作業具有重要意義。

為提高缽苗移栽質量,國內外相關人員做了大量有益探索與研究,相繼出現了一些夾持力檢測方法與裝置。TING等[9]采用電容式位移傳感器檢測夾持機構對缽苗施加的夾持力,但檢測精度低、靈敏度差;COTTON等[10]將壓電陶瓷作為敏感元件,通過計算傳感器與接觸物體間的摩擦因數,檢測并調節執行機構施加果蔬上的夾持力。周俊等[11]用壓敏電阻作為敏感材料制作了一種靈敏的觸覺傳感器,用于感知果蔬抓取過程中的力。崔玉國等[12]提出用電阻應變片來檢測鉗指的夾持力,采用柔性杠桿放大機構,實現了微小夾持力的測量。JIANG等[13]將拉力與壓力傳感器集成在四針夾爪取苗末端執行器上,測定并分析了穴盤與末端執行器對缽體基質的粘附力與夾持力。王俊等[14]利用壓電效應將夾持力轉化為電荷量,通過將PVDF壓電薄膜粘貼在右取苗爪內側表面的方式,實現了取苗爪對苗缽夾持力的實時監測。劉雙斌等[15]對絕緣硅橡膠填充納米導電填料制備出壓敏硅橡膠,實現壓力數值與范圍的檢測。LI等[16]基于線性霍爾元件研制了一種夾莖稈式末端執行器,通過與取苗爪連接的彈性致動片產生類懸臂梁彎曲轉化為霍爾傳感器的電壓變化,實現對夾持力的檢測。在已有相關文獻中,對夾持力檢測多集中于果蔬采摘領域,其末端執行器作業速度慢,傳感器安裝空間大,作業對象相對穴盤苗較大。針對蔬菜缽苗移栽機夾持力檢測,多通過機構設計與優化并配套檢測裝置實現夾持力檢測,少有對夾持力檢測傳感器與取苗爪作業過程的互適性研究。

基于上述研究,針對取苗爪體積小,夾持力檢測傳感器結構與安裝方式干涉取苗爪正常取投動作等問題,本文以PDMS薄膜為介電層,設計一種內置式缽苗夾持力檢測傳感器,并采用嵌入方式與取苗爪一體化封裝,通過傳感器性能標定試驗與室內取苗試驗,驗證夾持力傳感器的穩定性與適應性。

1 取苗爪結構設計

1.1 研究對象

本文以入缽夾取式全自動蔬菜缽苗移栽機取苗爪為研究對象,以取苗爪正常完成取投動作的同時實現夾持力檢測為目標,對移栽機取苗爪作業過程進行分析。取苗移栽機部件及取苗爪如圖1所示。取苗過程為:穴盤運動到取苗爪夾取位置后,固定在凸輪上的取苗機構帶動取苗爪運動,取苗爪由初始豎直狀態變為前伸狀態,插入穴孔并夾緊穴盤苗缽體基質,之后隨輪系旋轉將缽苗帶出并投放至鴨嘴漏斗,取苗爪由前伸狀態變為豎直狀態,準備下一次夾取動作,如此循環,完成取投苗作業。

圖1 取苗移栽機部件示意圖

1.2 缽苗夾持力受力分析

分析取苗爪夾持缽體基質受力情況,可為傳感器安裝位置提供參考。不考慮缽體的蠕變及不均勻性,取苗過程中缽體基質受力狀況如圖2所示。其中Fj1、Fj2為取苗爪對缽體基質的夾持力,Ff1、Ff2為取苗爪對缽體基質的摩擦力,Ff3、Ff4為缽穴與缽體基質間的摩擦力,FN1、FN2為缽體基質與缽穴間切向粘附力,FN3為缽體基質與缽穴間法向粘附力,G為缽體基質自身重力,β為夾持角度。為簡化計算,將缽體基質在豎直向下的合力定義為FH,則FH滿足

圖2 取苗過程缽體受力分析

FH=(Ff3+Ff4+FN1+FN2)cosθ+FN3+G

(1)

由于取苗爪徑向尺寸較小且外表比較光滑,對缽體基質的內聚力影響較小,忽略取苗過程中取苗爪對缽體基質損失率的影響。為保證取苗成功,缽體基質在豎直方向上的合力必須滿足

(2)

Fj表示不同位置缽體基質對取苗爪的作用力,方向與接觸面垂直,計算式為

Fj=σjA

(3)

式中σj——取苗爪不同位置處抗壓強度,kPa

A——缽體基質的夾持受力面積,mm2

在計算中,一般將取苗爪對缽體基質的夾持力簡化為Fj1、Fj2,在取苗爪夾緊過程中,缽體基質的壓縮量隨著取苗爪插入深度的增加而增大,相應的取苗爪測力區域與缽體基質不同接觸位置夾持力也不同,傳感器無法準確輸出所需的夾持力。為此,提出一種內置式電容夾持力檢測傳感器,采用嵌入方式與取苗爪一體化封裝,通過表面保護層蓋板,將取苗爪測力區域受力平均分散在整個蓋板上,使接觸區域下壓距離相同,傳感器輸出準確一致的夾持力,有效解決了因取苗爪測力區域不同位置夾持力不一致導致傳感器無法輸出有效值的問題。

1.3 取苗過程耦合仿真

針對夾持力受力分析的局限性,為使夾持力檢測更加精準,對取苗過程進行柔性體-離散元耦合仿真,利用SolidWorks對取苗爪、穴盤進行建模,將取苗爪導入ANSYS LS-PrePost中進行網格劃分,通過EDEM對缽體基質建模,通過LS-Dyna軟件對取苗過程進行柔性體-離散元耦合仿真,進而得到取苗爪與缽體基質受力云圖,仿真材料參數如表1所示。

表1 EDEM離散元仿真材料參數

其中,缽體基質建模過程中,由于缽體基質顆粒模型均為球形且半徑相差小,為方便模擬并減少計算量,統一將基質顆粒尺寸半徑定為0.5 mm,根據128穴盤尺寸設置相應的Total Mass,由Factory生成基質顆粒并在重力作用下落入穴孔中,設置顆粒間接觸模型為EEPA模型,之后對模型額外施加壓板壓縮顆粒使基質顆粒間生成連接鍵,最終得到缽體顆粒模型。缽體夾取仿真模型如圖3所示。

圖3 缽苗夾取仿真模型

仿真模擬取苗爪插入基質及將基質整體帶出兩個主要過程。如圖4所示,通過求解得到插入過程與提取過程中取苗爪與缽體基質的受力云圖。

圖4 插取過程取苗爪與缽體基質仿真應力云圖

由仿真模擬取苗爪插入基質并將基質整體帶出兩個主要過程可知,夾取過程中取苗針與缽體基質接觸部分最大受力區域為距尖端10～15 mm以上的長形區域,該區域是嵌入傳感器的最佳位置。

1.4 取苗爪結構參數設計

根據取苗爪與缽體基質間受力分析以及取苗過程夾持力仿真模型分析,設計在取苗爪距離入土尖端15 mm處開槽,開槽部分尺寸為6 mm×26 mm,深1.5 mm。根據栽植要求,取苗過程中取苗爪插入缽體基質的深度為35～40 mm,因此,本設計可保證取苗爪插入缽體基質時,傳感器與缽體基質完全接觸。此外,取苗爪預留布線槽,布線槽深度0.2 mm,以便引出傳感器導線,待布線完成后,使用環氧樹脂膠將導線槽封閉。嵌入傳感器式取苗爪三維結構和實物如圖5所示。

圖5 嵌入傳感器式取苗爪三維結構與實物圖

2 傳感器原理設計

2.1 傳感器測量原理

電容感知是機器觸覺感知中最常用的原理之一,電容式傳感器具有高靈敏度和高分辨率的特點,能夠在機器振動、極端溫濕度等較為惡劣的環境中保持良好的工作性能[17-19]。現針對缽苗夾持力檢測提出一種內置式電容傳感器,利用其優良性能獲取缽苗夾持力。電容式觸覺傳感器最常見的結構形式是3層結構,主要由上下極板和介電層組成,結構示意圖如圖6所示。

圖6 受壓后電容傳感器結構示意圖

電容傳感器的基本工作原理是基于被測物理量的變化可以轉換為電容變化的這一特點。兩極板間的距離發生微小變化時,將引起電容變化,通過對電容變化的轉換來測量施加在傳感器上的壓力。平行板電容器的電容為

(4)

式中ε0——真空介電常數,F/m

εr——介電層相對介電常數,F/m

A——兩極板間重疊面積,mm2

d——兩極板間距,μm

由式(4)可知,傳感器電容變化主要由上下極板間重疊面積A與兩極板間距d引起,由于本研究傳感器采用嵌入式安裝方式,極板間重疊面積始終保持不變,電容的變化主要通過外界施加壓力使傳感器極板間間距改變來實現。

2.2 傳感器結構與封裝

大量研究表明,對介電層進行微結構化處理是提高柔性壓力傳感器靈敏度等性能指標的有效方法之一[20]。不同的微觀結構和相對介電常數的介電層,對傳感器的靈敏度和響應時間有很大的影響[21-23]。對此,本研究選用具有較小楊氏模量與較大介電常數的PDMS材料,可降低傳感器因初始電容小易受外界干擾的影響,傳感器對外表現高靈敏度與小量程特性,適用于本研究對夾持力的測量。介電層設計PDMS圓臺陣列結構,底部直徑100 μm,頂部直徑30 μm,高度45 μm,相鄰圓臺間隙100 μm,介電層整體尺寸為5 mm×25 mm。傳感器介電層結構示意圖如圖7所示。

圖7 傳感器介電層結構示意圖

傳感器由上下電極板與極板間介電層構成。上下電極板分別固定在柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜上,通過垂直排列在傳感器中形成電容器,電極板尺寸為5 mm×20 mm,介電層采用圓臺式結構陣列的PDMS薄膜,取苗過程中,當取苗爪對缽體基質施加夾持力時,PDMS介電層被壓縮,兩電極板之間的間距減小,電容增加。當缽苗夾持力發生變化時,PDMS介電層被壓縮的程度也隨之改變。撤去缽苗夾持力時,PDMS介電層由于其良好的彈性恢復形變。傳感器微結構如圖8所示。

圖8 傳感器結構示意圖

為實現取苗夾持力的檢測,將傳感器嵌入取苗爪開槽中,取苗爪與傳感器一體化封裝如圖9所示,包括嵌入傳感器式取苗爪、內置式電容傳感器、鎳鉻合金保護層蓋板等。其中,傳感器尺寸為5 mm×25 mm,封裝時對取苗爪開槽部分表面進行打磨,降低表面粗糙度對傳感器精度的影響,傳感器通過KH502膠水粘接在取苗爪內。為降低高溫對傳感器性能影響,采用冷焊工藝對保護層蓋板與取苗爪進行焊接,最后采用環氧樹脂膠對引出線部分進行密封處理,以提高整體的防塵、防水性能。

圖9 傳感器與取苗爪一體化封裝

3 夾持力傳感器信號檢測系統設計

3.1 信號采集硬件電路設計

由于表面保護層蓋板及封裝填充材料的影響,傳感器在外力作用下輸出信號較弱,取苗爪作業時受機械振動、噪聲信號干擾明顯。為提高信噪比,設計了信號調理電路對傳感器輸出信號進行放大調理,信號調理電路主要包括頻率電壓轉換模塊、一級電壓放大模塊、二階低通濾波模塊、二級電壓放大模塊。同時,為降低因過多電阻、電容等傳統元件搭建的信號調理電路帶來的穩定性差、固有噪聲多的問題,本電路采用功能型集成芯片與傳統元件相結合的方式進行設計,主要包括AD8052、INA826、OP07CD及若干電阻、電容、二極管等。信號采集處理電路流程如圖10所示。

圖10 信號采集處理電路流程圖

其中,頻率電壓轉換模塊主要由差動脈寬調制電路與一階低通濾波電路組成。其中,基于運算放大器AD8052設計差動脈寬調制電路,主要作用是將電容傳感器電容量變化轉換為脈寬信號輸出。一階低通濾波電路主要由電阻與電容組成,將脈寬信號輸入轉換為直流電壓信號輸出;基于儀表放大器INA826設計了電壓放大模塊,通過共模抑制,消除了兩個輸入上具有相同電位的任何信號,實現對輸入的直流電壓信號放大,同時,將電容的高阻抗輸入轉換為低阻抗輸出;通過電阻、電容搭建二階低通濾波電路模塊,實現對移栽機作業所產生高頻噪聲信號的濾除;為解決電路零飄與放大倍數過高導致輸出信號失真的問題,基于OP07CD搭建了二級電壓放大模塊,在電路未接入傳感器時,將逐級放大的無效信號調零,通過設置截止頻率,控制放大倍數,完成對輸出信號的優化。處理模塊基于Arduino開發板進行設計,核心處理器選用ATMEGA168PA單片機,配套設計串口通信、USB通信、基準電壓源電路,實現信號A/D轉換、傳輸與程序下載等功能。對信號調理電路制板,實物圖如圖11所示。

3.2 信號采集軟件設計

基于LabVIEW軟件平臺開發了信號采集軟件,主要處理經硬件電路調理后的穩定電壓,其工作流程主要分為數據分析、數據采集與數據保存3部分,數據分析前按需設置相關參數,數據采集后,按設定路徑及文件格式對數據進行保存,同時通過交互界面實時顯示傳感器信號波形,并可對歷史數據進行回放,信號采集軟件交互界面如圖12所示。

4 試驗與結果分析

4.1 傳感器性能標定試驗

4.1.1標定系統搭建

傳感器標定系統主要由函數信號發生器、功率放大器、激振器、夾持力檢測傳感器、動態力薄膜傳感器、動態力信號采集卡、信號調理硬件電路、信號采集軟件、便攜式計算機組成,標定系統結構框圖如圖13所示。

圖13 傳感器標定系統結構框圖

函數信號發生器設定輸出正弦信號給功率放大器,調整功率放大器增益旋鈕對信號進行放大使其具有帶負載能力,實現對激振器的驅動控制,激振器接收到信號后產生對應幅度的振動,固定在取苗爪表面的動態力薄膜傳感器用來檢測激振器施加力值并通過動態力采集卡傳輸至計算機端信號采集軟件;同時,夾持力檢測傳感器受壓后將輸出的信號經信號調理電路處理后傳輸至計算機端信號采集軟件,通過對記錄的壓力信號與電壓信號進行擬合,得到校準系數,完成夾持力傳感器的標定。傳感器標定試驗現場如圖14所示。

圖14 傳感器標定試驗現場圖

函數信號發生器為上海廣信友達實業有限公司生產的AFG1022型函數發生器,可設置輸出不同頻率的標準波形和任意波形;功率放大器為無錫世熬科技有限公司生產的SA-PA010型功率放大器;激振器采用無錫世熬科技有限公司生產的SA-JZ00型激振器,最大激振行程6 mm,最大激振力20 N;動態力薄膜傳感器采用蘇州能斯達電子科技有限公司生產的SF15-54型傳感器,最大量程100 N;數據采集卡采用上海澄科電子科技有限公司生產的NI6002型采集卡,可實現多路數據信號同時采集。

4.1.2標定方法

內置式電容傳感器標定試驗過程中,設置信號發生器產生頻率為0.8、1、1.2 Hz的正弦信號,分別代表取苗爪在取苗頻率40、50、60株/min下所受振蕩頻率,通過改變功率放大器增益使激振器頂桿上行距離變化,實現對夾持力傳感器加載力的改變。本試驗中,考慮到傳感器量程及缽苗壓實點范圍[24-25],在0～7 N范圍加載,通過固定在取苗爪表面動態力薄膜傳感器檢測該壓力,并通過數據采集卡采集傳輸至夾持力傳感器檢測系統,將該壓力值F/N作為X軸,夾持力傳感器將輸出電壓經信號U/V作為Y軸,在3種頻率下依次進行35組試驗,共采集105組數據。采用最小二乘法擬合得到3條不同頻率下的標定曲線,如圖15所示。

圖15 夾持力傳感器標定曲線

4.1.3標定結果分析

(1)夾持力傳感器測量范圍

由夾持力傳感器標定試驗與相關缽體力學特性,得到傳感器測量范圍為0～7 N,量程為7 N;對應輸出電壓測量范圍為0～3.5 V,量程為3.5 V。

(2)夾持力傳感器靈敏度

傳感器的靈敏度是指輸出電壓變化Δy對輸入的變化量Δx之比,它是輸出特性曲線的斜率,通常用S表示,其計算公式為

(5)

根據式(5)求得設計傳感器在0.8、1、1.2 Hz的靈敏度分別為0.394 5、0.361 8、0.362 2 V/N,平均靈敏度為0.372 8 V/N。

(3)夾持力傳感器精度

傳感器精度P是指傳感器在其量程范圍內的最大誤差與滿量程輸出百分比,計算公式為

(6)

式中 ΔA——測量范圍內最大絕對誤差

YFS——傳感器滿量程夾持力

經分析計算,得到在頻率0.8、1、1.2 Hz下夾持力傳感器最大絕對誤差分別為0.146 2、0.264 2、0.191 5 V,傳感器的滿量程為3.5 V,經式(6)計算得傳感器的精度分別為4.177%、7.548%、0.547%,則傳感器精度為7.548%。

擬合結果表明,所設計傳感器在不同頻率的力沖擊下,線性決定系數分別為0.989 7、0.992 7、0.985 2,平均線性決定系數為0.989 2。由此可知,夾持力檢測傳感器所受壓力與輸出電壓呈高度線性關系,且每次試驗傳感器靈敏度相差較小,證明傳感器在設計測量范圍內具有良好的穩定性與重復性。

4.2 傳感器性能驗證試驗

對傳感器標定完成后,為驗證內置式夾持力傳感器穩定性與適應性,于2023年2月10—15日在全自動蔬菜缽苗移栽機試驗臺上進行取苗夾持力檢測試驗,試驗現場圖如圖16所示。

圖16 夾持力檢測室內試驗現場

4.2.1試驗材料與設備

試驗選用洛陽誠研辣椒研究所培育的熾焰2號辣椒苗,苗齡45 d,苗高8～12 cm;育苗盤采用128穴孔盤,穴盤整體尺寸為540 mm×280 mm,穴孔橫截面為正方形,縱截面為倒梯形,上口徑32 mm,下口徑13 mm,高度42 mm;穴盤基質主要成分草炭、蛭石、珍珠巖按照配比6∶3∶1混合,缽體含水率60%。

試驗系統由全自動移栽機試驗臺、一體化取苗夾持力檢測傳感器、信號采集處理硬件電路、夾持力信號檢測軟件及便攜式計算機組成。

4.2.2試驗方法

根據工業和信息化部發布的旱地栽植機械現行標準(JB/T 10291—2013)及移栽機實際作業狀況,通過全自動蔬菜缽苗移栽機試驗臺控制單個取苗爪以取苗頻率40、50、60株/min進行取苗作業,每次試驗夾取128株穴盤苗,重復5次,共計進行15組試驗。統計在不同取苗頻率下夾持力的均值、標準差、極差,分析傳感器穩定性,以正常完成取投動作且缽體破損程度在規定范圍內的作為取投苗成功的依據,統計每次試驗的成功率,研究傳感器在作業狀態下的適應性,試驗結果統計如表2所示。

表2 取苗夾持力試驗結果統計

4.2.3結果分析

由表2可知,不同取苗頻率下15組試驗測得夾持力均值為3.24～4.03 N,標準差為0.085～0.124 N,極差為0.43～0.93 N;取苗頻率分別為40、50、60株/min時檢測到夾持力均值分別為3.44、3.63、3.91 N,極差均值分別為0.53、0.63、0.76 N,取投苗成功率分別為99.02%、99.32%、98.26%。結果表明,所設計的夾持力傳感器在進行夾持力檢測時,測值波動范圍小,穩定性好。室內試驗表明,所設計夾持力檢測傳感器在不同取苗頻率下具有較好的穩定性、適應性。同時,在試驗時也發現了如下問題:

(1)隨著取苗頻率增加,取苗成功率也隨之降低,造成此種現象的原因主要是移栽機高速運轉時無法保證機械結構的穩定性。要突破制約移栽技術發展的高速、穩定的瓶頸,不僅要通過檢測取苗夾持力提高機器自主感知能力,還要對移栽機的機械機構進行改進優化。

(2)隨著取苗頻率增加,檢測到取苗爪夾持力均值呈現增大趨勢,且夾持力數值附近有較多的擾動值,這是由于隨著取苗頻率的加快,取苗爪對缽體基質的夾持沖擊作用增大,同時缽體基質成分分布不均勻,取苗爪在插入缽體過程中突然受阻造成。在后續優化中,可通過軟硬件結合的方式,調整濾波范圍,降低干擾。

5 結論

(1)以PDMS薄膜為電介層材料,設計了一種電容式缽苗夾持力檢測傳感器,對取苗爪的取苗過程進行受力分析與耦合仿真,得到了傳感器最佳嵌入位置,通過封裝處理,實現了傳感器與取苗爪一體化設計,有效解決了傳感器結構與安裝方式對取苗爪正常取投動作的干涉,提高了傳感器檢測精度與使用壽命。

(2)設計了夾持力傳感器信號檢測系統,通過信號調理電路與信號采集軟件,實現了傳感器夾持力信號的轉換、放大、濾波、顯示與保存功能,有效降低了移栽機作業所產生的高頻噪聲對夾持力信號的影響。

(3)傳感器標定試驗表明,在不同頻率的力沖擊下,所設計傳感器平均靈敏度為0.372 8 V/N,平均線性決定系數為0.989 2,精度為7.548%,量程為7 N,完全滿足移栽過程中夾持力檢測精度要求;室內驗證試驗表明,在取苗頻率40、50、60株/min下,夾持力均值為3.24～4.03 N,波動范圍小,傳感器具有良好的穩定性與適應性。