時(shí) 光，李國(guó)利，陳 健，劉 登，張愷鈺

（金陵科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

球形水果采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與仿真

時(shí) 光，李國(guó)利，陳 健，劉 登，張愷鈺

（金陵科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

末端執(zhí)行器的工作直接關(guān)系到采摘機(jī)器人整個(gè)采摘作業(yè)能否準(zhǔn)確、高效。設(shè)計(jì)了一種能夠完成多種球狀果實(shí)采摘的機(jī)器人末端執(zhí)行器。該末端執(zhí)行器采摘作業(yè)時(shí)無(wú)需檢測(cè)與果實(shí)的接觸力，采用單個(gè)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)采摘控制。采用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用Adams構(gòu)建虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了方案的可行性。該末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低，適合多種球狀果實(shí)采摘。

末端執(zhí)行器；球形水果；設(shè)計(jì)；虛擬樣機(jī)

果實(shí)采摘是果蔬生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。末端執(zhí)行器是安裝于采摘機(jī)器人機(jī)械手臂前端進(jìn)行采摘作業(yè)的關(guān)鍵部件。因此采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)非常重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器做了大量研究工作，設(shè)計(jì)了多種水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器。

根據(jù)分離果樹(shù)與果實(shí)的方式，目前大部分末端執(zhí)行器大體分為兩類(lèi)：第一類(lèi)，強(qiáng)行拉斷果梗來(lái)實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果樹(shù)的分離；第二類(lèi)，先用夾具加緊果實(shí)，再通過(guò)剪刀、鋸條、高壓水槍、激光等工具切斷果梗，從而將水果從果樹(shù)上采摘下來(lái)。對(duì)于第一類(lèi)采摘末端，容易拉斷其他枝條，對(duì)果樹(shù)的傷害較大。而第二類(lèi)采摘執(zhí)行末端也存在較多缺點(diǎn)：其一，執(zhí)行器在切斷果梗之前，要先用夾具夾住果實(shí)，夾具的力很難控制，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致果實(shí)的脫落，過(guò)大則會(huì)損壞水果；其二要準(zhǔn)確抓取果實(shí)，這對(duì)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)以及機(jī)械手的控制要求較高，微小的誤差都會(huì)導(dǎo)致采摘的失敗。文章提出了一種球形水果采摘末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器采摘過(guò)程中不需要接觸果實(shí)果皮部分，可吸收部分視覺(jué)與控制方面的誤差，采用單電機(jī)控制。通過(guò)Adams構(gòu)建虛擬樣機(jī)驗(yàn)證了方案的可行性。

1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由伸縮機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、回收機(jī)構(gòu)和傳感器四個(gè)部分組成，總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2為末端執(zhí)行器剖視圖。

圖1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

圖2 末端執(zhí)行器剖視圖

1.1 伸縮機(jī)構(gòu)

末端執(zhí)行器的伸縮機(jī)構(gòu)是通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中曲軸、連桿2、連桿3、執(zhí)行器主體和法蘭構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，曲軸和連桿2固結(jié)、連桿2和連桿3構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，執(zhí)行器主體和法蘭之間構(gòu)成移動(dòng)副。曲軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器連接，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈，該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一次伸縮動(dòng)作。伸縮機(jī)構(gòu)用來(lái)實(shí)現(xiàn)擺桿和執(zhí)行器主體上刀片的同時(shí)動(dòng)作，減輕采摘過(guò)程對(duì)果實(shí)的影響，同時(shí)補(bǔ)償機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)誤差，進(jìn)而提高采摘成功率。

1.2 切割機(jī)構(gòu)

末端執(zhí)行器切割機(jī)構(gòu)用來(lái)分離果實(shí)與枝干，如圖3所示，由固定在執(zhí)行器主體上的刀片與曲軸、連桿1及擺桿組成。其中曲軸與連桿1及連桿1與擺桿之間通過(guò)鉸鏈連接，擺桿的末端同樣通過(guò)鉸鏈連接在執(zhí)行器主體上。這樣擺桿、連桿1、曲軸和執(zhí)行器主體構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲軸與電機(jī)軸相連，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)化為擺桿的擺動(dòng)，與固定在執(zhí)行器主體上的刀片相配合，可實(shí)現(xiàn)剪短果梗的功能。該機(jī)構(gòu)還具有急回特性，大大縮短了切割時(shí)間，提高機(jī)構(gòu)的切割效率。且擺桿做成圓弧狀，防止工作時(shí)果實(shí)脫落。伸縮機(jī)構(gòu)與切割機(jī)構(gòu)由同一電機(jī)控制。刀片位于果實(shí)容器的正上方，這樣剪斷果梗的同時(shí)，果實(shí)也落入果實(shí)容器中。

圖3 切割機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.3 回收機(jī)構(gòu)

末端執(zhí)行器回收機(jī)構(gòu)用來(lái)存放果實(shí)，是一個(gè)沒(méi)有底面圓柱體容器，在圓柱體的下底面有一個(gè)可繞一軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的擋板，這樣可控制容器的開(kāi)合。它主要實(shí)現(xiàn)果實(shí)的臨時(shí)存放與回收。當(dāng)執(zhí)行采摘操作時(shí)，擋板擋住圓柱體的下底面，果實(shí)可以盛放在果實(shí)容器中。當(dāng)采摘完成，準(zhǔn)備回收果實(shí)的時(shí)候，擋板打開(kāi)，果實(shí)與執(zhí)行器末端分離。切割機(jī)構(gòu)的刀片與回收機(jī)構(gòu)相對(duì)位置固定，避免切割操作前割斷果梗而導(dǎo)致采摘失敗。

1.4 傳感器系統(tǒng)

末端執(zhí)行器的傳感器為一個(gè)超聲波發(fā)射與接收裝置。首先通過(guò)雙目視覺(jué)的分析，主機(jī)械臂將末端執(zhí)行器帶到離目標(biāo)果實(shí)合適的地方。這時(shí)，傳感器開(kāi)始工作，它發(fā)射并接受返回超聲波，一方面通過(guò)CPU提取超聲回波信號(hào)幅值實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果樹(shù)枝葉的識(shí)別，另方面通過(guò)檢測(cè)超聲波發(fā)射與接收的時(shí)間差進(jìn)行目標(biāo)果實(shí)測(cè)距。確定目標(biāo)果實(shí)的精確位置。從而達(dá)到提高機(jī)械部分運(yùn)動(dòng)精度和提高采摘成功率的目的。

2 Adams仿真與可行性分析

為了進(jìn)一步說(shuō)明本末端執(zhí)行器的采摘?jiǎng)幼髟砗驼撟C結(jié)構(gòu)方案的合理性，文章利用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS構(gòu)建了末端執(zhí)行器虛擬樣機(jī)，對(duì)其采摘作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了仿真。首先通過(guò)SolidWorks三維繪圖軟件畫(huà)出末端執(zhí)行器的裝配圖，在將配圖導(dǎo)入到ADAMS中，在ADAMS中添加各個(gè)運(yùn)動(dòng)副和設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如圖4所示。該末端執(zhí)行器采摘步驟為：（1）機(jī)械臂帶著執(zhí)行器一起運(yùn)動(dòng)到離目標(biāo)果實(shí)適當(dāng)位置處；（2）電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)擺桿緩慢旋轉(zhuǎn)，同時(shí)執(zhí)行器主體向目標(biāo)果實(shí)靠攏。（3）當(dāng)果實(shí)靠近刀片時(shí)，擺桿繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，剪短果梗。（4）剪短果梗后，電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)執(zhí)行器主體和擺桿回到初始位置。仿真實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為30r/min，采摘仿真時(shí)間為2s、步數(shù)為2000、重力加速度為9.8N/m。在擺桿和刀片上分別添加點(diǎn)“MARKER_one”和“MARKER_knife”。利用Adams的Post-Processor模塊仿真這兩個(gè)MARKER點(diǎn)的位移，得到兩個(gè)MARKER點(diǎn)位移如圖5所示。

圖4 Adams仿真界面

圖5 末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)仿真曲線(xiàn)

3 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了一種適于球形果實(shí)采摘的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，并通過(guò)建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行了仿真分析，檢驗(yàn)了末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與可靠性。所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)與控制方式簡(jiǎn)單，采摘作業(yè)速度較高，能較好地吸收機(jī)器人視覺(jué)與機(jī)械臂的控制誤差。通用性好，可以滿(mǎn)足不同類(lèi)型球形水果的采摘的要求。

[1]宋健，張鐵中，徐麗明，等.果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006,37（5）：158-162.

[2]方建軍.移動(dòng)式采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀與進(jìn)展 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004,20（2）：273-278.

[3]崔玉潔，張祖立，白曉虎.采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007（2）：4-7.

[4]劉金,鞏勝磊,宋健.茄子采摘機(jī)器人虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)床與液壓，2014，（11）.

[5]王糧局,張鐵中,褚佳,楊麗,張潔,段運(yùn)紅.大容差高效草莓采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014（11）.

[6]史慧文,石慧奇,王繼祥.草莓采摘手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2014，(9).

[7]錢(qián)少明，楊慶華，王志恒,等.黃瓜抓持特性與末端采摘執(zhí)行器研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010,26（7）：107-112.

[8]Shigehiko Hayashi，Tomohiko Ota，Kotaro Kubota，etal.Robotic Harvesting Technology for Fruit Vegetables in Protected Horticultural Production[J].Information and Technology for Sustainable Fruit and Vegetable Production，F(xiàn)rutic，2005,5:227-236.

[9]陳軍，王虎,蔣浩然,等.獼猴桃采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012,43（10）：151-154.

[10]Naoshi Kondo,Kazuya Yamamoto,Hiroshi Shimizu,et al.A Machine Vision for Tomato Cluster Harvesting Robot[Jl.Engineering in Agriculture,Environment and Food,2009,2(2):60-65.

[11]丁加軍，劉桂芝，楊文亮.一種果實(shí)采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與仿真分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（1）：112-115.

[12]Naoshi Kondo,Koki Yata,Michihisa Iida,et al.Development of an End-Effector for a Tomato Cluster Harvesting Robot[J].Engineering in Agriculture,Environment and Food,2010,3(1):20-24.

[13]馬履中，楊文亮，王成軍，等.蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，12:65-67.

[14]E.J.Van Hentena，D.A.Van’t Slot，C.W.J.Hold，et al.Optimal Manilpulator Design for a Cucumber Harvesting Robot[J].Computers and Electronics in Agriculture，2009，65:247-257.

[15]劉繼展，李萍萍，李智國(guó).番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(3)：109-112.

Structural Design and Simulation of the End-effector for Spherical fruit Picking

SHI Guang,LI Guo-li,CHEN Jian,LIU Deng,ZHANG Kai-yu
(School of Mechanical and Electronic Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing，Jiangsu 211169，China)

The work of end-effector is closely related to whether the picking operation of the picking robot is accurate and efficient.An end-effector which is suitable for spherical fruit is designed.The end-effector is controlled by a single motor and there is no need to test the contact force on the fruit.The structure of end-effector was designed with the SolidWorks and the virtual prototype was established by Adams to simulate the movement and v the feasibility of the solution was verified.The structure of end-effector is simple and its cost is low,it is suitable for the picking of a variety of spherical fruits.

End-effector;Spherical fruit;design;virtual prototype

TP242

A

2095-980X（2015）02-0030-02

2015-01-17

2014江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（201413573007Z）。

時(shí)光（1994-），男，江蘇淮安人，大學(xué)本科，主要專(zhuān)業(yè)方向：機(jī)電一體化。

李國(guó)利（1973-），男，山東濱州人，碩士，副教授，研究方向?yàn)椋恨r(nóng)業(yè)機(jī)器人，智能化檢測(cè)技術(shù)。