付 舜，王 毅,2

（1. 重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054；2. 重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

類(lèi)球果蔬采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)及分析

付 舜1，王 毅1,2

（1. 重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054；2. 重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

根據(jù)一般類(lèi)球果蔬采摘特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)對(duì)稱(chēng)雙搖桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)球果蔬采摘末端執(zhí)行器。在ADAMS中建立其虛擬樣機(jī)，并對(duì)其受力關(guān)鍵部位作柔性體處理，得到其運(yùn)動(dòng)評(píng)估參數(shù)的變化曲線(xiàn)，得出該執(zhí)行器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，可知該執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)易，具有良好的可靠性保證。

類(lèi)球果蔬；采摘末端執(zhí)行器；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；ADAMS仿真分析

我國(guó)是果蔬產(chǎn)業(yè)大國(guó)，從 1994 年開(kāi)始，我國(guó)果蔬產(chǎn)量開(kāi)始躍居世界首位，并一直穩(wěn)步增長(zhǎng)。果蔬產(chǎn)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，其中僅以果蔬產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)的罐頭食品，出口量約占全球市場(chǎng)的六分之一[1-2]。然而果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最耗時(shí)耗力的部分，人工收獲的成本在果蔬的整個(gè)生產(chǎn)成本中所占的比例高達(dá)33%～50%[3]。因此，在果蔬收獲中采用機(jī)器人作業(yè)，實(shí)現(xiàn)果蔬收獲的自動(dòng)化和智能化，對(duì)于解放生產(chǎn)力、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本等具有重要意義[4-7]。

作為采摘機(jī)器人的重要組成，末端執(zhí)行器的通用性與系統(tǒng)成本、使用成本之間的矛盾是制約采摘機(jī)器人未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用推廣的關(guān)鍵難題[8]。末端執(zhí)行器作為采摘的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通用性與實(shí)用性是其設(shè)計(jì)核心指標(biāo)之一[9]。目前，果蔬采摘末端執(zhí)行器一般是對(duì)特定果實(shí)設(shè)計(jì)專(zhuān)用執(zhí)行器[4,7,10-11]。國(guó)外如日本、美國(guó)、荷蘭等國(guó)研發(fā)了針對(duì)各類(lèi)果蔬采摘的末端執(zhí)行器，然而由于作業(yè)對(duì)象易損壞、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜性等特點(diǎn)，其采摘成功率和采摘效率都很低，且本體可移植性和輕便性差[5,10]。我國(guó)類(lèi)似研究起步較晚，近年來(lái)已針對(duì)獼猴桃、番茄、蘋(píng)果和柑橘等特定目標(biāo)研制了相對(duì)應(yīng)的采摘執(zhí)行器，然而這類(lèi)執(zhí)行器采摘步驟復(fù)雜，欠缺通用性與實(shí)用性[11-12]，這是采摘機(jī)器人效率難以提高的重要原因，也是制約采摘機(jī)器人未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用推廣的瓶頸[4-6]。因此，筆者針對(duì)一般類(lèi)球果蔬生長(zhǎng)特性，提出一種咬合式果蔬采摘末端執(zhí)行器，該咬合機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用，且能避免機(jī)器人收獲果實(shí)后的放置動(dòng)作，能提高末端執(zhí)行器的通用性和靈活性。通過(guò)三維軟件對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行實(shí)體建模，并在ADAMS中建立末端執(zhí)行器的剛?cè)狁詈夏Ｐ停治瞿Ｐ透鬟\(yùn)動(dòng)部件的力學(xué)關(guān)系曲線(xiàn)，為模型改進(jìn)提供依據(jù)。最后通過(guò)對(duì)末端執(zhí)行器物理樣機(jī)的分析，驗(yàn)證該新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的適用性。

1 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)組成及采摘流程

根據(jù)類(lèi)球果蔬的生長(zhǎng)特性搭建其采摘機(jī)器人的系統(tǒng)組成，采摘末端執(zhí)行器附于關(guān)節(jié)型機(jī)械臂之上[14]。它主要由上下弧形刀片組成的咬合式切割機(jī)構(gòu)、主體支撐架、隨動(dòng)支撐板、傳動(dòng)推桿等部分組成，使用SOLIDWORKS 三維建模對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行建模，如圖1所示。

末端執(zhí)行器工作前，首先由機(jī)器人本體上的視覺(jué)定位系統(tǒng)定位目標(biāo)果蔬的空間位置，再由機(jī)械臂帶動(dòng)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)到預(yù)定采摘位置處。采摘時(shí)，由固定在機(jī)械臂末端處的左右2個(gè)氣缸分別驅(qū)動(dòng)左右推桿作直線(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)桿帶動(dòng)執(zhí)行器上下顎作咬合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)果柄支桿的切斷分離。這種設(shè)計(jì)可以方便地在下顎支架與主架間安裝果蔬柔性通道，使采摘?jiǎng)幼魍瓿珊蠊咄ㄟ^(guò)該通道滑向存儲(chǔ)器皿，從而避免了機(jī)器人采摘完成后的放置步驟。末端執(zhí)行器采摘流程圖如圖2。

圖1 類(lèi)球果蔬采摘末端執(zhí)行器模型（1：上顎支架；2：上顎刀片；3：主架；4：下顎刀片；5：下顎支架；6：傳動(dòng)連桿；7：支撐長(zhǎng)桿；8：動(dòng)力推桿；9：隨動(dòng)支撐鈑金；10：基座。）

圖2 末端執(zhí)行器采摘流程圖

1.2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

1.2.1 末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)自由度分析 根據(jù)機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)，該搖桿機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件數(shù) n=7，低副數(shù) P=10，自由度 F=3×7-2×10=1，即該機(jī)構(gòu)有 1 個(gè)自由度。

末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)極限位置如圖3所示，其中A-B’-C’-D’為咬合起始位置，A-B-C-D 為執(zhí)行機(jī)構(gòu)咬合最終位置。

1.2.2 機(jī)構(gòu)桿件受力分析 假設(shè)構(gòu)件為剛體，則各點(diǎn)力的傳動(dòng)情況如圖4。

執(zhí)行器機(jī)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)，以機(jī)構(gòu)一半進(jìn)行分析，

圖3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)受力分析

假設(shè)氣缸輸入機(jī)構(gòu)的力恒為F，對(duì)于末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，其可視為剛體分析，則對(duì)于機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)，

在荒野悟道之后，他信心滿(mǎn)懷地走上回歸人群的征途。然而，幾個(gè)月前，那條母性悠揚(yáng)、將克里斯溫柔渡過(guò)對(duì)岸的大河，如今卻變得面目猙獰，波濤洶涌，阻斷了歸途。阿拉斯加的冬天來(lái)得特別早，克里斯很快就找不到食物了，饑餓之下，他四處搜尋植物，結(jié)果誤食了野土豆，身中劇毒。

C 點(diǎn) ：CE為 只 受 兩 個(gè) 力 的 傳 動(dòng) 桿 支 桿， 故FC=FE，其中 ：

A點(diǎn)：沿平行于桿的方向

如上分析，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角逐漸增大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)桿件AB的速度與加速度逐漸增大，利用幾何圖形法對(duì)機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得到 AB=35 mm，BC=40 mm，BD=150 mm，CE=100 mm，同時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)的極限點(diǎn)進(jìn)行形態(tài)分析如圖3所示，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所取氣缸行程經(jīng)圓整后 X=60 mm。

1.3 基于 ADAMS 的執(zhí)行器力學(xué)模型建立

為了優(yōu)化末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和分析其運(yùn)動(dòng)情況，將 SOLIDWORKS 所建模型導(dǎo)入 ADAMS，得到果蔬采摘末端執(zhí)行器的虛擬樣機(jī)。ADAMS是目前應(yīng)用最廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，通過(guò)其可以進(jìn)行可視化的模擬仿真，能方便準(zhǔn)確地模擬執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)及受力情況[15]。根據(jù)機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)[16]，冗余約束只增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系無(wú)影響。在ADAMS中將系統(tǒng)冗余約束處理后，進(jìn)行仿真計(jì)算可知，末端執(zhí)行器相關(guān)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

對(duì)該末端執(zhí)行器構(gòu)型分析，因?yàn)閳?zhí)行器機(jī)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)且為左右冗余機(jī)構(gòu)，ADAMS將自動(dòng)消除冗余機(jī)構(gòu)部分，故以其模型分析結(jié)果失真率較大。將模型受力較大部分進(jìn)行柔性化，不僅能消除冗余機(jī)構(gòu)帶來(lái)的不利影響，而且將容易受力變形的部件的內(nèi)部應(yīng)力及變形計(jì)入分析中，使分析結(jié)果更加具有參考性[17]。

上下顎弧座與安裝座為焊接連接，考慮到實(shí)體材料屬性及內(nèi)部力學(xué)性能，將安裝座作為柔性體考慮，再進(jìn)行力學(xué)分析。利用 ADAMSViewFlex 生成模態(tài)中性文件 MNF（Modal Neutral File）， 將柔性體導(dǎo)入替換模型相關(guān)原剛性構(gòu)件。同理，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力較集中易變形的二力傳動(dòng)桿柔性化，最后得到的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D5。

圖5 末端執(zhí)行器剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚1：上顎支架（部分柔性化）；2：上顎刀片；3：主架；4：下顎刀片；5：下顎支架（部分柔性化）；6：傳動(dòng)連桿（柔性體）；7：支撐長(zhǎng)桿；8：動(dòng)力推桿；9：支撐鈑金；10：基座。]

2 仿真后處理分析

建立好剛?cè)狁詈夏Ｐ秃?，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，在ADAMS下對(duì)此機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)來(lái)分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。以柑橘為收獲對(duì)象，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，可以認(rèn)為在切割柑橘果柄時(shí)采用至少 88.93 N的切割力可以達(dá)到切割不同柑橘果柄的效果[17]。因此，在機(jī)構(gòu)仿真驗(yàn)證中，設(shè)置左右兩端氣缸輸入推桿的推力各恒 150 N，仿真時(shí)間設(shè)置 1.2 s，分別取上刀片與下刀片咬合運(yùn)動(dòng)的速度與加速度分析機(jī)構(gòu)的咬合性能，選取機(jī)構(gòu) A（A1、A2、A3 和 A4）點(diǎn)，B（B1、B2、B3 和 B4）點(diǎn)對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)副的扭矩為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能參考點(diǎn)。

上下顎咬合過(guò)程的速度及角速度曲線(xiàn)如圖6所示，可知在咬合果柄支桿時(shí)，執(zhí)行器的速度及角速度突然增大，即此時(shí)上下刀片受到一個(gè)較大的沖量，為切割瞬間提供能量；同時(shí)如圖7所示，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)加速度與角加速度在切割瞬間突增，機(jī)構(gòu)執(zhí)行咬合動(dòng)作時(shí)慣性力足夠大。

圖6 上下顎咬合過(guò)程各自速度與角速度變化曲線(xiàn)

圖7 上下顎咬合過(guò)程各自加速度與角加速度變化曲線(xiàn)

以下分析柔性體安裝座上的旋轉(zhuǎn)副所受扭矩，其中 A1、A2、A3、A4 處 對(duì) 應(yīng) shang_1_1、shang_3_1、xia_1_1、xia_3_1 旋轉(zhuǎn)副所對(duì)應(yīng)的扭矩，可以得出在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)副扭矩逐漸增大，在咬合瞬間突變，咬合機(jī)構(gòu)受力情況需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。

圖8 旋轉(zhuǎn)副 A1、A2、A3、A4 在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受扭矩變化曲線(xiàn)

同理，可得 B1、B2、B3、B4 對(duì)應(yīng)的 shang_1_2、shang_3_2、xia_1_2、xia_3_2 旋轉(zhuǎn)副的扭矩變化圖，與圖8對(duì)比，分析在柔性化安裝座上不同旋轉(zhuǎn)副受力的變化，其符合小變形原理，可知模型的分析基本合理。另外，從圖 6～9 可以得出，上下顎咬合過(guò)程中，其各運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)參數(shù)變化趨勢(shì)基本一致。

對(duì)末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)實(shí)體加工，其物理樣機(jī)（圖10），通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的驗(yàn)證，可知該末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)關(guān)系合理，上下顎張合動(dòng)作理論上能實(shí)現(xiàn)全角度采摘，為采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)一步深入研究奠定基礎(chǔ)。

圖9 旋轉(zhuǎn)副 B1、B2、B3、B4 在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受扭矩變化曲線(xiàn)

圖10 末端執(zhí)行器樣機(jī)

3 結(jié) 論

目前，采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究處于初級(jí)階段，關(guān)于采摘末端執(zhí)行器本體研究的更少，就已研制成功的果蔬采摘執(zhí)行器而言，設(shè)計(jì)思路大體類(lèi)似，即由抓取裝置和果柄分離裝置組成，抓取裝置為類(lèi)手指機(jī)構(gòu)或吸持機(jī)構(gòu)，果柄分離裝置以刀具或激光為主體，其設(shè)計(jì)思路單調(diào)，且在真實(shí)的非結(jié)構(gòu)作業(yè)環(huán)境下成功率很難準(zhǔn)確驗(yàn)證。

基于現(xiàn)實(shí)情況，提出一種適用于一般類(lèi)球果蔬的采摘作業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器相比剪切式或激光燒割式末端執(zhí)行器，消除了一般采摘執(zhí)行器必須先檢測(cè)果蔬果柄位置方向來(lái)確定執(zhí)行器采摘最終位置以及采摘完成后獲取物的放置這兩個(gè)步驟，理論上縮減機(jī)器人采摘時(shí)間；同時(shí)能在一定程度上補(bǔ)償機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)果蔬的定位誤差，提高機(jī)器人采摘成功率。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）

Design and Analysis of End-effector for Spherical Fruit and Vegetable Picking

FU Shun1，WANG Yi1,2
（1. College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, PRC; 2. College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, PRC）

According to the general characteristics of spherical fruits and vegetables harvesting, an end-effector based on double-rocker mechanism for picking robot was designed. The virtual prototype was established in the ADAMS and the key parts of stressed were treated as fl exible bodies, the motion parameters of the actuator were obtained, and the motion characteristic of the actuator was obtained. It was proved that the actuator had simple structure, simple kinematic relationship and good reliability.

spherical fruit and vegetable; picking end-effector; mechanical design; ADAMS analysis

S225

A

1006-060X（2017）03-0016-04

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.003.006

2016-12-08

重慶市科委重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)（cstc2015shmsztzx0100）；重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究一般項(xiàng)目（cstc2016jcyjA0444）作者簡(jiǎn)介：付 舜（1992-），男，湖南洞口縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄苌降剞r(nóng)業(yè)機(jī)械。

王 毅