申一歌，袁 鑄

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

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基于FPA控制系統(tǒng)的多指多關(guān)節(jié)采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)

申一歌，袁 鑄

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械手爪存在抓持動(dòng)作單一、自由度少及通用性較差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的由FPA直接驅(qū)動(dòng)的多指多關(guān)節(jié)采摘機(jī)械手，有效地提高了機(jī)械手的靈活性和對(duì)不同果實(shí)采摘的自適應(yīng)能力。從靜力學(xué)的角度，建立了彎曲關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角及輸出力的靜態(tài)模型，并利用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)各個(gè)關(guān)鍵受力的均勻性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了三自由度手指的輸出力特性。最后，通過實(shí)驗(yàn)方法建立了機(jī)械手的蘋果抓持實(shí)驗(yàn)，分析了氣壓值與抓持能力之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著待采摘果實(shí)目標(biāo)半徑的增大，機(jī)械手抓取關(guān)節(jié)角度有所減小，機(jī)械手抓取關(guān)節(jié)手指內(nèi)腔的壓力有所降低，為新型采摘機(jī)械手的研究提供了理論借鑒和技術(shù)參考。

多指機(jī)械手；多目標(biāo)優(yōu)化；FPA驅(qū)動(dòng)；抓持能力；自由度

0 引言

農(nóng)業(yè)的機(jī)械化實(shí)現(xiàn)了用機(jī)械動(dòng)力和電力代替人力和畜力，以工作機(jī)械代替人的手工工具的目標(biāo)。20世紀(jì)70年代以來，農(nóng)業(yè)逐漸推廣應(yīng)用自動(dòng)控制、電子計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)工程、遙感等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)部分生產(chǎn)作業(yè)和管理自動(dòng)化，取得了提高作業(yè)質(zhì)量、效率和安全、省力等效果。在果蔬采收作業(yè)時(shí)，采摘機(jī)器人是最常用的自動(dòng)化和智能化機(jī)械工具之一，但在作業(yè)過程中，傳統(tǒng)的采摘機(jī)械手的抓取動(dòng)作比較單一，手指關(guān)節(jié)自由度較少，通用性較差，制約了采摘機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用。多指采摘機(jī)械手手指關(guān)節(jié)靈活，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的抓取動(dòng)作，如果將其作為在采摘機(jī)器人與外界作業(yè)環(huán)境的末端執(zhí)行部件，必然會(huì)提高采摘機(jī)器人的自動(dòng)化水平，提高其作業(yè)范圍和作業(yè)能力。

1 基于FPA的多指采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)的最重要部分之一是機(jī)械手的設(shè)計(jì)，機(jī)械手設(shè)計(jì)的好壞直接影響機(jī)械人的作業(yè)性能和工作效率。機(jī)械手指的驅(qū)動(dòng)是機(jī)械手設(shè)計(jì)的一個(gè)難題，要在小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多自由度的靈活動(dòng)作，且還要保證機(jī)械手指具有足夠的抓取力。在此背景下，各國的農(nóng)業(yè)機(jī)器人專家和學(xué)者都在積極探討和研究一種既具有對(duì)大部分果實(shí)自適應(yīng)采摘能力，又對(duì)大部分果實(shí)損傷較小的采摘機(jī)械手。其中，典型的代表是Monta等人研制的番茄采摘機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械手番茄采摘照片

該末端執(zhí)行器由4個(gè)90°間隔分布的手指和1個(gè)吸盤組成，在采摘番茄過程中，機(jī)械手對(duì)果實(shí)的損傷較小，其工作原理如圖2所示。其每個(gè)手指都是使用橡膠軟管進(jìn)行連接，軟管使用纜繩連接，拉動(dòng)纜繩時(shí)，手指向內(nèi)彎曲，放開纜繩，手指放松，配合壓力傳感器和吸盤，可以完成整個(gè)果實(shí)采摘?jiǎng)幼?。為了提高手指關(guān)節(jié)的靈活程度，設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)靈活動(dòng)作的機(jī)械手指，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于果實(shí)形狀各異，為了滿足機(jī)械手指的自適應(yīng)能力，將其設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，手指數(shù)量設(shè)計(jì)為3個(gè)，單個(gè)手指的關(guān)節(jié)數(shù)量設(shè)計(jì)為3個(gè)，手指間的距離可以根據(jù)不同的果實(shí)調(diào)節(jié)。

圖2 機(jī)械手末端執(zhí)行器原理圖

圖3 多關(guān)節(jié)機(jī)械手指結(jié)構(gòu)

多指采摘機(jī)械手的控制系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分：上位機(jī)主要負(fù)責(zé)手指各個(gè)關(guān)節(jié)和多個(gè)手指的協(xié)調(diào)工作，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡計(jì)算和關(guān)節(jié)控制；下位機(jī)主要負(fù)責(zé)壓力和角度的測量與控制，包括各種傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如圖4所示。上位機(jī)和下位機(jī)由CAN總線連接，可以有效地提高系統(tǒng)的控制速度和性能，關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖4 多指多關(guān)節(jié)采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)

圖5 關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)框架

關(guān)節(jié)控制器系統(tǒng)主要是控制關(guān)節(jié)的彎曲驅(qū)動(dòng)和彎曲力的大小，是機(jī)械手控制的基礎(chǔ)構(gòu)件。本設(shè)計(jì)的控制器使用的是壓力比例控制閥，并利用壓力反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)。采摘機(jī)械手總體的控制電路如圖 6所示。

采摘機(jī)械手的總體控制電路可以根據(jù)采摘果實(shí)的數(shù)量和形狀進(jìn)行設(shè)定，通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定機(jī)械手的采摘姿態(tài)、關(guān)節(jié)角度和FPA中的壓力值，通過綜合評(píng)估后確定各個(gè)關(guān)節(jié)合適的壓力值。在采摘作業(yè)過程中，對(duì)FPA中的壓力值進(jìn)行閉環(huán)控制，通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)壓力值，使其適應(yīng)不同的待采摘果實(shí)作業(yè)對(duì)象，從而有效地提高采摘質(zhì)量和采摘效率。

2 多指采摘機(jī)械手幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

多指采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是多指幾何結(jié)構(gòu)，幾何形狀關(guān)系到手指的運(yùn)動(dòng)角度和內(nèi)腔的壓力，幾何形狀的優(yōu)化可以合理地設(shè)計(jì)出對(duì)果實(shí)損失較小的采摘機(jī)械手。假設(shè)待采摘果實(shí)的結(jié)合方程為

x2+y2=rg2

(1)

其中，rg表示待采摘果實(shí)的半徑。假設(shè)機(jī)械手關(guān)節(jié)1的轉(zhuǎn)動(dòng)中心O1的坐標(biāo)為

(x1,y1)=(a,-rg-Hb)

(2)

其中，Hb表示待采摘果實(shí)到底板的距離；a表示關(guān)節(jié)1的長度。關(guān)節(jié)2繞中心O1轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)為

(x2,y2)=(a+L1cosθ1,-rg-Hb+L1sinθ1)

(3)

其中，關(guān)節(jié)L1表示關(guān)節(jié)2的長度；θ1表示關(guān)節(jié)2轉(zhuǎn)過的角度。關(guān)節(jié)3繞中心O3轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)為

(4)

其中，關(guān)節(jié)L2表示關(guān)節(jié)3的長度；θ2表示關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)過的角度，則指節(jié)的幾何方程可以表示為

(5)

綜合以上公式可得，各個(gè)指節(jié)和待采摘果實(shí)之間接觸點(diǎn)的縱坐標(biāo)為

(6)

在機(jī)械手采摘果實(shí)時(shí)，手指與目標(biāo)果實(shí)相切的切線斜率，其表達(dá)式為

(7)

因此，可得各關(guān)節(jié)彎曲角為

(8)

為了使多指機(jī)械手可以抓住果實(shí)，需要向果實(shí)的接觸點(diǎn)施加壓力，其中接觸點(diǎn)的坐標(biāo)為

(9)

由于果實(shí)采摘作業(yè)時(shí)果實(shí)較為容易發(fā)生損傷，因此需要各個(gè)手指的力保持盡量均勻，使果實(shí)的傷害降低到最小。針對(duì)果實(shí)的抓取模型，建立了如公式(10)所示的優(yōu)化方程。

優(yōu)化變量為

FN(X)=[FN1,FN2,FN3,FN4,FN5,FN6]T

(10)

目標(biāo)函數(shù)為

(11)

該模型為有約束的線性規(guī)劃模型，可以通過輸入手指的轉(zhuǎn)角和接觸點(diǎn)壓力值，對(duì)每個(gè)輸出壓力進(jìn)行優(yōu)化，從而得到均勻分布的采摘抓取力。

3 基于FPA的多指采摘機(jī)械手實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證FPA多指采摘機(jī)械手的可靠性，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，包括關(guān)節(jié)的角度變化和關(guān)節(jié)的內(nèi)腔壓力狀況。實(shí)驗(yàn)機(jī)械手采用多指三關(guān)節(jié)機(jī)械手，其實(shí)物如圖7所示。

為了降低機(jī)械關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)果實(shí)的傷害，給機(jī)械手配置了橡膠套。該機(jī)械手的手指關(guān)節(jié)靈活，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 采摘機(jī)械手各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)

對(duì)機(jī)械手定量分析可以得到待采摘果實(shí)的半徑對(duì)手指關(guān)節(jié)角的影響，通過對(duì)3個(gè)手指關(guān)節(jié)的測試，得到了如圖8所示的結(jié)果曲線。

圖8 不同果實(shí)半徑下關(guān)節(jié)彎曲角度曲線

由圖8可以看出：隨著待采摘果實(shí)目標(biāo)半徑的增大，機(jī)械手抓取關(guān)節(jié)角度有所減小。為了進(jìn)一步研究待采摘果實(shí)半徑和機(jī)械手指抓取關(guān)節(jié)的形狀關(guān)系，計(jì)算了不同果實(shí)半徑下的關(guān)節(jié)內(nèi)腔壓力曲線，如圖9所示。

圖9 不同果實(shí)半徑下手指內(nèi)腔的壓力曲線

由圖9可以看出：隨著待采摘果實(shí)目標(biāo)半徑的增大，機(jī)械手抓取關(guān)節(jié)手指內(nèi)腔的壓力有所降低，因此在進(jìn)行手指優(yōu)化時(shí)，可以結(jié)合壓力和果實(shí)的半徑進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化。

4 結(jié)論與討論

為了提高采摘機(jī)械手對(duì)不同果實(shí)的自適應(yīng)能力，使采摘手指具有動(dòng)作靈活好多自由度等特性，設(shè)計(jì)了一種新型的多指多關(guān)節(jié)采摘機(jī)械手，并從靜力學(xué)的角度建立了彎曲關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角及輸出力的靜態(tài)模型，對(duì)多指和多關(guān)節(jié)的受力進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。對(duì)采摘機(jī)械手的采摘性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：隨著待采摘果實(shí)目標(biāo)半徑的增大，機(jī)械手抓取關(guān)節(jié)角度有所減小，機(jī)械手抓取關(guān)節(jié)手指內(nèi)腔的壓力有所降低。由于時(shí)間和篇幅的限制，本研究只進(jìn)行了初步的手指關(guān)節(jié)角度和內(nèi)腔壓力的測試，從后續(xù)的研究中，將通過大量的實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化機(jī)械手的尺寸，使其可以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

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Design for Multi-fingered Picking Manipulator Based on FPA Control System

Shen Yige, Yuan Zhu

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000，China)

In view of the traditional mechanical gripper are holding a single action, less degrees of freedom and general poor shortcomings, a model driven directly by the FPA of multi finger articulated picking manipulator is designed, so as to effectively improve the flexibility of the mechanical hand movements and of different fruit picking the adaptive ability. From the static point of view, the establishment of a joint bending angle and the output force of the static model, and the multi-objective optimization method was proposed to the optimization design of the uniformity of the force on each key, and output force characteristics of three degree of freedom finger was analyzed. The experimental method to establish the manipulator for Apple grasping experiments, experimental results of pressure value and the grasping ability between. The results show that with be picking fruit target radius increases, the manipulator joint angle decreases, manipulator finger joint cavity pressure decreases, is a new type of picking manipulator research provides a theoretical and technical reference for reference.

multi-fingered manipulator; multi-objective optimization; FPA driver; holding capacity; freedom degreeaz

2016-03-10

河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015GZC155)；南陽市科技攻關(guān)(KJGG36)

申一歌(1982-)，女，河南南陽人，講師，碩士研究生。

袁 鑄(1982-)，男，河南南陽人，講師，碩士，(E-mail)yuanzhu1982@hnpi.cn。

S225；TP273

A

1003-188X(2017)05-0249-04