谷新運，崔永杰

(西北農(nóng)林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

獼猴桃的采摘模式?jīng)Q定了采摘機器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，同時也決定了作業(yè)效率，是獼猴桃采摘機器人的研究內(nèi)容之一。為實現(xiàn)目標果實快速采摘不能一味地模仿人工采摘模式，更重要的是采用簡單可行的機構(gòu)高效地實現(xiàn)采摘作業(yè)。

R. Lewis等在2008年發(fā)現(xiàn)在采摘蘋果時只要抓持力不超過可承受閾值上限就不會誘發(fā)擦傷[1]。Jun Li等在2016年發(fā)現(xiàn)影響采摘蘋果效率的主要因素是采摘模式，并研究了4種采摘模式，最后指出兩只手指在上、一只手指在下抓持蘋果，然后彎曲后拉斷為最佳采摘模式[2]。Johan Baeten等在2008年設(shè)計了一種內(nèi)部裝有相機的漏斗式柔軟抓持器來采摘蘋果[3]。Kanae Tanigaki等在2008年設(shè)計了一種采用兩個手指夾持果柄然后向上拉的采摘模式來采摘櫻桃[4]。張凱良等設(shè)計了一款采用瓜鉗夾持、切刀剪切果柄和電熱切割器剪切果柄的草莓采摘末端執(zhí)行器[5]。采摘機器人能否準確、高效地進行采摘作業(yè)和末端執(zhí)行器的工作有直接關(guān)系，末端執(zhí)行器的采摘速度與其結(jié)構(gòu)、工作流程密切相關(guān)[6]。劉繼展等設(shè)計了一款采用真空吸盤分離、手指夾持、激光器切斷果梗的番茄采摘末端執(zhí)行器[7]。Guohua Wang等在2016年設(shè)計了一種采用3個氣囊夾持果實，夾鉗夾持果柄，然后套筒收縮分離番茄的采摘末端執(zhí)行器[8]。Yuanshen Zhao等在2016年設(shè)計了一種雙臂番茄收貨機器人，并設(shè)計了鋸切斷式和氣吸夾持式兩種末端執(zhí)行器[9]。錢少明等設(shè)計了一款2 個彎曲關(guān)節(jié)抓持、切割刀片切割的黃瓜采摘末端執(zhí)行器[10]。傅隆生等設(shè)計了一款從底部接近、旋轉(zhuǎn)包絡分離毗鄰果實并手指抓取、旋轉(zhuǎn)分離果實的獼猴桃采摘末端執(zhí)行器[11]。陳軍等設(shè)計了一款手指夾持、旋擰分離果實的獼猴桃采摘末端執(zhí)行器[12]。鮑官軍等設(shè)計了一款采用FPA 的氣動柔性彎曲關(guān)節(jié)夾持果實的蘋果采摘末端執(zhí)行器[13]。由此可見：目前國內(nèi)外以蘋果、櫻桃、草莓、番茄、黃瓜和獼猴桃果實為采摘對象研究開發(fā)了多種末端執(zhí)行器，多數(shù)是夾持果實，切斷或折斷果柄分離果實，然后釋放果實這樣的采摘模式。夾持到釋放其實可以簡化為一步采摘，對于獼猴桃的采摘作業(yè)可以拋棄用手指去夾持獼猴桃的動作，直接上行機構(gòu)下行機構(gòu)作用于獼猴桃果實，使其繞其形心旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)果實采摘。

本文對于獼猴桃的采摘作業(yè)是否可以拋棄手指抓持動作，提出了一種相向運動的采摘模式，并設(shè)計了采摘模型、運行機構(gòu)及控制系統(tǒng)；同時，采用正交試驗以采摘力為評價指標研究了該采摘模式，為獼猴桃果實采摘機器人的末端執(zhí)行器設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 運行機構(gòu)導程測定與預試驗

1.1 試驗裝置

相向運動果實果柄分離試驗裝置如圖1所示。試驗設(shè)備為上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的HY-0230型微控電子萬能試驗機(精度等級0.5級，分辨力1/250 000，精度±0.5%，速度可在0.001～500mm /min 內(nèi)任意調(diào)節(jié)，力傳感器量程為0～100N)，試驗中根據(jù)需要自制果柄夾具和運行機構(gòu)夾具，運行機構(gòu)包括上行機構(gòu)和下行機構(gòu)，由步進電機和絲杠螺母滑塊組成，控制系統(tǒng)采用51單片機。試驗裝置工作原理如圖2所示。上行機構(gòu)和下行機構(gòu)相向運動將果實分離，同時力傳感器記錄下分離過程的受力情況。

1.力傳感器 2.果柄夾具 3.上行機構(gòu) 4.上位機 5.下位機 6.運行機構(gòu)夾具 7.下行機構(gòu) 8.單片機控制系統(tǒng)圖1 相向運動果實果柄分離試驗裝置圖Fig.1 Device of relative movement separation test between fruit and stem

1.2 試驗方法

1.2.1 導程的測定

導程是指同一螺旋線上相鄰兩牙對應點的軸向距離，用代號S表示。它與螺距不同，螺距指的是螺紋上相鄰兩牙對應點的軸向距離，代號是P。因本次試驗所采用的絲杠均是單線螺紋，故導程S等于螺距P。導程的測定流程圖如圖3所示。

1.2.2 獼猴桃主要物理尺寸測定

利用數(shù)顯電子游標卡尺(精度0.01mm)測量獼猴桃果實的果柄長度、果實長度、果實寬度厚度的最大值。

1.2.3 預試驗及因素水平確定

對于相向運動的采摘模式，擬通過正交試驗尋找最佳采摘條件。首先通過預試驗確定因素及因素水平，試驗指標為采摘力，試驗因素選擇上行機構(gòu)作用位置、下行機構(gòu)作用位置、上行機構(gòu)行進速度和下行機構(gòu)行進速度。上行機構(gòu)作用位置選取距離果蒂15mm，下行機構(gòu)作用位置選取距離果鄂15mm，上行機構(gòu)行進速度選取4mm/s，下行機構(gòu)行進速度選取4mm/s進行預試驗。

圖2 果實果柄分離試驗裝置工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of separation test between fruit and stem

圖3 運行機構(gòu)導程測定流程圖Fig.3 Determination flow chart of operating mechanism lead

2 果實果柄分離試驗

2.1 材料與設(shè)備

試驗材料為帶果柄“海沃德”獼猴桃，質(zhì)量范圍為80～130g，2016年11月30日采摘于西北農(nóng)林科技大學眉縣獼猴桃試驗站，共計63個存放于冷藏室中，在2017年1月2日從中隨機選取27個果實進行果實果柄分離試驗。

試驗設(shè)備為上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的HY-0230型微孔電子萬能試驗機。該儀器支持拉伸試驗、剪切試驗、彎曲試驗、撕裂試驗及壓縮試驗等，考慮到果實果柄分離時，目標果實繞其形心旋轉(zhuǎn)，果柄離層處受剪切力，果柄通過果蒂與果實連接，而在成熟期果蒂處會形成離層，離層的主要組織結(jié)構(gòu)是維管束。維管束是一種特殊的纖維組織細胞，可以承受較大的拉應力，但是承受剪切力容易斷裂。因此，決定用萬能試驗機進行剪切試驗。

2.2 試驗方法

試驗采用正交試驗法，從采摘的帶果柄獼猴桃果實中隨機選取27個果實分為3組，選用L9(34)正交表。根據(jù)預試驗選取試驗因素及水平如表2所示：A為3個上行機構(gòu)作用位置；B為3個下行機構(gòu)作用位置；C為3個上行機構(gòu)行進速度；D為3個下行機構(gòu)行進速度。相向運動采摘模式如圖4所示。

圖4 相向運動采摘模式圖Fig.4 Picking pattern diagram of relative movement

上行機構(gòu)和下行機構(gòu)同時接觸目標果實，然后相向運動，使得獼猴桃繞其形心旋轉(zhuǎn)，果蒂處離層受剪切力，很輕易實現(xiàn)分離。獼猴桃果實分離原理圖如圖5所示。果柄與枝干和果實連接處均簡化為鉸鏈，果柄AB長度為L1，果實長度為L2，L3為上行機構(gòu)作用位置與果蒂之間距離，L4為下行機構(gòu)作用位置與果鄂之間距離，虛線為獼猴桃果實分離時位置圖，α為果實旋轉(zhuǎn)角度，β果柄旋轉(zhuǎn)角度，1為上行機構(gòu)作用位置標定線，2為下行機構(gòu)作用位置標定線。

圖5 獼猴桃果實分離原理圖Fig.5 Schematic diagram of fruit separation

萬能試驗機自動記錄相向運動采摘過程中果蒂處所受剪切力大小，一組試驗用9個獼猴桃，試驗重復3次，取平均值作為試驗結(jié)果填入表格中。最后，采用 SPSS19.0 軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，獲得對采摘力影響因素的顯著性順序。

3 結(jié)果與分析

3.1 運行機構(gòu)導程測定與預試驗

3.1.1 導程的測定

經(jīng)測量：上行機構(gòu)轉(zhuǎn)5圈前進6mm，由此可以得出上行步進電機絲杠導程為1.2mm；下行機構(gòu)轉(zhuǎn)5圈前進3mm，由此可以得出下行步進電機絲杠導程為0.6mm。

根據(jù)預試驗選取的試驗因素水平4mm/s以及導程(1.2mm/s和 0.6mm/s)可以確定上行機構(gòu)和下行機構(gòu)各自的脈沖頻率(驅(qū)動器細分均設(shè)置成800pulse/rev)，上行機構(gòu)為2 666pulse/s，下行機構(gòu)為5 332pulse/s?？紤]到上行機構(gòu)導程是下行機構(gòu)的兩倍，可以將下行機構(gòu)驅(qū)動器細分調(diào)成400pulse/rev，如此一來導程雖不一樣，可以通過調(diào)細分來實現(xiàn)同步運動，上行機構(gòu)和下行機構(gòu)均為2 666pulse/s。

3.1.2 獼猴桃主要物理尺寸測定

獼猴桃測定的主要物理尺寸如表1所示。

3.1.3 預試驗及因素水平確定

隨機選取一獼猴桃，用數(shù)顯游標卡尺測量：果柄長度38.62mm，果實長度69.46mm，果實寬度52.54mm，果實厚度44.43mm。

上行機構(gòu)和下行機構(gòu)相向運動，用時5.8 s成功將果實與果柄分離。試驗發(fā)現(xiàn)機構(gòu)運行平穩(wěn)，速度可以加快，故選取2、4、6mm/s3個水平，上行機構(gòu)和下行機構(gòu)的驅(qū)動器對應的脈沖頻率依次為1 333、2 666、3 999pulse/s。試驗因素及水平如表2所示。

表2 正交試驗試驗因素及水平

上行機構(gòu)作用位置A為標定線與果蒂之間距離，下行機構(gòu)作用位置B為標定線與果鄂之間距離。

3.2 果實果柄分離試驗

3.2.1 相向運動采摘過程分析

果實果柄分離試驗過程如圖6所示。圖6 (a)為給獼猴桃做標定線；圖6 (b)安裝獼猴桃果實，啟動試驗裝置；圖6 (c)果實在上行機構(gòu)和下行機構(gòu)作用下，空中繞其形心旋轉(zhuǎn)，果實果柄實現(xiàn)分離；圖6 (d)用角尺測量果實旋轉(zhuǎn)角度。由表3計算得果實旋轉(zhuǎn)角度平均值為35.78°，試驗結(jié)果與傅隆生在2015年通過果實采摘簡化幾何模型得出果柄與果實慣性軸的最大夾角β介于47°～60°，果實旋轉(zhuǎn)角度約為33°～46°一致[11]；圖6 (e)是采摘效果圖；圖6 (f)是一組的采摘效果圖。

3.2.2 試驗因素對采摘力的影響

對果實果柄分離試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，果實果柄分離試驗數(shù)據(jù)如表3所示，試驗因素與指標趨勢圖如圖7所示。

(a)做標定線 (b)開始相向運動

(c)果實果柄分離 (d)旋轉(zhuǎn)角度測量

(e)采摘效果圖 (e)一組采摘效果圖6 果實果柄分離試驗過程圖Fig.6 Process diagram of separation test between fruit and stem表3 果實果柄分離試驗數(shù)據(jù)Table 3 Date of separation test between fruit and stem

試驗號上行機構(gòu)作用位置A/mm下行機構(gòu)行進速度D/mm·s-1采摘力/N果實旋轉(zhuǎn)角度/(°)11026.4343621048.3123731067.6443541567.0393451527.9513661548.5593772049.853882067.84733920210.44236

上行機構(gòu)作用位置A為標定線與果蒂之間距離。

圖7 試驗因素與指標趨勢圖Fig.7 Test factor and Indicator trend graph

因素A極差最大，因素對試驗指標影響的主次順序是A、D、B、C，即上行機構(gòu)作用位置影響最大。最優(yōu)組合是A1 D3 B1 C1，也就是上行機構(gòu)作用位置距離果蒂10mm，下行機構(gòu)前進速度6mm/s，下行機構(gòu)作用位置距離果鄂10mm，上行機構(gòu)前進速度2mm/s。本次試驗采摘力平均值在8.23N，采摘時間平均值5.3s，采摘時間要遠遠小于傅隆生在2015年采摘試驗中單果平均耗時 22s[11]。經(jīng)過分析可得出：相向運動采摘模型的上行機構(gòu)主要起到支點的作用，而下行機構(gòu)前進速度決定了采摘的效率。另外，本研究相向運動采摘模型的運行機構(gòu)可以延長，后期實現(xiàn)多果一次性采摘。

4 結(jié)論

1)提出了一種面向獼猴桃果實的相向運動采摘模式，經(jīng)試驗驗證該采摘模式具有可行性，研究為采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。

2)相向運動采摘模式將手指夾持果實動作和旋轉(zhuǎn)采摘動作優(yōu)化為上行機構(gòu)和下行機構(gòu)相向運動，省去了夾持果實和后期釋放果實的時間，明顯提高采摘效率，采摘成功率為96.3%，單果采摘時間均值為5.3s，果實旋轉(zhuǎn)角度平均值為35.78°。

3)上行機構(gòu)作用位置、下行機構(gòu)作用位置、上行機構(gòu)行進速度和下行機構(gòu)行進速度是本次試驗的試驗因素，主次因素排在前兩位的是上行機構(gòu)作用位置和下行機構(gòu)行進速度。因此，末端執(zhí)行器設(shè)計首先考慮這兩個因素，保證上行機構(gòu)作用點穩(wěn)定，下行機構(gòu)采摘動作快速，實現(xiàn)快速采摘。

4)該采摘模式改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機器人的采摘方法，上行和下行機構(gòu)可以延伸為橫板，如此可以實現(xiàn)多個果實一次性采摘， 為今后實現(xiàn)獼猴桃批量化采摘

作業(yè)、 促進獼猴桃采摘機器人產(chǎn)業(yè)化提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

上行機構(gòu)和下行機構(gòu)對于不同獼猴桃的前進補給量，實現(xiàn)多果一次性采摘，需要進一步研究；另外，上行機構(gòu)和下行機構(gòu)的前進作用位置和果實旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系也需要進一步研究。

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AbstractID:1003-188X(2018)05-0215-EA