王 毅 許洪斌 張 茂 馬冀桐 劉 波 何 宇

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

0 引言

采摘機(jī)器人的概念于1968年由SCHERTZ和BROWN提出后，世界各國學(xué)者對(duì)采摘機(jī)器人紛紛開展了研究[1-2]。但是，由于采摘機(jī)器人缺乏強(qiáng)大的果實(shí)識(shí)別能力和精確采摘能力，目前為止仍然處在實(shí)驗(yàn)室階段[1,3]。末端執(zhí)行器作為采摘機(jī)器人的一個(gè)關(guān)鍵部件，直接對(duì)果蔬進(jìn)行操作，對(duì)果蔬的成功采摘起著關(guān)鍵作用，直接影響采摘機(jī)器人的采摘能力。

當(dāng)前對(duì)末端執(zhí)行器的研究，大多針對(duì)大棚中生長(zhǎng)的水果和蔬菜[4-11]，針對(duì)室外環(huán)境的研究較少。在大棚中生長(zhǎng)的水果和蔬菜，其生長(zhǎng)狀態(tài)相對(duì)可控，對(duì)末端執(zhí)行器的要求相對(duì)簡(jiǎn)單。在室外環(huán)境中生長(zhǎng)的果蔬，如柑橘，其生長(zhǎng)情況是隨機(jī)的，對(duì)末端執(zhí)行器要求更高。目前，末端執(zhí)行器的采摘原理有利用剪刀剪斷果柄[7,12]、通過3根或4根手指抓住果實(shí)扭斷或切斷果柄[7，13-14]以及通過機(jī)構(gòu)夾持住果實(shí)再切斷果柄[6,9,15]等。對(duì)于自然環(huán)境下生長(zhǎng)的柑橘來說，果柄的生長(zhǎng)方位是隨機(jī)的，在自然環(huán)境下較難通過視覺系統(tǒng)精確判斷每一個(gè)柑橘果實(shí)其果柄的空間方位信息。通過剪刀剪斷果柄的方式由于果柄空間方位信息未知?jiǎng)t難以準(zhǔn)確切斷果柄，通過手指扭斷果柄的方式容易在果柄與果實(shí)分離時(shí)造成果實(shí)表皮破損，通過夾持果實(shí)的方式則容易造成果實(shí)表面淤傷等問題。因此，對(duì)于柑橘采摘機(jī)器人來說，有必要設(shè)計(jì)一款對(duì)果實(shí)表面損傷較小、未知柑橘果柄空間方位就能進(jìn)行采摘的末端執(zhí)行器，以提高柑橘采摘機(jī)器人的采摘能力。

本文基于仿生學(xué)原理，模擬蛇嘴的咬合動(dòng)作及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿蛇嘴的咬合式末端執(zhí)行器，對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真，研制末端執(zhí)行器樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和室外環(huán)境的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 仿蛇嘴咬合式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 仿蛇嘴咬合式末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求

為實(shí)現(xiàn)在未知柑橘果柄空間方位情況下就能對(duì)柑橘果實(shí)進(jìn)行采摘這一技術(shù)要求，本文模擬動(dòng)物吞食咬合動(dòng)作來設(shè)計(jì)柑橘采摘末端執(zhí)行器，即設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器的形態(tài)類似于動(dòng)物的嘴部結(jié)構(gòu)，同樣具有上下顎，通過類似于動(dòng)物咬合的方式剪斷果柄實(shí)現(xiàn)柑橘采摘。本文把這種具有上下顎咬合功能的末端執(zhí)行器稱之為咬合式末端執(zhí)行器。

在眾多生物中，蛇類的顎部骨骼與其他動(dòng)物相比有著很大的不同，蛇類顎部骨骼的特殊結(jié)構(gòu)使得蛇嘴能夠擴(kuò)張3倍，使得蛇能夠捕食體積比自身還大的獵物[16-17]，這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同樣有利于吞咽果實(shí)，方便機(jī)器人采摘。受蛇嘴結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，本文根據(jù)仿生學(xué)原理，仿照蛇嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器。

一般情況下，柑橘都是自然生長(zhǎng)的，其果柄的生長(zhǎng)方位也是雜亂無章的(圖1)，而仿蛇嘴咬合式末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在未知柑橘果柄空間具體方位的情況下通過末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)柑橘果柄的剪切。通過觀察與分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于咬合式末端執(zhí)行器來說，在未知果柄空間方位的情況下剪斷果柄的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是末端執(zhí)行器張角足夠大，足以包容任何生長(zhǎng)方位的柑橘果柄而不與果柄發(fā)生碰撞(圖2a)；二是末端執(zhí)行器能夠在果柄生長(zhǎng)范圍內(nèi)的任意角度實(shí)現(xiàn)咬合動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任意生長(zhǎng)方位果柄的剪斷(圖2b)。這要求末端執(zhí)行器的張角要盡可能大，且其上下顎能夠在果柄生長(zhǎng)范圍內(nèi)的任意角度實(shí)現(xiàn)咬合動(dòng)作。

圖1 柑橘果柄生長(zhǎng)情況Fig.1 Growth condition of citrus stem

圖2 咬合式末端執(zhí)行器剪切過程示意圖Fig.2 Schematic diagrams of shearing process of bite-model end-effector

以上要求都和果柄與水平面在空間中的夾角有關(guān)，為更加清楚地描述柑橘果柄空間方位，定義柑橘果柄與水平面在空間中的夾角為果柄傾角θcar。針對(duì)果柄傾角的分布情況在某柑橘栽培基地進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)方式如圖3所示，得到果柄傾角與果實(shí)密度的關(guān)系圖，如圖4所示，其中μ為傾角范圍內(nèi)的果實(shí)數(shù)所占百分比。

圖3 果柄傾角測(cè)量圖Fig.3 Measurement diagram of stem inclination

圖4 果柄傾角與果實(shí)密度直方圖Fig.4 Histogram of relationship between inclination of stem and fruit density

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，果柄傾角的范圍分布較廣，從5°～90°都有分布，在30°～90°范圍分布較多，但無明顯集中的區(qū)域。每5°取一個(gè)采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)附近的柑橘算作此采樣點(diǎn)處的樣本。通過分析還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)果柄傾角為5°時(shí)，果柄接近水平位置，此時(shí)實(shí)現(xiàn)果柄的剪切較為容易，末端執(zhí)行器只要能夠順利吞入果實(shí)并在水平位置附近咬合即可完成對(duì)果柄的剪切(圖5a)。傾角逐漸增大，末端執(zhí)行器剪切的難度也隨之逐漸增大，當(dāng)傾角為90°時(shí)，剪切難度達(dá)到最大(圖5b)。此時(shí)果柄與水平面垂直，若要求果柄在采摘前不與末端執(zhí)行器發(fā)生碰撞，則要求末端執(zhí)行器上顎同樣也與水平面垂直，即要求末端執(zhí)行器張角為180°，在此位置能夠?qū)崿F(xiàn)咬合。

圖5 不同果柄傾角下末端執(zhí)行器剪切情況Fig.5 End-effector shear condition at different stem inclinations

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1蛇嘴咬合過程與蛇頭骨結(jié)構(gòu)分析

蛇嘴的咬合過程大致可分為對(duì)準(zhǔn)、伸出、張嘴與咬合4個(gè)步驟(圖6)。咬合式末端執(zhí)行器采摘果實(shí)時(shí)大致也分為這4個(gè)步驟，其中對(duì)準(zhǔn)與伸出動(dòng)作可由機(jī)械臂完成，而張嘴與咬合動(dòng)作由咬合式末端執(zhí)行器完成。

圖6 蛇嘴的咬合過程Fig.6 Snake bite process

圖7 蛇頭骨骼結(jié)構(gòu)圖[18] Fig.7 Snake head skeleton map [18]1.腦顱骨 2.上顳骨 3.方形骨 4.翼狀骨 5.外翼狀骨 6.上頜骨 7.前額 8.上顎骨 9.下頜骨

KARDONG等[18]將蛇類中具有代表性的響尾蛇頭部作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)蛇頭部上顎各骨骼可組成一個(gè)封閉的機(jī)構(gòu)，而下顎與上顎的運(yùn)動(dòng)則相對(duì)獨(dú)立，蛇頭骨骼結(jié)構(gòu)如圖7a所示。進(jìn)一步對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，用連桿表示各骨骼，用鉸鏈表示骨骼的連接部，將蛇頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)通過各關(guān)節(jié)鉸接的鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)，如圖7b所示。

1.2.2蛇頭骨骼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化與仿蛇嘴咬合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，對(duì)蛇頭骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化。由圖7b所示的蛇頭骨骼簡(jiǎn)化連桿結(jié)構(gòu)圖可知，桿件9(下頜骨)運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立，桿件8(上顎骨)和桿件5(外翼狀骨)均和桿件6(上頜骨)及桿件4(翼狀骨)連接，連接關(guān)系上有一定的重疊。據(jù)此，本文提出2種設(shè)計(jì)思路：

(1)忽略桿件8，蛇頭骨骼的上顎部分可簡(jiǎn)化為如圖8a所示的7連桿機(jī)構(gòu)。

(2)忽略桿件5，同時(shí)將桿件6與桿件8視為一個(gè)桿件，蛇頭骨骼的上顎部分可簡(jiǎn)化為如圖8b所示的6連桿機(jī)構(gòu)。

圖8 蛇頭骨上顎部分簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)圖Fig.8 Simplified mechanisms of upper jaw part of snake skull

對(duì)設(shè)計(jì)思路(1)提出的7連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖8a所示，共有7個(gè)桿件，同時(shí)有7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，但沒有確定活動(dòng)構(gòu)件數(shù)、原動(dòng)件類型和數(shù)目。若確定一個(gè)桿件為機(jī)架，則剩下6個(gè)桿件為活動(dòng)件，同時(shí)具有7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，根據(jù)自由度計(jì)算公式

F=3n-2p5-p4

(1)

式中F——自由度n——活動(dòng)構(gòu)件數(shù)

p5——5級(jí)平面低副數(shù)

p4——4級(jí)平面高副數(shù)

可計(jì)算得自由度為4，而原動(dòng)件不可能為4個(gè)，此機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不能確定。若確定兩個(gè)桿件如桿件4和桿件5為機(jī)架，此時(shí)活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為5個(gè)，但轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)也相應(yīng)減少1個(gè)，變?yōu)?個(gè)，由式(1)計(jì)算得自由度為3，運(yùn)動(dòng)同樣不能確定。因此，必須對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改進(jìn)。

考慮到末端執(zhí)行器的總重量不能超過機(jī)械臂的負(fù)重限制，末端執(zhí)行器不能選用過重的設(shè)備和材料，因此選擇動(dòng)力輸入設(shè)備為質(zhì)量較小的氣缸，則有輸入為直線移動(dòng)的直線氣缸和輸入為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的手指氣缸可供選擇。將桿件3和桿件4鉸接處的轉(zhuǎn)動(dòng)副改為移動(dòng)副，作為直線氣缸的輸入，將桿件3帶動(dòng)此移動(dòng)副提前至桿件1處，將桿件7和桿件2視為同一桿件，將桿件4和原桿件3視為機(jī)架，則有了改進(jìn)后的上顎機(jī)構(gòu)a，如圖9a所示。此機(jī)構(gòu)共有5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，7個(gè)平面低副，由式(1)計(jì)算得自由度為1，由直線氣缸作為原動(dòng)件。

圖9 改進(jìn)后的上顎機(jī)構(gòu)Fig.9 Improved upper jaw mechanisms

對(duì)設(shè)計(jì)思路(2)提出的6連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖8b所示，若指定桿件4為機(jī)架，則有5個(gè)活動(dòng)桿件和6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，由式(1)計(jì)算得自由度為3。若指定2個(gè)桿件如桿件4和桿架3為機(jī)架，則有4個(gè)活動(dòng)桿件和5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，由式(1)計(jì)算得自由度為2，在只有一個(gè)原動(dòng)件的條件下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無法確定，同樣需對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化和改進(jìn)。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件1為蛇頭的腦顱骨，而桿件2和桿件7均為連接腦顱骨的構(gòu)件，這3個(gè)構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)主要運(yùn)動(dòng)影響不大， 于是將這3個(gè)構(gòu)件簡(jiǎn)化為1個(gè)桿件，則蛇頭骨骼機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為1個(gè)平面四桿機(jī)構(gòu)，為改進(jìn)后的上顎機(jī)構(gòu)b，如圖9b所示。確定桿件4為機(jī)架，則有3個(gè)活動(dòng)件和4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，由式(1)計(jì)算得自由度為1，由手指氣缸作為原動(dòng)件。

1.2.3咬合式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)仿真

咬合式末端執(zhí)行器要實(shí)現(xiàn)咬合剪斷果柄，必須要上下額以相同軌跡同時(shí)運(yùn)動(dòng)，而蛇頭骨骼結(jié)構(gòu)的下顎運(yùn)動(dòng)則相對(duì)獨(dú)立，為保證剪切效果，本文對(duì)咬合式末端執(zhí)行器的下顎采用與上顎相同且對(duì)稱的機(jī)構(gòu)，根據(jù)前文提出的兩種設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出咬合式末端執(zhí)行器的兩種機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖10a和圖10b所示，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真圖如圖11和圖12所示。

圖10 咬合式末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.10 Schematic diagrams of bite-model end-effector mechanism

圖11 咬合式末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)a運(yùn)動(dòng)仿真圖Fig.11 Motion simulation diagram of bite-model end-effector mechanism a

圖12 咬合式末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)b運(yùn)動(dòng)仿真圖Fig.12 Motion simulation diagram of bite-model end-effector mechanism b

根據(jù)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，結(jié)合柑橘尺寸，利用幾何圖形法對(duì)機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，在Solidworks軟件中建立兩種末端執(zhí)行器的初步模型，如圖13和圖14所示。

圖13 咬合式末端執(zhí)行器初步模型aFig.13 Initial model a of bite-model end-effector1.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)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14 咬合式末端執(zhí)行器初步模型bFig.14 Initial model b of bite-model end-effector1、10.手指氣缸 2、7、9、11.傳動(dòng)桿 3.上顎 4.下顎 5.上刀片 6.主架 8.下刀片 12.連接法蘭

將模型a和模型b導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行初步運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)置運(yùn)動(dòng)時(shí)間，分別導(dǎo)出兩種模型的末端執(zhí)行器執(zhí)行咬合動(dòng)作時(shí)上、下顎的速度與加速度變化曲線以及角速度與角加速度變化曲線，如圖15和圖16所示。

圖15 模型a上、下顎速度與角速度及加速度與角加速度變化曲線Fig.15 Changing curves of velocity and angular velocity, acceleration and angular acceleration of upper and lower jaws in model a

圖16 模型b上、下顎的速度與加速度及角速度與角加速度變化曲線Fig.16 Changing curves of velocity and acceleration, angular velocity and angular acceleration of upper and lower jaws in model b

通過分析對(duì)比圖15、16，模型a在運(yùn)動(dòng)過程中上下顎刀片的速度、加速度、角速度和角加速度均存在突變，容易造成較大的沖擊。而模型b的運(yùn)動(dòng)曲線除了啟動(dòng)瞬間，其余階段均較為平穩(wěn)，無明顯突變，具有較好的運(yùn)動(dòng)特性；比較2個(gè)模型的張角，模型b的張角明顯比模型a的張角要大，更符合設(shè)計(jì)要求；同時(shí)模型b的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。經(jīng)綜合比較，根據(jù)模型b的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)咬合式末端執(zhí)行器。

1.3 仿蛇嘴咬合式末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)建模

以圖14所示的模型b為基礎(chǔ)，對(duì)末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化。咬合式末端執(zhí)行器的上、下顎分別為平面四桿機(jī)構(gòu)，如圖10b所示，點(diǎn)B處連接剪切刀片，桿AB為執(zhí)行剪切動(dòng)作的從動(dòng)桿，桿CD為主動(dòng)桿，桿AD為機(jī)架，桿BC為連架桿。選用SMC MHY2-16D型氣動(dòng)手指氣缸為末端執(zhí)行器動(dòng)力源，安裝在機(jī)架AD上，其尺寸參數(shù)見文獻(xiàn)[19]。手指氣缸的初始狀態(tài)為手指與缸體平行，最終狀態(tài)為手指與缸體垂直。而作為剪切桿件的從動(dòng)桿，其初始狀態(tài)為保證張角為180°，需與機(jī)架垂直，最終的剪切狀態(tài)為與機(jī)架平行的水平狀態(tài)。據(jù)此，畫出末端執(zhí)行器連桿初始狀態(tài)和最終剪切狀態(tài)的機(jī)構(gòu)圖，如圖17所示。

圖17 末端執(zhí)行器連桿的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)機(jī)構(gòu)圖Fig.17 Initial and final state mechanism diagrams of end-effector linkage

桿AB需要完全包絡(luò)柑橘，因此桿AB長(zhǎng)度需大于柑橘半徑，但又不能過大致使無法剪切到果柄。經(jīng)調(diào)研得到的柑橘實(shí)際尺寸，設(shè)定桿AB長(zhǎng)度為40 mm。同時(shí)根據(jù)手指氣缸大小和柑橘直徑確定機(jī)架AD長(zhǎng)度為75 mm，可計(jì)算出CD桿長(zhǎng)為40 mm,BC桿長(zhǎng)為122 mm，同時(shí)根據(jù)果柄直徑和工作實(shí)際確定其他零件尺寸，得出咬合式末端執(zhí)行器三維模型，如圖18所示。

圖18 咬合式末端執(zhí)行器三維模型Fig.18 Three-dimensional model of bite-model end-effector1.機(jī)架 2.上顎支架 3.上刀片 4.下刀片 5.下顎支架 6.上顎連桿 7.氣缸支架 8.下顎支架 9.手指氣缸 10.下顎驅(qū)動(dòng)桿 11.上顎驅(qū)動(dòng)桿

1.4 仿蛇嘴咬合式末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)優(yōu)化

將末端執(zhí)行器三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行咬合剪切運(yùn)動(dòng)的仿真，在進(jìn)行咬合動(dòng)作時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于果柄存在傾角，上顎會(huì)先于下顎接觸果柄，而上顎在接觸果柄后，由于作為動(dòng)力源的手指氣缸的兩個(gè)手指為同時(shí)運(yùn)動(dòng)，上顎接觸果柄后不再運(yùn)動(dòng)，使連接上顎的手指停下，從而使連接下顎的手指也停下，造成下顎也停止運(yùn)動(dòng)，無法形成咬合剪切動(dòng)作，造成剪切果柄失敗。咬合動(dòng)作仿真圖如圖19所示。

圖19 模型咬合動(dòng)作仿真圖Fig.19 Simulation diagram of model bite motion

仔細(xì)分析蛇頭骨骼機(jī)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)蛇頭骨骼的下顎部分與上顎的運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立，能夠保證上顎在咬住獵物的同時(shí)下顎繼續(xù)運(yùn)動(dòng)形成咬合。對(duì)比所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器，上下顎的運(yùn)動(dòng)完全同步是造成無法咬合的主要原因。將咬合機(jī)構(gòu)與主架的連接由兩顆螺釘連接變?yōu)橐粋€(gè)軸承連接，可釋放咬合機(jī)構(gòu)自行運(yùn)動(dòng)的自由度。自由度釋放后，由于重力作用，手指氣缸會(huì)帶動(dòng)咬合機(jī)構(gòu)沿此軸承形成擺動(dòng)，同時(shí)在主架上增加一個(gè)擋塊形成限制擺動(dòng)的位置。根據(jù)前期研究成果，采摘姿態(tài)在45°左右時(shí)有較好的采摘效果[20]，調(diào)整擋塊位置，將擺動(dòng)的角度限定在45°，可具有較好的采摘效果。優(yōu)化后的末端執(zhí)行器三維模型如圖20所示。

圖20 優(yōu)化后的末端執(zhí)行器三維模型Fig.20 Three-dimensional model of optimized end-effector1.機(jī)架 2.擋塊 3.上顎支架 4.上刀片 5.下刀片 6.下顎支架 7.上顎連桿 8.氣缸支架 9.下顎支架 10.手指氣缸 11.下顎驅(qū)動(dòng)桿 12.上顎驅(qū)動(dòng)桿

2 仿蛇嘴咬合式末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)分析

2.1 平面模型的建立

根據(jù)末端執(zhí)行器的三維模型，建立末端執(zhí)行器的平面連桿機(jī)構(gòu)模型，如圖21所示，兩個(gè)相同的四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀片作為咬合式末端執(zhí)行器的上下顎執(zhí)行剪切咬合動(dòng)作，兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)共用機(jī)架和動(dòng)力源。

圖21 末端執(zhí)行器平面連桿機(jī)構(gòu)模型Fig.21 Model of end-effector plane link mechanism

2.2 咬合式末端執(zhí)行器上顎運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由2.1節(jié)可知，設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器是由兩個(gè)相同的四連桿機(jī)構(gòu)組成的咬合機(jī)構(gòu)和機(jī)架構(gòu)成，咬合機(jī)構(gòu)能夠在機(jī)架上轉(zhuǎn)動(dòng)，M點(diǎn)和N點(diǎn)為上、下顎刀尖，M和N點(diǎn)重合時(shí)即對(duì)果柄進(jìn)行剪切，M點(diǎn)和N點(diǎn)一方面由氣缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)，另一方面隨同咬合機(jī)構(gòu)在重力作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成。由于M點(diǎn)和N點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程類似，僅列出M點(diǎn)的計(jì)算方程。

首先考慮咬合機(jī)構(gòu)在氣缸驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)時(shí)M點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性，圖22所示為咬合機(jī)構(gòu)上半部分機(jī)構(gòu)圖，CD桿為原動(dòng)件。

以角速度ω驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，其加速度為ε，則有

α=ωt

(2)

圖22 咬合機(jī)構(gòu)上顎部分機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.22 Upper jaw mechanism sketch of occlusion mechanism

式中α——CD軸與x反方向的夾角

t——運(yùn)動(dòng)時(shí)間

根據(jù)前文設(shè)計(jì)要求，有

(3)

式中ψ——桿AB與x軸的夾角

則B點(diǎn)位移為

xB=l4cosψ+l2

(4)

yB=l4sinψ+l3

(5)

式中xB、yB——B點(diǎn)在x、y軸方向位移

l2——A點(diǎn)距原點(diǎn)的x軸方向距離

l3——A點(diǎn)距原點(diǎn)的y軸方向距離

l4——桿AB的長(zhǎng)度

B點(diǎn)速度為

(6)

(7)

式中vBx、vBy——B點(diǎn)在x、y軸方向速度

B點(diǎn)加速度為

(8)

(9)

式中aBx、aBy——點(diǎn)B在x、y軸方向的加速度

ε——桿CD的初始加速度

則由B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可求出M點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，M點(diǎn)位移為

xM=xB+l5sinψ

(10)

yM=yB-l5cosψ

(11)

式中xM、yM——點(diǎn)M在x、y軸方向的位移

l5——桿BM的長(zhǎng)度

M點(diǎn)速度為

(12)

(13)

式中vMx——點(diǎn)M在x軸方向的速度

vMy——點(diǎn)M在y軸方向的速度

M點(diǎn)加速度為

(14)

(15)

式中aMx——點(diǎn)M在x軸的加速度

aMy——點(diǎn)M在y軸的加速度

再考慮咬合機(jī)構(gòu)在重力作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性, 如圖23所示為咬合機(jī)構(gòu)在機(jī)架上轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖，將咬合機(jī)構(gòu)視為一個(gè)整體，其質(zhì)心為P，質(zhì)量為m，質(zhì)心距原點(diǎn)O的距離為l,質(zhì)心P與原點(diǎn)O的連線與y軸的夾角為α′，則在開始咬合動(dòng)作的時(shí)間為t，ω′為機(jī)架在t時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，ε′為機(jī)架在t時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度，則有

(16)

圖23 咬合機(jī)構(gòu)在機(jī)架上轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖Fig.23 Schematic diagram of occlusion mechanism rotating on frame

其勢(shì)能V為

V=mgl(1-cosα′)

(17)

式中g(shù)——重力加速度

動(dòng)能T為

(18)

式中JC——咬合機(jī)構(gòu)繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

根據(jù)機(jī)械能守恒定律，有

(19)

將式(17)、(18)代入式(19)，有

(20)

(21)

(22)

對(duì)ε′進(jìn)行時(shí)間的積分，可得

(23)

由于α′的初始值為45°，則有

(24)

式(24)為α′關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)時(shí)間即有確定的α′，即可確定咬合機(jī)構(gòu)在重力下旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

最后考慮兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成。機(jī)架坐標(biāo)系為xaOya坐標(biāo)系，咬合機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系為xbOyb坐標(biāo)系，咬合機(jī)構(gòu)在機(jī)架上的運(yùn)動(dòng)即為咬合機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系在機(jī)架坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)，如圖24所示。

圖24 咬合機(jī)構(gòu)在機(jī)架上的運(yùn)動(dòng)合成示意圖Fig.24 Schematic diagram of movement of occlusion mechanism on frame

由于咬合機(jī)構(gòu)上下完全對(duì)稱，其質(zhì)心在xbOyb坐標(biāo)系的x軸上，因此α′為xbOyb坐標(biāo)系的x軸與xaOya坐標(biāo)系的y軸的夾角，xbOyb坐標(biāo)系可認(rèn)為是xaOya坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)了θ，則同一矢量由xbOyb坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到xaOya坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為[21]

Pa=RPb

(25)

(26)

(27)

式中Pa——xaOya坐標(biāo)系中的矢量

Pb——xbOyb坐標(biāo)系中的矢量

R——xbOyb坐標(biāo)系相對(duì)于xaOya坐標(biāo)系的表達(dá)

根據(jù)式(14)、(15)、(24)、(25)，即可求出M點(diǎn)在xaOya坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.3 咬合式末端執(zhí)行器上下顎運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

2.3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)仿真結(jié)果

將優(yōu)化后的末端執(zhí)行器三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件，并設(shè)置約束條件和驅(qū)動(dòng)，分別導(dǎo)出末端執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)上、下顎的位移、速度和加速度曲線，如圖25所示。

由圖25可以看出，下顎位移比上顎大，上、下顎速度和加速度變化基本同步，但下顎速度大于上顎速度，剪切瞬間下顎加速度變化較為劇烈，這都與咬合機(jī)構(gòu)在機(jī)架上的運(yùn)動(dòng)合成和剪切瞬間的碰撞有關(guān)，與預(yù)期基本相符。

圖25 上、下顎的位移、速度和加速度曲線Fig.25 Displacement, velocity and acceleration curves of upper and lower jaws

2.3.2完整咬合周期運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

通過ADAMS軟件對(duì)末端執(zhí)行器模型進(jìn)行完整剪切周期的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真效果如圖26所示，由圖可以看出，末端執(zhí)行器開始剪切任務(wù)后，先完成剪切運(yùn)動(dòng)、再完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后剪切機(jī)構(gòu)與機(jī)架垂直，機(jī)構(gòu)復(fù)位運(yùn)動(dòng)順利，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程平穩(wěn)無干涉現(xiàn)象，能夠順利完成剪切周期的剪切動(dòng)作和復(fù)位動(dòng)作。

圖26 咬合式末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)過程圖Fig.26 Movement process diagram of bite-model end-effector

3 末端執(zhí)行器制作與實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

根據(jù)分析結(jié)果制作末端執(zhí)行器，圖27為末端執(zhí)行器俯視圖與左視圖。

圖27 末端執(zhí)行器Fig.27 End-effector prototype

將末端執(zhí)行器安裝在課題組自行研制的柑橘采摘機(jī)器人上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。柑橘采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)框圖如圖28所示，該系統(tǒng)基于機(jī)器人操作系統(tǒng)(Robot operation system，ROS)在Ubuntu操作系統(tǒng)下為機(jī)械臂和末端執(zhí)行器搭建運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)基于QT開發(fā)平臺(tái)搭建雙目視覺平臺(tái)，機(jī)械臂選用敖博(北京)智能科技有限公司研制的AUBO-i5型六自由度機(jī)械臂。工作原理為視覺平臺(tái)利用OpenCV 3.2.0視覺開源庫對(duì)柑橘進(jìn)行識(shí)別，基于雙目立體視覺原理，計(jì)算出柑橘表面形心在機(jī)械臂坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)，完成柑橘果實(shí)的定位。上位機(jī)利用ROS軟件開發(fā)平臺(tái)，接收視覺系統(tǒng)提供的果實(shí)空間信息后，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、完成場(chǎng)景規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等工作。由驅(qū)動(dòng)接口將ROS輸出的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂上的傳感器將采集的位置、速度等信息實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)反饋信息與根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解所得的各關(guān)節(jié)值進(jìn)行比較，判斷機(jī)械臂當(dāng)前位置是否處于終點(diǎn)位置，進(jìn)而通過串口發(fā)送控制信號(hào)給下位機(jī)Arduino，通過Arduino實(shí)現(xiàn)對(duì)末端執(zhí)行器的咬合控制。

圖28 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖Fig.28 Control system block diagram of picking robot

末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成元件主要包括氣動(dòng)三聯(lián)件、電磁閥、節(jié)流閥、執(zhí)行氣缸以及空氣壓縮機(jī)等，具體見圖29。

圖29 柑橘采摘末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)氣路Fig.29 Pneumatic driving of end-effector 1.氣動(dòng)三聯(lián)件 2.電磁閥 3、5.調(diào)速閥 4.手指氣缸 6.壓力表 7.空氣壓縮機(jī)

在執(zhí)行器作業(yè)過程中，控制系統(tǒng)需要同時(shí)完成執(zhí)行器兩個(gè)執(zhí)行氣缸的控制，以期執(zhí)行末端執(zhí)行器的咬合動(dòng)作，從而切斷柑橘果柄，完成收獲任務(wù)。采用Arduino作為電磁閥的控制芯片，將其接入ROS軟件開發(fā)平臺(tái)，完成執(zhí)行器的硬件系統(tǒng)搭建。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成后的柑橘采摘機(jī)器人如圖30所示。

圖30 柑橘收獲機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.30 Citrus harvesting robot experiment platform

3.2 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.2.1果柄傾角為0°時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)柑橘果柄生長(zhǎng)的實(shí)際情況，將柑橘果柄直徑按每間隔0.5 mm為一組分為6個(gè)組，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，由于剪切的動(dòng)力由氣壓系統(tǒng)提供，而氣壓系統(tǒng)能夠提供的氣壓總是在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，本文同時(shí)也對(duì)氣壓大小與采摘成功率的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，由于選用的SMC MHY2-16D型氣動(dòng)手指氣缸的操作壓力為0.1～0.6 MPa，因此將氣壓系統(tǒng)提供的氣壓以0.1 MPa為間隔，從小于0.4 MPa到等于0.6 MPa分為4組，對(duì)不同的柑橘果柄直徑分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行了24組實(shí)驗(yàn)，每組剪切相應(yīng)直徑的果柄20次，統(tǒng)計(jì)一次性切斷果柄的成功率，結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)果柄傾角為0°、氣壓系統(tǒng)提供壓力為0.6 MPa、果柄直徑不超過4.0 mm時(shí)，切斷成功率不小于95%。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，一般柑橘果柄直徑均不超過4.0 mm，即本文設(shè)計(jì)的咬合式末端執(zhí)行器在執(zhí)行實(shí)際收獲任務(wù)時(shí)，具有較好的切斷成功率，能夠較好地完成收獲的切斷任務(wù)。

3.2.2不同果柄傾角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知，果柄傾角分布范圍較廣，因此將果柄傾角(0,90°]的分布范圍按照15°間隔分為6個(gè)組，即(0°,15°]、(15°,30°]、(30°,45°]、(45°,60°]、(60°,75°]、(75°,90°]，分別進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，根據(jù)上節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，剪切時(shí)氣壓設(shè)定為0.6 MPa，果柄直徑不超過4 mm，每組實(shí)驗(yàn)20次，統(tǒng)計(jì)每組成功率如表2所示,計(jì)算得總體成功率為97.5%。

3.3 室外環(huán)境下實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

課題組于2018年3月在重慶某果園內(nèi)進(jìn)行了室外環(huán)境的采摘實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖31所示，末端執(zhí)行器作業(yè)過程如圖32所示，由于受到條件限制，共對(duì)40個(gè)自然生長(zhǎng)的柑橘果實(shí)進(jìn)行了采摘實(shí)驗(yàn)，采摘前首先對(duì)每個(gè)柑橘的果柄直徑、果柄傾角、果實(shí)縱、橫徑等具體參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，每個(gè)柑橘的具體參數(shù)和采摘結(jié)果如表3所示。

表2 不同果柄傾角的剪斷成功率Tab.2 Shear success rate of different inclinations of stem %

圖31 室外實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.31 Outdoor experiment environment

圖32 末端執(zhí)行器采摘作業(yè)過程圖Fig.32 Process diagram of end-effector picking operation

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于果柄傾角較大或較小的柑橘，使用本文設(shè)計(jì)的咬合式末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘時(shí)切斷成功率仍然有待提高，對(duì)于果柄傾角在中間部分的柑橘，則有比較好的切斷成功率。室外實(shí)驗(yàn)的總體成功率達(dá)87.5%，比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)驗(yàn)的成功率有所降低，但基本可以實(shí)現(xiàn)在未知柑橘果柄方位下對(duì)柑橘的采摘。

4 結(jié)論

(1)提出了通過模擬蛇嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)咬合式末端執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)未知柑橘果柄空間方位下對(duì)柑橘進(jìn)行采摘，增強(qiáng)了采摘機(jī)器人的采摘能力。

(2)對(duì)柑橘果柄生長(zhǎng)情況進(jìn)行了調(diào)研，定義了果柄傾角并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對(duì)果柄極限位置的剪切要求進(jìn)行了分析，并得出了末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求，一是咬合式末端執(zhí)行器的張角盡可能大，二是咬合式末端執(zhí)行器上下顎能夠在果柄生長(zhǎng)范圍內(nèi)的任意角度實(shí)現(xiàn)咬合動(dòng)作。

表3 室外采摘實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果Tab.3 Outdoor picking experimental data and results

(3)對(duì)蛇頭骨骼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，提出了兩種設(shè)計(jì)思路，分別設(shè)計(jì)了機(jī)構(gòu)初步模型，經(jīng)過分析確定了較優(yōu)方案并進(jìn)行了優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，根據(jù)三維模型制作了咬合式末端執(zhí)行器樣機(jī)。

(4)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和自然環(huán)境下分別進(jìn)行了采摘實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，果柄傾角為0°，氣壓為0.6 MPa、果柄直徑不超過4.0 mm條件下的切斷成功率不小于95%；對(duì)于不同傾角果柄，總體切斷成功率為97.5%。在自然環(huán)境下，柑橘采摘總體成功率為87.5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的咬合式末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)未知柑橘果柄空間方位下的柑橘采摘。