高國華，鄭玉航，馬 帥

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

0 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作為關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的根本，近年來發(fā)展迅速。據(jù)保守估計(jì)，目前中國蔬菜總產(chǎn)值已超過1.2萬億元，占種植業(yè)總產(chǎn)值比例超過33% ，約占農(nóng)民人均收入的14%[1-4]。在蔬菜生產(chǎn)中，黃瓜是作為重要蔬菜品種被大面積種植，且已成為主要的溫室農(nóng)產(chǎn)品之一[5-8]。果實(shí)采摘作為黃瓜生產(chǎn)中最耗時、最費(fèi)力的環(huán)節(jié)，長期以來都主要依靠工人完成。普通工人人均每小時可以采摘黃瓜30～35kg，勞動強(qiáng)度大、采摘效率低、成本高。因此，實(shí)現(xiàn)黃瓜的機(jī)械化采摘已成迫切需求。從20世紀(jì)起，以歐美、日本為代表的發(fā)達(dá)國家，如美國、日本、荷蘭、比利時、法國和英國等就在采摘機(jī)器人上開展了大量的研究工作。日本KNODO等人采用三菱RH-6SH5520型4自由度的工業(yè)機(jī)器臂，研制了只可以進(jìn)行整串番茄采摘的番茄采摘機(jī)器人[9-11]。荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所于1996年研制了多功能黃瓜采摘機(jī)器人[12-15]。日本澀谷精機(jī)株式會社研制了用于草莓收獲的采摘機(jī)器人,其采摘成功率較低，尚不能滿足使>用要求[16]。佛羅里達(dá)大學(xué)的Mehta等人研制了7自由度柑橘采摘機(jī)器[17-18]。我國對采摘機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代中期[19]，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的李偉等人研制了黃瓜采摘機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)[20-21]；江蘇大學(xué)趙德安、趙慶波和楊文亮等人設(shè)計(jì)了一種具有整體升降和小臂伸縮功能的蘋果采摘機(jī)器人[22]。

目前，針對采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動控制、位置識別都有了一定的研究，但還都處于樣機(jī)階段，采摘成功率、效率都有待于提高。因此，設(shè)計(jì)一種可靠的采摘機(jī)械極為重要。文章中涉及的是一種黃瓜采摘機(jī)械臂，對采摘機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程進(jìn)行了理論與仿真分析，在證明方案可行的基礎(chǔ)上進(jìn)行樣機(jī)制作，并通過樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果確定采摘機(jī)械臂中存在的問題和缺陷。

1 采摘機(jī)械臂設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于前期對采摘機(jī)器人的調(diào)研，黃瓜采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1)為提高效率、降低成本，采摘機(jī)械臂應(yīng)采用機(jī)構(gòu)組合的方式，避免使用傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂；

2)為更加利于推廣、降低視覺識別等難度，盡量用機(jī)械特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)采摘定位功能。

1.2 采摘機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上目標(biāo)，黃瓜采摘機(jī)械臂應(yīng)集成手臂伸縮、黃瓜摘取和黃瓜運(yùn)送幾個功能，主要由切刀、擺動氣缸、上層機(jī)械臂、滑道、護(hù)板、前連桿、軸、滾輪、直線滑臺、后連桿、滑軌，以及下層機(jī)械臂組成，如圖1所示。

1.切刀 2.擺動氣缸 3.上層機(jī)械臂 4.直線滑臺 5.下層機(jī)械臂 6.滑軌 7.滾輪 8.軸 9.后連桿 11.護(hù)板 10.前連桿 12.滑道圖1 黃瓜采摘機(jī)械臂Fig.1 The cucumber harvesting manipulator

工作過程中，當(dāng)確定目標(biāo)黃瓜位置后，上層機(jī)械臂伸出并用V形卡槽將瓜梗限制住，安裝于前端的擺動氣缸驅(qū)動切刀對瓜梗進(jìn)行旋切，完成黃瓜的摘取。在上層機(jī)械臂伸出的過程中，護(hù)板連同固定于其上的滑道一起伸出；部分滑道凸出在機(jī)械臂前端，滑道首先與目標(biāo)黃瓜接觸病將其推動至傾斜狀態(tài)(見圖1)，當(dāng)瓜梗被切斷后，黃瓜落入位于正下方的滑道中。當(dāng)機(jī)械臂伸出時，滑道整體處于水平位置來承接黃瓜，當(dāng)黃瓜落入滑道后手臂收回，帶動滾輪處于滑軌低水平面，使滑道處于傾斜狀態(tài)?；烙啥嘟M輥?zhàn)咏M成，由于重力作用，黃瓜會沿傾斜的滑道滑入后方進(jìn)行收集。

1.3 問題現(xiàn)象描述

工作過程中，黃瓜采摘機(jī)械人機(jī)械臂需要對黃瓜進(jìn)行預(yù)先作用，將黃瓜推動至傾斜狀態(tài)，然后擺動氣缸驅(qū)動切刀旋轉(zhuǎn)將瓜秧切斷，黃瓜自由落入下方的滑道上，機(jī)械臂收回黃瓜滑落至后方，如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂采摘黃瓜作業(yè)流程Fig.2 The working procedure of picking cucumber by robotic manipulator

按照設(shè)計(jì)思路，黃瓜被切下后會落到滑道中，完成采摘。但在對采摘機(jī)械臂樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際測試過程中，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：瓜秧被切斷后，黃瓜雖能夠按照預(yù)期落入下方的滑道，會與滑道接觸產(chǎn)生一定程度的碰撞，造成黃瓜表皮的損傷，如圖3所示。

圖3 黃瓜表皮損傷Fig.3 Epidermal injury of cucumber

基于樣機(jī)實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)的以上問題和缺陷，對采摘成功率和采摘效果影響較大。因此，擬通過對采摘過程中黃瓜與機(jī)構(gòu)的作用關(guān)系進(jìn)行受力分析和參數(shù)模型建立，提出優(yōu)化約束條件，完成對采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，最終解決以上問題。

2 采摘機(jī)械臂與黃瓜作用關(guān)系研究及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 黃瓜物理性能參數(shù)測定

經(jīng)過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，目前采摘機(jī)械臂存在的主要問題都發(fā)生在機(jī)構(gòu)與黃瓜相互作用過程中。為了對此進(jìn)行研究，需要對采摘對象黃瓜進(jìn)行物理及力學(xué)性能參數(shù)測定，為參數(shù)建模和優(yōu)化工作做好準(zhǔn)備。

2.1.1 外形參數(shù)測量

如圖4所示：利用游標(biāo)卡尺對黃瓜外形尺寸進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表1所示。

圖4 黃瓜樣本Fig.1 The sample of cucumber表1 黃瓜外形測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table1 Statistical results of cucumber shape measurement

參數(shù)瓜長L/mm瓜重m/g直徑d/mm平均值341.9192.234.895標(biāo)準(zhǔn)差28.5853.492.138變化范圍(313.317,370.483)(138.7,245.69)(33.755,37.0342)

2.1.2 密度的測量

黃瓜的密度是黃瓜單位體積的質(zhì)量，是其重要的基本物理指標(biāo)之一。依據(jù)質(zhì)量式(1)得

m=ρ·v

(1)

其中，m為質(zhì)量；v為體積；ρ為密度。

利用燒杯對黃瓜體積進(jìn)行測量。事先將燒杯中放入定量水后，將黃瓜放入燒杯，并記錄放入黃瓜前后燒杯內(nèi)液面變化情況，則可以得到黃瓜的體積大小，進(jìn)而利用公式計(jì)算出黃瓜的密度ρ=356kg/m3[23]。

2.2 黃瓜力學(xué)性能參數(shù)測定

2.2.1 黃瓜彈性模量及泊松比測定試驗(yàn)

試驗(yàn)中將黃瓜切成黃瓜段，通過測量黃瓜段原長、壓縮長度變化量、擠壓力和黃瓜段橫截面積，可以按式(2)計(jì)算出彈性模量的值[24]，即

(2)

其中，E為彈性模量；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；F為正壓力；A為初始橫截面積；l為原始長度；Δl為長度變化值。

(3)

其中，K為體積模量；σ為應(yīng)力；Δv為體積變化量；v為原始體積；S為原始橫截面面積；S′ 為壓縮后橫截面面積；d為初始直徑；d′為壓縮后直徑。

(4)

其中，μ為泊松比；K為體積模量；E為彈性量。

本試驗(yàn)使用的是MWD-10B手動電子式人造板萬能試驗(yàn)機(jī)。對于黃瓜彈性模量的測量，本文基于MWD-10B手動電子式人造板萬能試驗(yàn)機(jī)，利用百分表、游標(biāo)卡尺、薄鋼板來進(jìn)行試驗(yàn)，原理如圖5所示。

圖5 黃瓜參數(shù)測定試驗(yàn)Fig.5 Cucumber parameter test

本文共進(jìn)行14組測定試驗(yàn)，試驗(yàn)記錄和結(jié)果如表2所示?；谝陨显囼?yàn)原理與式(2)，便可以計(jì)算出黃瓜的彈性模量E。同時，利用式(3)可以計(jì)算出黃瓜的體積模量[25]，并通過式(4)得到黃瓜的泊松比。

表2 黃瓜彈性模量及泊松比測定試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical test results for modulus of elasticity and poisson's ratio of cucumber

續(xù)表2

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，取多次測定結(jié)果的平均值作為最后的試驗(yàn)結(jié)果，黃瓜的彈性模量為1.886MPa，泊松比為0.646。

2.2.2 黃瓜恢復(fù)系數(shù)測定試驗(yàn)

物體碰撞過程研究中，恢復(fù)系數(shù)是一個重要的力學(xué)參數(shù)，且只與碰撞物體的材料有關(guān)。因此，恢復(fù)系數(shù)的測定對黃瓜與機(jī)構(gòu)碰撞作用的研究十分必要。

如圖6所示，進(jìn)行黃瓜恢復(fù)系數(shù)的測定試驗(yàn)[26]。

圖6 黃瓜恢復(fù)系數(shù)測定原理Fig.6 The text principle of cucumber recovery coefficient

基于式(5)求得黃瓜與PC塑料碰撞的恢復(fù)數(shù)為

(5)

其中，e為恢復(fù)系數(shù)；α為自由下擺的擺動始角；β為回彈角。

初始角度和回彈角這2個參數(shù)用高速相機(jī)測量，試驗(yàn)中選定的拍攝幀率為2 000幀/s。通過多次試驗(yàn)的測定，根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，得到黃瓜與PC塑料碰撞的恢復(fù)系數(shù)為0.391 2。

2.3 黃瓜碰撞損傷問題研究

2.3.1 問題分析

如圖7所示：在黃瓜所受重力G和支持力N的作用點(diǎn)不同且大小不等的情況下，會產(chǎn)生力矩ΣM。因此，斷秧后的黃瓜會以黃瓜與滑道接觸點(diǎn)為支點(diǎn)的進(jìn)行順時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而落至下方的滑道上。在這個過程中，黃瓜會與滑道產(chǎn)生碰撞，從而導(dǎo)致黃瓜表皮的損傷。

表3 黃瓜恢復(fù)系數(shù)測定試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical test results for recovery coefficient of cucumber

圖7 機(jī)械臂采摘作業(yè)參數(shù)示意圖Fig.7 Schematic diagram of manipulator picking parameters

鑒于如上分析，黃瓜墜落并落至滑道的過程可以分為如下兩個過程：

1)黃瓜瓜秧被切斷到黃瓜落至滑道之前，即黃瓜擺動下落過程；

2)黃瓜與滑道碰撞接觸，即碰撞過程。

2.3.2 黃瓜受力及運(yùn)動分析

2.3.2.1 基于動能定理的黃瓜擺動過程分析

動能定理應(yīng)用過程只涉及物體運(yùn)動的始末狀態(tài)。在瓜秧被切斷的瞬間，黃瓜是靜止的，此刻黃瓜動能為零；而在黃瓜擺動過程中，只有重力G做功，并完全轉(zhuǎn)化為黃瓜擺動的動能。

基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果，黃瓜橫截面的直徑d標(biāo)準(zhǔn)差僅為2.138mm，波動范圍很小，橫截面可以近似為圓形。由此，根據(jù)式(6)、式(7)可以得到黃瓜質(zhì)量表達(dá)式。

已知黃瓜質(zhì)量與黃瓜長度成正比關(guān)系，比例系數(shù)k為34.08。

m=kL

(6)

其中，m為黃瓜質(zhì)量；k為比例系數(shù)；L為黃瓜長度。

(7)

其中，d為黃瓜直徑平均值；ρ為黃瓜密度。

Δm=ρS(dL0)

(8)

h=Lsinα

(9)

其中，h為采摘切刀斷到滾輪垂直距。

(10)

其中，W為黃瓜擺落過程做的功。

黃瓜重力做功全部轉(zhuǎn)化為動能。與重力做功計(jì)算相同，如式(11)所示，即

(11)

其中，ΔE為動能變化量；ω為黃瓜擺動角速度；J為轉(zhuǎn)動慣量。

最終，根據(jù)動能定理，動能變化量等于總做功，則可以得到黃瓜擺落至滑道的瞬時角速度ω表達(dá)式，如式(12)、式(13)所示，即

ΔE=W

(12)

(13)

2.3.2.2 基于動量定理的黃瓜碰撞過程分析

由式(14)可知：要想利用動量定理對得到黃瓜碰撞力與參數(shù)之間的關(guān)系，就必須求得動量變化量ΔP和碰撞時間Δt，有

ΔP=FΔt

(14)

其中，ΔP為動量變化量；Δt為黃瓜與滑道碰撞時間；F為碰撞力。

基于上述對黃瓜擺落過程的分析，將擺動角速度ω表達(dá)式帶入式(15)，便可以求得黃瓜與滑道碰撞過程中動量變化ΔP，即

(15)

其中，J為轉(zhuǎn)動慣量。

由彈性力學(xué)原理及文獻(xiàn)[27]可知，兩球(m1，m2)相撞時，撞擊時間計(jì)算公式為

(16)

其中，M為兩球的折合質(zhì)量；n為與兩球性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；en為兩球碰撞恢復(fù)系數(shù)；vn0為兩球碰撞瞬時速度。

M和n可按式(17)和式(18)進(jìn)行計(jì)算，即

(17)

(18)

其中，E1、E2為兩球的彈性模量；μ1、μ2為兩球的泊松比；R1、R2為兩球的半徑。

滑道輥?zhàn)硬牧蠟镻E塑料，通過查找文獻(xiàn)，可知輥?zhàn)拥膮?shù)如下：彈性模量為1 070MPa；泊松比為0.410 1；滾輪質(zhì)量5g；滾輪直徑為7.5mm。將前期測定的黃瓜參數(shù)與滑道輥?zhàn)訁?shù)帶入式(16)，求得黃瓜與滑道碰撞時間表達(dá)式為

(19)

黃瓜運(yùn)動狀態(tài)為擺動，在擺動角速度一定的情況下，不同碰撞接觸點(diǎn)的碰撞速度vmax也有所不同。因此，為保證后期優(yōu)化過程中黃瓜與滑道碰撞力在破壞范圍內(nèi)，所以取碰撞速度最大值帶入式(19)。其中，最大碰撞速度出現(xiàn)在黃瓜瓜秧切斷處，即最大速度vmax表達(dá)式為

(20)

綜合上述分析與計(jì)算，應(yīng)用動量定理對黃瓜與滑道碰撞力的采摘參數(shù)表達(dá)式進(jìn)行求解，則有

(21)

2.3.3 黃瓜碰撞損傷問題參數(shù)優(yōu)化

2.3.3.1 構(gòu)建優(yōu)化關(guān)系模型

基于碰撞力表達(dá)式，可知黃瓜與滑道碰撞過程中碰撞力F只與黃瓜長度L、滑道接觸點(diǎn)之上部分的黃瓜長度a及切斷時黃瓜與水平方向夾角α有關(guān)3個參數(shù)有關(guān)。碰撞力是這3個參數(shù)的函數(shù)，即優(yōu)化關(guān)系模型，則有

F=f(a，α，L)

(22)

而通過查閱文獻(xiàn)[28]可知：黃瓜表皮破損受力邊界值為13.56N。但考慮到優(yōu)化結(jié)果的可靠性，設(shè)定碰撞力的安全系數(shù)為1.2，則根據(jù)式(23)，黃瓜與滑道輥?zhàn)优鲎驳脑S用碰撞力為11.3N。

(23)

其中，[F] 為許用碰撞力；F為碰撞力邊界值；σ為安全系數(shù)。因此，碰撞力小于或等于11.3N，得到如參數(shù)關(guān)系模型為

(24)

2.3.3.2 確定優(yōu)化參數(shù)取值范圍

根據(jù)碰撞力所涉及的3個參數(shù)，對其合理取值范圍進(jìn)行確定。按照之前統(tǒng)計(jì)結(jié)果，黃瓜長度取值L∈(313.317，370.483)mm。對于切斷時黃瓜與水平方向夾角α，根據(jù)文獻(xiàn)[29]可知，α∈(0°，51.496°)。對于滑道接觸點(diǎn)之上部分的黃瓜長度a，按照切斷瓜秧瞬時黃瓜擺動方向的要求，力矩之和應(yīng)大于零，則a∈(0.5L，L)。具體取值范圍如下：黃瓜長度L∈(313.317，370.483)mm；黃瓜與水平方向夾角α∈(0°，51.496°)；接觸點(diǎn)以上部分的黃瓜長度∈(0.5L，L)；碰撞力F∈(0，11.3)N。

2.3.3.3 基于碰撞力的采摘參數(shù)優(yōu)化

1)參數(shù)a(黃瓜與滑道接觸點(diǎn)之上部分的黃瓜長度)優(yōu)選。由圖7可知：參數(shù)α與a本質(zhì)都是采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過調(diào)整這兩個參數(shù)，便可以改變碰撞力F的大小，最終避免碰撞黃瓜表皮損傷。本文基于碰撞力優(yōu)化關(guān)系模型，首先根據(jù)黃瓜長度的L變化范圍，分別選取黃瓜長度L為313mm和370mm，利用MatLab軟件對參數(shù)α、a與碰撞力F在參數(shù)取值范圍內(nèi)的關(guān)系圖進(jìn)行繪制，如圖8所示。

圖8 不同L取值時α、a與F關(guān)系圖Fig.8 The relationship between α, a and F in different values of L

由圖8可知：當(dāng)黃瓜長度L取兩極值時，兩曲面出現(xiàn)相交的情況；當(dāng)參數(shù)a取值大于a0時，碰撞力F隨黃瓜長度L增加而增大；當(dāng)參數(shù)a取值小于a0時，碰撞力F隨黃瓜長度L增加而減小。由此可以得出：雖然黃瓜長度L會在不同參數(shù)取值的情況下影響碰撞力F大小，但卻存在一個a0值，使得不同黃瓜長度L對碰撞力F大小的影響程度最小。此時，a0則為黃瓜與滑道接觸點(diǎn)之上部分的黃瓜長度a的取優(yōu)取值。

為驗(yàn)證以上猜想，本文又在α取值為25°、a分別取值0.185、0.25、0.293、0.31、0.37m的情況下，利用MatLab軟件繪制碰撞力F與黃瓜長度L的關(guān)系圖，如圖9所示。

圖9 黃瓜長度L與碰撞力F關(guān)系圖Fig.9 The relationship between L and F

基于以上分析，通過統(tǒng)計(jì)一組黃瓜長度L所對應(yīng)的一組碰撞力F取值變化的標(biāo)準(zhǔn)差，得到適用于所有尺寸范圍內(nèi)黃瓜長度的前提下，不同a取值下黃瓜長度L對碰撞力F影響程度的大小。最終，基于碰撞力F取值變化標(biāo)準(zhǔn)差，選取出使得對于所有黃瓜長度下對應(yīng)碰撞力標(biāo)準(zhǔn)差最小的a的取值。

利用MatLab軟件，得到碰撞力標(biāo)準(zhǔn)差σ與參數(shù)a的關(guān)系圖，如圖10所示。

圖10 參數(shù)a與碰撞力標(biāo)準(zhǔn)差F關(guān)系圖Fig.10 The relationship between the parameter a and the standard deviation of impact force F

通過統(tǒng)計(jì)得到當(dāng)a取0.293m時，碰撞力F的標(biāo)準(zhǔn)差σ最小，即黃瓜長度L對碰撞力F影響最小。因此，a最優(yōu)取值為0.293m。

2)參數(shù)α(切斷時黃瓜與水平方向夾角)優(yōu)選。在a取值為0.293m時，若α取值一定，則對于所有尺寸范圍內(nèi)的長度L，對應(yīng)一個最大碰撞力Fmax，如圖11所示。若要確保參數(shù)優(yōu)化后的碰撞力F絕對小于黃瓜表皮破損的碰撞力，則需要選取最大的Fmax取值所對應(yīng)的L值，將碰撞力極限值11.3N帶入優(yōu)化關(guān)系模型后求出α值。

圖11 黃瓜長度L與碰撞力F關(guān)系圖Fig.11 The relationship between the parameter L and F

在以上分析的基礎(chǔ)上，本文利用MatLab軟件繪制切斷時黃瓜與水平方向夾角α與碰撞力最大值Fmax的關(guān)系圖，如圖12所示。當(dāng)α取值為0.898rad時，對應(yīng)Fmax最大值。因此，需對當(dāng)α取值為0.898rad、a取值為0.293m時，滿足碰撞力F最大值所對應(yīng)的黃瓜長度瓜長度L取值進(jìn)行求解。

圖12 不同α與碰撞力最大值Fmax關(guān)系圖Fig.12 The relationship between the maximum value of collision force Fmax and α

如圖13所示：基于上述分析，黃瓜長度L的取值為0.342m，便可以將a=0.293m、L=0.342m和F=11.3N帶入到碰撞力優(yōu)化關(guān)系模型，進(jìn)而得到最優(yōu)夾角α=0.638 1rad。

由此，根據(jù)圖7中機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系，得到最終的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，即對于所有尺寸范圍內(nèi)不同長度的黃瓜，當(dāng)滑道接觸點(diǎn)之上部分的黃瓜長度a=0.293、切斷時黃瓜與水平方向夾角α=0.638 1rad，即采摘切刀段到滾輪垂直距離h=0.174 5m、采摘伸出端長度d=0.235 3m時，黃瓜與滑道碰撞時的碰撞力小于11.3N，黃瓜表皮不會被損傷。

圖13 α=0.898rad、a=0.293m時的F與L關(guān)系圖Fig.13 The relationship between F and L when α equals to 0.898rad and a equals to 0.293m

3 采摘機(jī)械臂優(yōu)化結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對黃瓜采摘機(jī)械臂存在的缺陷，已通過理論、仿真、試驗(yàn)的方法對機(jī)械臂進(jìn)行了優(yōu)化，并得到最優(yōu)參數(shù)組合。本文基于優(yōu)化結(jié)果，對改進(jìn)后采摘機(jī)械臂樣機(jī)進(jìn)行制作，設(shè)計(jì)試驗(yàn)對采摘優(yōu)化效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 優(yōu)化樣機(jī)制作

基于采摘機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案與第一代機(jī)械臂樣機(jī)，針對其存在的黃瓜表皮損傷的問題進(jìn)行優(yōu)化，并得到了最優(yōu)參數(shù)組合，并完成樣機(jī)制作。具體參數(shù)調(diào)整取值如表4所示。

表4 改進(jìn)樣機(jī)優(yōu)化參數(shù)取值Table4 Optimizing parameters of improved prototype

完成優(yōu)化改進(jìn)后黃瓜采摘機(jī)械臂二代樣機(jī)的制作，如圖14所示。

圖14 改進(jìn)后黃瓜采摘機(jī)械臂樣機(jī)Fig.14 Improved cucumber picking machine arm prototype

3.2 黃瓜采摘驗(yàn)證試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)黃瓜采摘機(jī)械臂進(jìn)行采摘作業(yè)完成情況，其主要測試內(nèi)容為黃瓜表皮損傷。通過對試驗(yàn)過程中所測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將其與預(yù)期優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較，對優(yōu)化效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)基于改進(jìn)后的黃瓜采摘機(jī)械臂樣機(jī)，進(jìn)行50次黃瓜采摘作業(yè)。將黃瓜果實(shí)用細(xì)線繩固定于橫梁支架上，模擬出橫向黃瓜種植模式中黃瓜的生長狀態(tài)。在每次采摘作業(yè)過程中，對采摘完成后黃瓜表皮損傷情況進(jìn)行檢查，最終對50次作業(yè)的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，完成黃瓜采摘機(jī)械臂優(yōu)化效果的評價。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次采摘試驗(yàn)共進(jìn)行50次，通過對樣機(jī)采摘情況的記錄與統(tǒng)計(jì)，得到驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。試驗(yàn)中，表皮損傷情況出現(xiàn)1次，相比一代樣機(jī)的采摘效果明顯提升，證明優(yōu)化結(jié)果有效。

表5 采摘失敗現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)Table 5 Picking failure statistics

4 結(jié)論

1)基于機(jī)械臂樣機(jī)采摘試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，對黃瓜與采摘機(jī)械臂中機(jī)構(gòu)的作用過程進(jìn)行了分析。即分析總結(jié)樣機(jī)缺陷，對黃瓜表皮破損的問題進(jìn)行研究，對黃瓜物理力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行測定，得到采摘作業(yè)過程中作用對象黃瓜與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的作用關(guān)系模型，完成關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取，最終得到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)取值。

2)進(jìn)行黃瓜基本物理性能參數(shù)的測量試驗(yàn)，利用萬能試驗(yàn)機(jī)和百分表完成了黃瓜的壓縮試驗(yàn)，得到黃瓜彈性模量、泊松比的取值。同時，應(yīng)用高速攝像技術(shù)對黃瓜的恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行測定，為作用對象黃瓜與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間參數(shù)關(guān)系模型的建立和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

3)針對黃瓜表皮損傷問題，將碰撞過程分為黃瓜旋轉(zhuǎn)擺動和黃瓜與滑道碰撞兩個過程。將碰撞力極限值11.3N、黃瓜長度 0.342m和滑道接觸點(diǎn)以上部分的黃瓜長度0.293m帶入建立的關(guān)系模型中，得到切斷時黃瓜與水平方向夾角α的最優(yōu)取值為0.638 1rad。最后，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行樣機(jī)檢測試驗(yàn)，證明優(yōu)化結(jié)果有效。