張 曼，徐瑞峰，馮青春，王 秀，趙春江

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室，北京 100081；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100097)

0 引言

草莓(strawberry)因其味道鮮美、營養(yǎng)價值豐富、經(jīng)濟效益高，在我國乃至世界各地都被大量種植。目前，草莓采摘主要依賴人工，收獲季節(jié)作業(yè)量大，勞動強度高，加上幾年來農(nóng)村勞動力大量流失，導(dǎo)致草莓采摘環(huán)節(jié)作業(yè)量占草莓各生產(chǎn)環(huán)節(jié)成作業(yè)量的40%左右[1]。所以，機械化采摘技術(shù)成為現(xiàn)階段重點研究課題之一。作為直接和草莓果實接觸的部分，末端執(zhí)行器的研究顯得尤為重要。

日本近藤直等人設(shè)計的高架栽培草莓采摘機器人[2-4]采用真空吸引、螺旋切割器切斷果柄的方式進行采摘；真空吸附方式采摘，對采摘定位精度要求較低，但容易造成果實損傷。通過對果柄采摘點進行定位，以夾持和切斷果柄，是目前草莓自動采摘的主要方式[5]，剪切方式包括機械切刀和電熱切割兩類。目前，草莓采摘末端執(zhí)行器存在結(jié)構(gòu)冗余、控制復(fù)雜及通用性差的問題[6]。

本文針對目前草莓機械采摘結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高及易對草莓產(chǎn)生機械損傷等問題，通過測量分析草莓果實和果柄的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計了一種單驅(qū)雙夾式草莓末端執(zhí)行器，并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。

1 末端執(zhí)行器整體方案設(shè)計

1.1 方案選擇

末端執(zhí)行器的工作是將果實與果柄分離，實現(xiàn)分離通常采用兩種方式，即切斷果梗和扭斷果梗。其中，扭斷果柄需要對果實進行抓取并施加一定的力，所以該方式適合用于一些形狀規(guī)則、硬度較高且富有彈性的水果采摘作業(yè)中，如橙子、柚子等。成熟的草莓果實外形不規(guī)則，表皮易損，高架栽培的草莓成熟后基本處于懸空狀態(tài)，遮擋少且果柄軟長，為避免對草莓產(chǎn)生的機械損傷，本末端執(zhí)行器采用剪斷果柄的采摘方式。為實現(xiàn)對采摘下的果實進行收集，采用“單驅(qū)雙夾”的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)單氣缸對果柄剪切和夾持機構(gòu)的同步驅(qū)動，滿足采摘和收集要求的同時使機械結(jié)構(gòu)更加簡單和緊湊。

1.2 虛擬樣機模型

溫室內(nèi)高架栽培的草莓成熟后自然垂落在栽培槽外側(cè)，莖葉對果實遮擋少，適合剪斷果柄的末端執(zhí)行器作業(yè)[7]。末端執(zhí)行器主要由剪刀、果柄夾持塊、連桿和氣缸組成，如圖1所示。

剪刀由下方安裝果柄夾持塊的定刀和動刀組成，動刀通過連桿、Y型接頭和氣缸的活塞連接，定刀上加工限位孔限制動刀張開閉合角度。工作過程如下：視覺系統(tǒng)工作時氣缸處于伸出狀態(tài)，剪刀張開；當(dāng)視覺系統(tǒng)獲得采摘點坐標(biāo)后，末端執(zhí)行器隨機械臂運動到采摘點，氣缸收縮，帶動Y型接頭、連桿和動刀運動，切斷果柄；由于“單驅(qū)雙夾”的結(jié)構(gòu)，在剪刀剪斷果柄的同時，定刀和動刀下方的果柄夾持塊穩(wěn)定的夾持住果柄，隨機械臂運動到果實收集筐上方預(yù)定位置氣缸伸出，放下果實，機械臂復(fù)位，準備下一次采摘。

1.夾持塊 2.定刀 3.連桿 4.動刀 5.Y型連接頭 6.氣缸

2 草莓采摘末端執(zhí)行器關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 草莓采摘力學(xué)參數(shù)測量

末端執(zhí)行器是直接接觸果實的部件，所以目標(biāo)果實的相關(guān)參數(shù)在末端執(zhí)行器的設(shè)計中起到關(guān)鍵作用。在采摘機器人采摘過程中，由于末端執(zhí)行器設(shè)計失誤而導(dǎo)致采摘失敗的情況時有發(fā)生，如由于剪切力不夠不能完成剪切甚至對植株產(chǎn)生拉扯、抓取和夾持力過大損傷果實、抓取和夾持不穩(wěn)定使果實掉落等[8]，所以測量果實相關(guān)物理參數(shù)對末端執(zhí)行器的設(shè)計具有重大意義。本文以北京市昌平區(qū)特菜大觀園草莓采摘棚中“圣誕紅”品種高架栽培草莓果實為研究對象，通過對其采摘力學(xué)參數(shù)的測量分析，為末端執(zhí)行器的設(shè)計提供理論依據(jù)。

2.1.1 果實生長特性分析

果實生長特性是指草莓成熟后垂落在栽培槽兩側(cè)，自然條件下相鄰果實之間的距離。果實分布距離對剪刀張開角度的確定至關(guān)重要。

隨意選取一架草莓，通過直尺測量相鄰成熟果實距離并記錄。測量結(jié)果顯示：相鄰成熟草莓距離大部分分布在2.5～6cm之間，為典型高架栽培草莓分布，如圖2(a)、(b)所示；另外，存在部分草莓成熟后未能下垂至栽培架兩側(cè)，如圖2(c)所示；部分草莓生長畸形，導(dǎo)致和相鄰果實接觸，如圖2(d)所示。

2.1.2 果實形態(tài)參數(shù)測量

果實形態(tài)參數(shù)主要指果柄直徑和果實質(zhì)量等參數(shù)。直徑的測量主要針對的是草莓果實果萼上方1.5～2.5cm處的果柄。因為此長度既為末端執(zhí)行器對采摘下來的果實進行夾持留下空間，也避免果實收集過程中果柄對果實的損傷。實驗材料為隨機選取的30個成熟的草莓果實，實驗設(shè)備為游標(biāo)卡尺及電子秤。草莓采摘下時用游標(biāo)卡尺測量果柄直徑，隨后人工在測量處采摘進行其他形態(tài)參數(shù)的測量，包括橫向直徑、縱向直徑及質(zhì)量。除質(zhì)量外，每個尺寸分別從3個不同方向測量3次，計算平均值作為測量結(jié)果。

圖2 草莓生長特征圖Fig.2 Strawberry growth characteristics

將測量結(jié)果整理并進行分析，得到草莓物理參數(shù)如表1所示。由表1可知：“圣誕紅”品種草莓果柄粗壯，果實較大，形狀較規(guī)則。

表1 果實形態(tài)參數(shù)Table 1 Fruit shape parameters

2.1.3 果柄力學(xué)參數(shù)測量

草莓果柄力學(xué)參數(shù)主要包括剪切力和抗擠壓力測量，主要為剪切機構(gòu)及夾持機構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。果柄剪切力測量同樣針對草莓果實果萼上方1.5～2.5cm處果柄，抗擠壓力針對剪切下來的靠近果實部分的果柄。實驗材料30個采摘時間小于2h且?guī)ПL度大于2.5cm的新鮮果實。實驗設(shè)備為MTS微控電子萬能試驗機，力傳感器量程選擇0～100N，實驗速度設(shè)定為50mm/s和1mm/s。

實驗分為兩部分，第1部分進行剪切力實驗。將30個草莓平均分為兩組：一組做單刃剪切試驗，另一組做雙刃剪切力試驗。由于兩組試驗草莓樣本不同，果柄直徑也不同，在剪切實驗之前測量并記錄待剪切果柄處直徑，隨后進行剪切試驗，分別記錄剪切力數(shù)值如表2所示。

表2 果柄剪切力試驗Table 2 Cutting force test of stems

實驗結(jié)果按照剪切力(N)與果柄直徑(mm)的比來表示，比值越小說明越省力。雙刃的剪切力與果柄直徑比約為單刃的1倍，結(jié)果如圖3所示。

圖3 單雙刃剪切力比較Fig.3 Comparison of Single and double edge shear force

第2部分試驗室果柄抗擠壓試驗。將30份樣本平均分為3組，分別進行橡膠、硅膠和不銹鋼的擠壓實驗。實驗中，在萬能實驗機兩夾具上安裝2mm厚的3種材料，分別記錄果柄樣本直徑和對應(yīng)剛好夾持住時萬能試驗機兩夾具的距離。

實驗結(jié)果顯示：3種材料中，相同情況下，夾具距離從小到大依次是硅膠、橡膠、不銹鋼。其中，采用硅膠材料時，剛好夾住果柄到果柄被夾爛的夾具距離范圍是4.47～4.82mm。

2.2 關(guān)鍵部件設(shè)計

根據(jù)上節(jié)對草莓各項采摘力學(xué)參數(shù)進行測量與分析，本節(jié)運用SolidWorks和 CAD軟件對草莓末端執(zhí)行器的進行設(shè)計。

2.2.1 剪切部分結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

剪切部分結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計主要是定刀和動刀的設(shè)計，動刀由氣缸帶動運動，定刀固定于機械臂末端，通過限位孔對動刀運動范圍進行限制。

根據(jù)針對草莓果實、果柄各項相關(guān)物理參數(shù)測量，確定末端執(zhí)行器采取雙刃剪切，定刀與動刀完全張開時剪刀尖端距離為40mm。當(dāng)剪刀尖端距離為40mm、動刀旋轉(zhuǎn)角度為45°時，確定剪刀其他參數(shù)：剪刀張開時，整體尺寸為150mm×60mm；閉合時，尺寸為為150mm×44mm。定刀和動刀上分別留有兩個M3螺紋孔，用來安裝夾持塊。另外，定刀刀柄上留有兩個M3螺紋孔用來定位及安裝。剪切部分二維尺寸圖如圖4所示。

圖4 剪切部分二維尺寸圖Fig.4 2D dimension drawing of Cut part

2.2.2 驅(qū)動部件參數(shù)設(shè)計

該末端執(zhí)行器采用氣缸驅(qū)動，所以氣缸型號的選擇至關(guān)重要。根據(jù)曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計原理和定刀結(jié)構(gòu)(見如圖5)，分別以定刀限位孔兩極限位置畫直徑相同的圓，該圓直徑即為連桿長度；然后，在定刀左側(cè)沿刀柄方向作1條直線與兩圓相交，兩交點之間的距離即為氣缸的行程，同時兩點也是連桿與氣缸鏈接端的兩個極限位置。

參考氣缸外形尺寸和剪刀結(jié)構(gòu)的緊湊性，不斷嘗試改正連桿與氣缸行程兩項參數(shù)，最后確定連桿長度為35mm，氣缸行程為25mm，此時末端執(zhí)行器能完成剪刀動刀的完全張開和閉合。

根據(jù)氣缸行程為25mm，選擇SMC公司生產(chǎn)的型號為CQ2A16-25DM(缸徑16mm，行程25mm)雙作用氣動緊湊型氣缸，外形尺寸為29mm×29mm×22mm(氣缸收縮時)，活塞桿外螺紋位M6×1.0，固定氣缸的螺紋為M4；配套連接件選擇型號為F-M6X100Y的Y型接頭，外形尺寸位12mm×16mm×32mm；連桿長度為35mm。

剪切部件和驅(qū)動部件之間通過固定桿和固定板按照設(shè)計參數(shù)進行加工并定位安裝，如圖6所示。

圖5 驅(qū)動部件設(shè)計示意圖Fig.5 Device of Drive part design

圖6 剪切部件和驅(qū)動部件關(guān)系Fig.6 Relative position of Drive and cut part

考慮美觀及安全等因素，將末端執(zhí)行器封裝，整體外形尺寸為54mm×54mm×190mm，結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，無干涉等問題。實物圖如圖7所示。

2.2.3 夾持部件參數(shù)設(shè)計

單驅(qū)雙夾是指在剪切部件在剪斷果柄時需要同時夾持住連接果實的果柄，分別按照剪切部件的定刀和動刀輪廓設(shè)計塑料材質(zhì)的夾持塊，安裝于定刀和動刀下方預(yù)留的螺紋孔上。根據(jù)果柄抗擠壓試驗結(jié)論，當(dāng)動刀閉合時兩夾持塊預(yù)留用來粘貼厚度為2mm的硅膠墊的間距。由于草莓果柄既細又軟，硅膠材質(zhì)的摩擦力大且柔軟，用來夾持果柄不僅可以保障夾持穩(wěn)定性，也能減少對果柄的機械損傷。兩夾持塊間距取4.8mm。

圖7 末端執(zhí)行器實物圖Fig.7 Physical map of End effector

3 設(shè)計參數(shù)校核與試驗驗證

3.1 剪切校核

對連桿和剪切部件組成的力系簡化并進行受力分析，如圖8所示。

圖8 剪切部件受力示意圖Fig.8 force of Cut part

根據(jù)同一桿件上合力為0、合力偶為0，可列出如下平衡方程，即

F3L3=F2L2

F2cosα=F1l

F1=F1l/cosβ

式中P—氣體壓力，取P=0.5MPa；

D—氣缸直徑；

d—活塞桿直徑。

根據(jù)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)可獲得α、β、L2和L3，分別帶入以上公式，效率取0.85，得F3≈64N。由于64N大于試驗所得果柄雙刃剪切力的最大值5.68N，所以該末端執(zhí)行器可以剪斷草莓果柄。

3.2 夾持校核

利用硅膠墊進行對果柄夾取，首先要計算出草莓果柄會被夾住的兩硅膠墊之間的最小距離[9]。假設(shè)果柄在被橡膠墊夾取時不會產(chǎn)生形變，則對1個硅膠墊而言，形變量計算公式為

式中F—單個硅膠墊所受壓力，即草莓果柄所受擠壓力(N) ;

L—硅膠墊原始厚度(m) ;

A—硅膠墊擠壓面橫截面積(m2) ;

E—硅膠墊彈性模量(N/m2) 。

要保證草莓果柄被夾持塊夾住而不掉落，則草莓重力G要滿足

G≤μF

式中μ—硅膠墊與果柄之間的滑動摩擦因數(shù);

G—草莓果實的重力(N) 。

綜上所述，聯(lián)立兩式得到

已知硅膠彈性模量E= 105N/m2，摩擦因數(shù)μ= 0.15，硅膠墊厚度2mm，草莓果實平均質(zhì)量20.4g，草莓果柄平均直徑為2mm，則

即1個硅膠墊所需形變量為0.65mm，那么兩個硅膠墊就需要1.3mm 形變量，所以最終兩硅膠墊間距為D= 0.7mm；加上兩硅膠墊總厚度4mm，所以兩夾持塊間距為4.7mm。滿足試驗結(jié)論，可以對草莓果柄進行穩(wěn)定夾持。

4 結(jié)論

針對草莓自動化采收需要，設(shè)計了一種氣動單驅(qū)雙夾的采摘末端執(zhí)行器，并測量分析了“圣誕紅”草莓采摘力學(xué)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計了末端執(zhí)行器各部件參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對末端執(zhí)行器果柄夾持和剪切性能進行力學(xué)模型驗證，以確保采摘執(zhí)行可靠。