金睦博 袁家信 金炳昊 王顯東

上海工程技術(shù)大學(xué) 上海 201600

1 課題研究背景及來(lái)源

我國(guó)是世界上蘋(píng)果產(chǎn)量最多的國(guó)家，我國(guó)的蘋(píng)果產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的近百分之六十，與此同時(shí)蘋(píng)果進(jìn)口量達(dá)到了世界總量的百分之五十左右。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù)顯示，截止到2020年年底，蘋(píng)果產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了4100萬(wàn)噸。但是伴隨著蘋(píng)果產(chǎn)量的提高，更多的問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)的蘋(píng)果采摘大多的是采用人工采摘，并且在采摘過(guò)程中存在耗時(shí)長(zhǎng)，采摘效率不高等問(wèn)題。在蘋(píng)果的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，蘋(píng)果的采摘過(guò)程就占據(jù)了整個(gè)作業(yè)量的百分之四十[1]。并且采摘環(huán)節(jié)的水平高低將會(huì)直接影響到后續(xù)的各項(xiàng)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。但是經(jīng)過(guò)我們小組的觀察發(fā)現(xiàn)，由于采摘環(huán)節(jié)操作難度大，損耗高， 該環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度仍然很低。參考研究資料我們了解到目前國(guó)內(nèi)采摘作業(yè)基本上都是靠聘請(qǐng)工人進(jìn)行人工采摘。這導(dǎo)致了采摘環(huán)節(jié)中人工作業(yè)量大，并且成本增加。參考國(guó)外的采摘作業(yè)早已由手工方式轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械化、智能化的機(jī)器人采摘，對(duì)此我們發(fā)覺(jué)到成功設(shè)計(jì)出一款成本低，效率高的蘋(píng)果采摘機(jī)械臂對(duì)我國(guó)的蘋(píng)果種植產(chǎn)業(yè)肯定會(huì)有一定幫助。

1.1 機(jī)械臂設(shè)計(jì)思路

蘋(píng)果采摘機(jī)械臂主要由前端的傳感器，切割裝置和中后部抓持裝置、驅(qū)動(dòng)裝置以及自由伸縮的桿件等部分組成，其中最為關(guān)鍵的裝置則是末端執(zhí)行器。對(duì)此我們對(duì)于該類(lèi)型蘋(píng)果采摘機(jī)械臂的設(shè)計(jì)思路是：在蘋(píng)果采摘機(jī)械手開(kāi)始的工作時(shí)，先由前端的傳感器判斷機(jī)械手是否接近蘋(píng)果，隨后對(duì)將要采摘的蘋(píng)果位置進(jìn)行確定，再隨著機(jī)械臂自由伸縮裝置的牽引下，讓機(jī)械手緩慢的接近蘋(píng)果。最后控制機(jī)械手的指節(jié)使其收縮抓住蘋(píng)果，在對(duì)蘋(píng)果產(chǎn)生壓力的情況下，由傳感器測(cè)得指節(jié)產(chǎn)生的力信號(hào)，再將該信號(hào)傳給了單片機(jī)[5]。而在力閾值的設(shè)定上應(yīng)該遵循在不損壞果實(shí)的原則下，還能夠?qū)⑻O(píng)果固定抓取。當(dāng)機(jī)械手前端手指對(duì)蘋(píng)果產(chǎn)生的擠壓力達(dá)到我們?cè)O(shè)置的最大壓力值時(shí)，指節(jié)就會(huì)自動(dòng)收縮，確保蘋(píng)果能穩(wěn)定抓取不會(huì)掉落，隨后機(jī)械手的自動(dòng)伸縮裝置會(huì)慢慢上升，在設(shè)置的動(dòng)力裝置的運(yùn)作下，前部指節(jié)裝置開(kāi)始工作， 使蘋(píng)果與枝干分離。機(jī)械手將蘋(píng)果采摘下來(lái)之后就會(huì)松開(kāi)，再準(zhǔn)備下一次的采摘作業(yè)，以此為一個(gè)循環(huán)進(jìn)行作業(yè)。

1.2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

經(jīng)過(guò)我們查閱資料發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械手工作過(guò)程中很容易碰撞到周?chē)奶O(píng)果，導(dǎo)致周?chē)奶O(píng)果會(huì)有一定的損傷。所以我們應(yīng)該盡量降低周?chē)烧h(huán)境影響機(jī)械手對(duì)其他蘋(píng)果的破壞。其次當(dāng)機(jī)械手將采摘好的蘋(píng)果松開(kāi)后再回到原來(lái)的位置時(shí)，壓力傳感器要能恰當(dāng)調(diào)整抓取裝置對(duì)蘋(píng)果的壓力大小， 既要避免由于抓取裝置壓力過(guò)大而導(dǎo)致蘋(píng)果表面產(chǎn)生疤痕，又要避免因壓力過(guò)小導(dǎo)致蘋(píng)果中途掉落。此外，前端傳感器還要能夠判斷已經(jīng)進(jìn)行采摘的蘋(píng)果是否還在原來(lái)的位置上， 如果傳感器判斷出蘋(píng)果還在原來(lái)的位置上并未移動(dòng)，則說(shuō)明果實(shí)采摘失敗。反之，則說(shuō)明果實(shí)采摘已成功。蘋(píng)果采摘機(jī)械手則需要重復(fù)原來(lái)的步驟[2]。還有一個(gè)難點(diǎn)就是蘋(píng)果果采摘機(jī)械臂的前部指節(jié)以及自動(dòng)伸縮桿件能對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行有效的控制，使其能夠有效伸長(zhǎng)和收縮，自由采摘蘋(píng)果，并且能夠?qū)μO(píng)果及時(shí)固定和釋放，提升蘋(píng)果采摘效率。

1.3 機(jī)械臂的工作流程

首先用抓取裝置靠近蘋(píng)果，由前端傳感器判斷使我們的機(jī)械手是否觸碰到蘋(píng)果，再由指節(jié)對(duì)果實(shí)進(jìn)行擠壓，將產(chǎn)生的力信號(hào)通過(guò)傳感器傳遞給單片機(jī)，最后與我們實(shí)際測(cè)量出的力閾值進(jìn)行比較來(lái)判斷是否達(dá)到我們的設(shè)定值，如果達(dá)到則擰斷根底，松開(kāi)水果，以此為循環(huán)。

圖1 流程圖

2 機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械采摘頭設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)的采摘機(jī)器很多只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)和前回退運(yùn)動(dòng)，但是如果我們要進(jìn)行水果采摘的話，就需要考慮采摘過(guò)程中的力度和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的準(zhǔn)確性。我們就設(shè)置了一種簡(jiǎn)單的，具有一定自動(dòng)化功能的采摘裝置。如圖2所示，該裝置有三個(gè)指節(jié)，設(shè)置的壓力傳感器，自動(dòng)收縮裝置，各種電機(jī)組成。三個(gè)指節(jié)的外部加有橡膠加大與蘋(píng)果之間的接觸摩擦力，并保護(hù)蘋(píng)果，由電動(dòng)機(jī)控制三個(gè)指節(jié)進(jìn)行展開(kāi)與收縮動(dòng)作。而安裝的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)則固定在桿件上用于旋轉(zhuǎn)蘋(píng)果，使蘋(píng)果與枝干脫離。在三個(gè)指節(jié)上安裝傳感器，利用傳感器傳回的數(shù)據(jù)來(lái)控制施加在指節(jié)上的力[7]。

圖2 機(jī)械臂3d模型

2.2 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

采摘機(jī)械手的前端指節(jié)抓取裝置是我們的蘋(píng)果采摘器中最為核心的部件，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不但會(huì)影響最后的采摘?jiǎng)幼鳎⑶疫€會(huì)影響采摘蘋(píng)果的效率。所以我們需要對(duì)指節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確保指節(jié)在運(yùn)行過(guò)程中的可靠靈活。采摘機(jī)械手的抓取動(dòng)力源是由抓取電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪頭的張開(kāi)和閉合，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械臂前端指節(jié)簡(jiǎn)圖

根據(jù)上文的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖繪制出的封閉矢量圖，如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂前端指節(jié)封閉矢量圖

該機(jī)構(gòu)的矢量表達(dá)式為：

式中：l1、l2分別為采摘指節(jié)的旋轉(zhuǎn)位置到設(shè)置的固定鉸鏈與滑塊的長(zhǎng)度；h為固定鉸鏈到滑塊的偏心距；S為滑塊移動(dòng)的距離[3]。

矢量方程在 x、y 上投影關(guān)系如下：

將式（2）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可得：

將式（3）對(duì)時(shí)間 t 再次求導(dǎo)可得:

由式（5）可得角加速度:

式中:θ1、θ2分別為l1、l2與水平面之間的夾角；ω1、ω2分別為l1、l2的角速度；a1、a2分別為l1、l2的角加速度。

對(duì)機(jī)械手前部的三個(gè)指節(jié)進(jìn)行分析，三個(gè)指節(jié)之間均保持120°幾何對(duì)稱(chēng)，所以三個(gè)之間受力相同，對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行分析可得F1為對(duì)蘋(píng)果的壓力，F(xiàn)1f為摩擦力：

圖5 采摘蘋(píng)果受力圖

對(duì)其他兩個(gè)指節(jié)進(jìn)行分析得到：

由于三個(gè)指節(jié)之間作用力相等：

由（9）得

所以由物理知識(shí)可得，F(xiàn)的大小與蘋(píng)果重量，指節(jié)材料和蘋(píng)果大小有關(guān)。

2.3 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

最后我們對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。利用軟件設(shè)計(jì)了機(jī)械手的三維模型，并對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)境和電動(dòng)機(jī)的工作進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[4]。圖6所示為前部抓取指節(jié)的角速度曲線，在整個(gè)過(guò)程中，角速度變化只有+0.4°/s，運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生突變，可以順利完成對(duì)蘋(píng)果的采摘過(guò)程。隨著指節(jié)的收縮，角速度的變化也隨之變小。

圖6 角速度變化曲線圖

圖7所示為采摘機(jī)械指節(jié)的角加速度曲線，如圖可見(jiàn)，角加速度的變化也僅為0.34°/s，運(yùn)動(dòng)不會(huì)過(guò)于激烈。

圖7 角加速度變化曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

借助我們已有的物理知識(shí)，以及參考他人的研究成果，我們小組齊心協(xié)力完成了對(duì)機(jī)械臂物理方程的建立，最后對(duì)我們建立的機(jī)械臂三維模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，并基于分析和驗(yàn)證，最后設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的蘋(píng)果采摘機(jī)械臂。由于我們專(zhuān)業(yè)知識(shí)有限，不能更進(jìn)一步地設(shè)計(jì)功能更加完善、更符合實(shí)際生活的采摘機(jī)械臂。