采摘機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器抓取策略研究

丁媛媛，金寅德

DING Yuan-yuan1,JIN Yin-de2

（1. 杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310018；2. 浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310000)

0 引言

果蔬采摘是水果生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)和最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)，研究和開發(fā)果蔬采摘機(jī)器人技術(shù)對于解放勞動力、提高勞動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本及保證新鮮果蔬品質(zhì)具有重要的意義。由于果蔬的外表皮脆弱、形狀及生長狀況復(fù)雜，因此末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)之一[1]。

自1983年以來，采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器前沿技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的研究和開發(fā)已經(jīng)取得很多重要成果[2]，法國、荷蘭和日本等國家相繼立項(xiàng)研究了采摘果蔬、柑橘、番茄、黃瓜、西瓜和葡萄等智能機(jī)器人，其末端執(zhí)行器以吸盤式和多指式為主[3]，我國對農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期，上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所曹其新、劉成良等人完成了智能化聯(lián)合收割機(jī)樣機(jī)的研制；江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院章軍等提出了基于彈性波殼伸縮的氣動驅(qū)動器。盡管我國在果蔬采摘機(jī)人末端執(zhí)行器的理論和實(shí)踐研究都取得了顯著進(jìn)步，但大多數(shù)的執(zhí)行器系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，通用性差，仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，更難以運(yùn)用到農(nóng)業(yè)工程實(shí)踐之中[4]。同時(shí)，由于多指式氣動末端執(zhí)行器的果實(shí)采摘可以歸結(jié)為末端執(zhí)行器手指對具有不同幾何形狀和外表特性的物體抓取問題，不同的果蔬其外表特性各不同，對于橙、柚等外表皮較厚且富彈性的果蔬，夾持力稍大也不致壓傷外表；對于番茄、草莓、茄子等外表皮較薄較脆的果蔬，對末端執(zhí)行器抓持力的精確控制顯得尤為重要[5]。

為此，本文充分考慮果蔬的基本特性( 大小、形狀、質(zhì)量)及其力學(xué)特性(壓縮性、摩擦性等)，提出了一種新型的采摘機(jī)器人氣動柔性末端執(zhí)行器，通過對氣動彎曲關(guān)節(jié)的合理設(shè)計(jì)與配置，可實(shí)現(xiàn)不同大小、形狀果蔬的穩(wěn)固抓?。徊捎秒姎獗壤y控制進(jìn)出彎曲關(guān)節(jié)內(nèi)腔氣體壓力可實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器輸出力的精確控制，使末端執(zhí)行器在具有可調(diào)輸出力的同時(shí)具備一定的柔性，既可實(shí)現(xiàn)不同果蔬的充分抓持卻不會傷到果蔬，在農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 彎曲關(guān)節(jié)數(shù)學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)分析

傳統(tǒng)的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器大多是針對特定的工作目標(biāo)而設(shè)計(jì)的，夾持方式有限、缺少靈活性，無法進(jìn)行精確的力控制，為此，本文提出了一種適用不同果蔬抓取的彎曲關(guān)節(jié)，它由氣動彎曲結(jié)構(gòu)與剛性誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)并聯(lián)構(gòu)成，具有良好剛性與柔性，其原理如圖1所示。將橡膠管制成彎曲結(jié)構(gòu)與剛性雙連桿誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，形成一個(gè)完整的彎曲關(guān)節(jié)，橡膠管內(nèi)嵌具有一定強(qiáng)度的螺旋鋼絲，可確保當(dāng)壓縮氣體經(jīng)電氣比例閥進(jìn)入彎曲結(jié)構(gòu)內(nèi)腔時(shí)，彎曲結(jié)構(gòu)只有軸向伸長，不產(chǎn)生徑向變形，對橡膠管的徑向膨脹產(chǎn)生很強(qiáng)的約束作用，從而實(shí)現(xiàn)橡膠管彎曲角度與輸出力的精確控制。當(dāng)壓縮氣體通入彎曲結(jié)構(gòu)內(nèi)腔時(shí)，由于螺旋鋼絲的約束作用橡膠管產(chǎn)生軸向伸長，以兩個(gè)連桿的轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)一定角度；當(dāng)釋放氣體時(shí)，在橡膠管的彈性力的作用下，橡膠管與誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)均恢復(fù)到初始狀態(tài)，因此當(dāng)采用多個(gè)彎曲結(jié)構(gòu)聯(lián)合控制時(shí)，通過控制氣體進(jìn)出彎曲關(guān)節(jié)的內(nèi)腔可實(shí)現(xiàn)抓緊與松開動作。橡膠套與兩端蓋過盈配合，保護(hù)彎曲關(guān)節(jié)和連桿機(jī)構(gòu)在工作過程中的不受破壞，由于彎曲關(guān)節(jié)其他配件均為剛性構(gòu)件，具有良好的剛度，因此，該彎曲關(guān)節(jié)可較好地模擬人類手指彎曲關(guān)節(jié)運(yùn)動。

圖1 彎曲關(guān)節(jié)原理圖

采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器需實(shí)現(xiàn)果蔬的平穩(wěn)、無損傷抓取，要有效避免夾持力過大壓傷果蔬外表或夾持力過小抓取失穩(wěn)、果蔬掉落的情況發(fā)生，應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)理論對構(gòu)成末端執(zhí)行器的關(guān)節(jié)進(jìn)行力學(xué)特性分析，其受力模型如圖2所示。

圖2 彎曲關(guān)節(jié)受力模型

1）彎曲關(guān)節(jié)變形分析

當(dāng)壓力為P的壓縮氣體充入橡膠管時(shí)，橡膠管和剛性誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)聯(lián)合作用，橡膠管變形伸長，根據(jù)胡克定律知變形量為：

其中：FN為彎曲關(guān)節(jié)橡膠管在有壓氣體作用所受的軸向力；l為橡膠管初始長度，此時(shí)剛性連桿2轉(zhuǎn)動角度a=0。；E為橡膠管彈性模量；A為橡膠管截面面積。

由關(guān)節(jié)幾何關(guān)系知：

橡膠管變形量：

其中： l'為變形后的橡膠管長度；R為橡膠管彎曲后形成的理論圓半徑；a為膠管中心到剛性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)軸的距離。

橡膠管截面：

其中：D為橡膠套直徑；d為橡膠管壁厚。

聯(lián)立上三式得彎曲關(guān)節(jié)所受軸向力為：

2）彎曲關(guān)節(jié)伸長變形下的力學(xué)特性分析

此時(shí)，橡膠管內(nèi)壓力為P，管外壓力為大氣壓0P，橡膠管所受軸向力：

聯(lián)立上兩式得到彎曲關(guān)節(jié)內(nèi)壓力：

由上式可知：當(dāng)彎曲結(jié)構(gòu)內(nèi)腔壓力為P時(shí)，由于螺旋鋼絲的約束作用橡膠管產(chǎn)生軸向伸長，以連桿轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)a角度，a的大小僅與氣壓P、橡膠管的原始材料及原始形狀有關(guān)，只需改變輸入的氣體壓力即可改變關(guān)節(jié)彎曲量，使其符合果蔬的大小、形狀，實(shí)現(xiàn)不同外形果蔬的抓取。對橡膠管內(nèi)壓力P與連桿彎曲角度關(guān)系進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 彎曲關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角分析

從圖3可知，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，通過控制充入彎曲關(guān)節(jié)壓縮氣體的氣壓可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的精確控制。

3）彎曲關(guān)節(jié)抓取果實(shí)時(shí)受力分析

在采摘機(jī)器人實(shí)際工作過程中，關(guān)節(jié)彎曲一定角度a后接觸果蔬，此時(shí)，剛性雙連桿誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)將停止繞轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，關(guān)節(jié)停止彎曲，此時(shí)繼續(xù)將氣體輸入彎曲結(jié)構(gòu)內(nèi)腔，內(nèi)腔壓力將增加到P+△P（△P為剛性雙連桿誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動后產(chǎn)生的氣壓增加值），形成關(guān)節(jié)輸出力F。彎曲關(guān)節(jié)指尖端蓋所受合力為：

從上式可知，關(guān)節(jié)輸出力F僅與氣壓增加值△P、橡膠管與彎曲關(guān)節(jié)原始形狀有關(guān)，通過對關(guān)節(jié)停止彎曲后關(guān)節(jié)氣壓增加值△P的控制，即可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)作用在果蔬上力的精確控制，只需根據(jù)水果的力學(xué)特性選擇適當(dāng)?shù)摹鱌即可避免果蔬損傷。

仿真分析剛性雙連桿誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動后產(chǎn)生的氣壓增加值Δp與作用于果蔬力的力F如圖4所示。

圖4 彎曲關(guān)節(jié)輸出力分析

從理論分析與實(shí)驗(yàn)分析可知，輸出力均隨著關(guān)節(jié)內(nèi)氣壓增加值△P的增大而增大，通過控制△P可實(shí)現(xiàn)不同的輸出力以適應(yīng)不同力學(xué)特性的果蔬的抓取，與理論分析一致。

2 末端執(zhí)行器抓取策略分析

為使采摘機(jī)器人的末端操作器能像人手一樣對不同形狀和不同性質(zhì)的物體具有抓、握、夾和拿等功能，有較好的靈活性與廣泛的適應(yīng)性，本文將三個(gè)新型彎曲關(guān)節(jié)以一定的角度關(guān)系進(jìn)行圓周配置，依靠指尖與物體之間的摩擦力克服物體重力實(shí)現(xiàn)抓取，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

本文以抓取球狀果蔬為例，其受力如圖6所示。

圖6 球狀果蔬受力模型

由末端執(zhí)行器原理可知，三個(gè)彎曲關(guān)節(jié)作用在果蔬上的正壓力F將在果蔬的表面產(chǎn)生向上的摩擦力，該摩擦力可與果蔬重力平衡可實(shí)現(xiàn)果蔬的有效抓起，由于末端執(zhí)行器三指由同一臺空氣壓縮機(jī)供氣，即 F1=F2=F3=F。不同的果蔬其力學(xué)特性各異，所能承受的最大壓力也各不相同，其值可由實(shí)驗(yàn)確定。在采摘作業(yè)過程中，為避免對果蔬的壓縮損傷，只需控制氣壓增加值△P即可控制F在適當(dāng)范圍內(nèi)，保證果蔬表皮組織的完好。

由上式可知，當(dāng)末端執(zhí)行器配置完成后，通過控制橡膠管內(nèi)腔壓力可實(shí)現(xiàn)不同重量果蔬的抓??；采摘質(zhì)量較大的果蔬時(shí)，可適當(dāng)增大末端執(zhí)行器右端兩個(gè)關(guān)節(jié)的配置b，以減小輸入的氣壓差△P，防止關(guān)節(jié)輸出力F過大引起果蔬損傷，提高末端執(zhí)行器的抓取能力。

根據(jù)上述分析，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，通過調(diào)節(jié)電氣比例閥的輸入電壓來調(diào)整氣壓輸出，得到末端執(zhí)行器輸出力隨橡膠管內(nèi)腔壓力變化曲線如圖7所示，末端執(zhí)行器實(shí)際輸出力在仿真結(jié)果吻合良好，末端執(zhí)行器在控制好輸入氣壓的前提下，不會對果蔬造成損傷，與理論分析一致。

3 結(jié)論

本文提出的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器在氣動柔性彎曲關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上引入剛向誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)大大加強(qiáng)了關(guān)節(jié)的側(cè)向剛度，使末端執(zhí)行器具有較高的通用性，結(jié)果表明：通過對三指末端執(zhí)行器的合理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同種類果蔬的平穩(wěn)抓取；通過控制彎曲關(guān)節(jié)的氣體壓力可實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器輸出力的精確控制，避免在采摘作業(yè)中損傷果蔬。

圖7 末端執(zhí)行器抓取能力分析

[1] Ceres R,Pons J L,Jiménez A R,et a1. Design and imp1ementation of an aided fruit-harvesting robot (Agribot)[J].Industria1 robot,1998,5(5)∶337-346.

[2] 趙勻,武傳宇,胡旭東,等.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展及存在的問題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(1)∶20-24.

[3] Ca1dwe11 D G,MedranoCerda G A,Goodwin M J. Contro1 of Pneumatic Musc1e Actuators [J].IEEE Contro1 Systems Magazine,1995,15(1)∶40-48.

[4] 徐麗明,張鐵中.果蔬果實(shí)收獲機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2004,20(5)∶38-42.

[5] Mohsenin N N.Physica1 properties of p1ant and anima1 materia1. 2nded. New York∶Gordon and Breach Science Pub[J].1986.154-169.