球形水果采摘末端執(zhí)行器設計與仿真

時 光，李國利，陳 健，劉 登，張愷鈺

（金陵科技學院 機電工程學院，江蘇 南京 211169）

球形水果采摘末端執(zhí)行器設計與仿真

時 光，李國利，陳 健，劉 登，張愷鈺

（金陵科技學院 機電工程學院，江蘇 南京 211169）

末端執(zhí)行器的工作直接關系到采摘機器人整個采摘作業(yè)能否準確、高效。設計了一種能夠完成多種球狀果實采摘的機器人末端執(zhí)行器。該末端執(zhí)行器采摘作業(yè)時無需檢測與果實的接觸力，采用單個電機可實現(xiàn)整個采摘控制。采用SolidWorks軟件設計了末端執(zhí)行器整體結構，并應用Adams構建虛擬樣機進行運動仿真，驗證了方案的可行性。該末端執(zhí)行器結構簡單、制作成本低，適合多種球狀果實采摘。

末端執(zhí)行器；球形水果；設計；虛擬樣機

果實采摘是果蔬生產過程的重要環(huán)節(jié)。末端執(zhí)行器是安裝于采摘機器人機械手臂前端進行采摘作業(yè)的關鍵部件。因此采摘機器人末端執(zhí)行器的設計非常重要。國內外學者針對采摘機器人末端執(zhí)行器做了大量研究工作，設計了多種水果采摘機器人末端執(zhí)行器。

根據分離果樹與果實的方式，目前大部分末端執(zhí)行器大體分為兩類：第一類，強行拉斷果梗來實現(xiàn)果實與果樹的分離；第二類，先用夾具加緊果實，再通過剪刀、鋸條、高壓水槍、激光等工具切斷果梗，從而將水果從果樹上采摘下來。對于第一類采摘末端，容易拉斷其他枝條，對果樹的傷害較大。而第二類采摘執(zhí)行末端也存在較多缺點：其一，執(zhí)行器在切斷果梗之前，要先用夾具夾住果實，夾具的力很難控制，過小會導致果實的脫落，過大則會損壞水果；其二要準確抓取果實，這對機器人視覺系統(tǒng)以及機械手的控制要求較高，微小的誤差都會導致采摘的失敗。文章提出了一種球形水果采摘末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器采摘過程中不需要接觸果實果皮部分，可吸收部分視覺與控制方面的誤差，采用單電機控制。通過Adams構建虛擬樣機驗證了方案的可行性。

1 末端執(zhí)行器結構設計

末端執(zhí)行器的機械結構主要由伸縮機構、切割機構、回收機構和傳感器四個部分組成，總體機械結構如圖1所示。圖2為末端執(zhí)行器剖視圖。

圖1 末端執(zhí)行器結構圖

圖2 末端執(zhí)行器剖視圖

1.1 伸縮機構

末端執(zhí)行器的伸縮機構是通過曲柄滑塊機構來實現(xiàn)的，其中曲軸、連桿2、連桿3、執(zhí)行器主體和法蘭構成曲柄滑塊機構，曲軸和連桿2固結、連桿2和連桿3構成轉動副，執(zhí)行器主體和法蘭之間構成移動副。曲軸與電機轉子通過聯(lián)軸器連接，電機轉子轉一圈，該機構實現(xiàn)一次伸縮動作。伸縮機構用來實現(xiàn)擺桿和執(zhí)行器主體上刀片的同時動作，減輕采摘過程對果實的影響，同時補償機械臂的運動誤差，進而提高采摘成功率。

1.2 切割機構

末端執(zhí)行器切割機構用來分離果實與枝干，如圖3所示，由固定在執(zhí)行器主體上的刀片與曲軸、連桿1及擺桿組成。其中曲軸與連桿1及連桿1與擺桿之間通過鉸鏈連接，擺桿的末端同樣通過鉸鏈連接在執(zhí)行器主體上。這樣擺桿、連桿1、曲軸和執(zhí)行器主體構成曲柄搖桿機構。曲軸與電機軸相連，電機軸的轉動可以轉化為擺桿的擺動，與固定在執(zhí)行器主體上的刀片相配合，可實現(xiàn)剪短果梗的功能。該機構還具有急回特性，大大縮短了切割時間，提高機構的切割效率。且擺桿做成圓弧狀，防止工作時果實脫落。伸縮機構與切割機構由同一電機控制。刀片位于果實容器的正上方，這樣剪斷果梗的同時，果實也落入果實容器中。

圖3 切割機構結構圖

1.3 回收機構

末端執(zhí)行器回收機構用來存放果實，是一個沒有底面圓柱體容器，在圓柱體的下底面有一個可繞一軸線旋轉的擋板，這樣可控制容器的開合。它主要實現(xiàn)果實的臨時存放與回收。當執(zhí)行采摘操作時，擋板擋住圓柱體的下底面，果實可以盛放在果實容器中。當采摘完成，準備回收果實的時候，擋板打開，果實與執(zhí)行器末端分離。切割機構的刀片與回收機構相對位置固定，避免切割操作前割斷果梗而導致采摘失敗。

1.4 傳感器系統(tǒng)

末端執(zhí)行器的傳感器為一個超聲波發(fā)射與接收裝置。首先通過雙目視覺的分析，主機械臂將末端執(zhí)行器帶到離目標果實合適的地方。這時，傳感器開始工作，它發(fā)射并接受返回超聲波，一方面通過CPU提取超聲回波信號幅值實現(xiàn)果實與果樹枝葉的識別，另方面通過檢測超聲波發(fā)射與接收的時間差進行目標果實測距。確定目標果實的精確位置。從而達到提高機械部分運動精度和提高采摘成功率的目的。

2 Adams仿真與可行性分析

為了進一步說明本末端執(zhí)行器的采摘動作原理和論證結構方案的合理性，文章利用虛擬樣機軟件ADAMS構建了末端執(zhí)行器虛擬樣機，對其采摘作業(yè)過程進行了仿真。首先通過SolidWorks三維繪圖軟件畫出末端執(zhí)行器的裝配圖，在將配圖導入到ADAMS中，在ADAMS中添加各個運動副和設定電機的轉速，如圖4所示。該末端執(zhí)行器采摘步驟為：（1）機械臂帶著執(zhí)行器一起運動到離目標果實適當位置處；（2）電機轉動，帶動擺桿緩慢旋轉，同時執(zhí)行器主體向目標果實靠攏。（3）當果實靠近刀片時，擺桿繼續(xù)旋轉，剪短果梗。（4）剪短果梗后，電機繼續(xù)旋轉，帶動執(zhí)行器主體和擺桿回到初始位置。仿真實驗中，電機轉速設為30r/min，采摘仿真時間為2s、步數為2000、重力加速度為9.8N/m。在擺桿和刀片上分別添加點“MARKER_one”和“MARKER_knife”。利用Adams的Post-Processor模塊仿真這兩個MARKER點的位移，得到兩個MARKER點位移如圖5所示。

圖4 Adams仿真界面

圖5 末端執(zhí)行器運動仿真曲線

3 結語

文章設計了一種適于球形果實采摘的采摘機器人末端執(zhí)行器，并通過建立虛擬樣機進行了仿真分析，檢驗了末端執(zhí)行器機構運動的平穩(wěn)性與可靠性。所設計的末端執(zhí)行器結構與控制方式簡單，采摘作業(yè)速度較高，能較好地吸收機器人視覺與機械臂的控制誤差。通用性好，可以滿足不同類型球形水果的采摘的要求。

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Structural Design and Simulation of the End-effector for Spherical fruit Picking

SHI Guang,LI Guo-li,CHEN Jian,LIU Deng,ZHANG Kai-yu
(School of Mechanical and Electronic Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing，Jiangsu 211169，China)

The work of end-effector is closely related to whether the picking operation of the picking robot is accurate and efficient.An end-effector which is suitable for spherical fruit is designed.The end-effector is controlled by a single motor and there is no need to test the contact force on the fruit.The structure of end-effector was designed with the SolidWorks and the virtual prototype was established by Adams to simulate the movement and v the feasibility of the solution was verified.The structure of end-effector is simple and its cost is low,it is suitable for the picking of a variety of spherical fruits.

End-effector;Spherical fruit;design;virtual prototype

TP242

A

2095-980X（2015）02-0030-02

2015-01-17

2014江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃重點項目（201413573007Z）。

時光（1994-），男，江蘇淮安人，大學本科，主要專業(yè)方向：機電一體化。

李國利（1973-），男，山東濱州人，碩士，副教授，研究方向為：農業(yè)機器人，智能化檢測技術。