果蔬采摘欠驅(qū)動(dòng)靈巧機(jī)械手的設(shè)計(jì)

楊婕， 趙曉棟，2， 宋申祥 ， 張兆德 ，2

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山316022）

0 引言

果蔬采摘機(jī)器人的研究在國(guó)外已經(jīng)有40多年的歷史，日本和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼研究用于采摘番茄、黃瓜、蘋果、蘑菇等果蔬的智能機(jī)器人［1-6］。對(duì)于外表皮較薄較脆的果蔬，對(duì)手爪抓持力的控制要求很高，同時(shí)要求夾持系統(tǒng)需要具有一定柔性，可以補(bǔ)償部分力控制產(chǎn)生的誤差，避免夾持力過大壓傷外表或夾持力過小抓取失穩(wěn)而造成果蔬掉落。欠驅(qū)動(dòng)靈巧機(jī)械手是一種理想的方案，其結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，控制簡(jiǎn)化，抓取可靠［7］，并能很好地貼合各種球狀水果外形。

通常一般機(jī)構(gòu)正常工作的條件是驅(qū)動(dòng)器數(shù)目等于機(jī)構(gòu)本身自由度，即所謂的全驅(qū)動(dòng)方式，如常見的6自由度工業(yè)機(jī)器人都具有6個(gè)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少于機(jī)構(gòu)本身自由度數(shù)目，可依靠機(jī)構(gòu)自身的動(dòng)力約束條件來正常工作［8］，這類機(jī)構(gòu)稱之為欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在欠驅(qū)動(dòng)方式下，機(jī)械手爪上可以只安裝1個(gè)驅(qū)動(dòng)器，依靠彈簧和機(jī)械限位裝置來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)正常工作所需的動(dòng)力約束條件，即1個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)手指上每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的原理［9］（如圖1所示）采用曲柄連桿方式，與滑輪和凸輪方式相比，在傳動(dòng)過程中損失能量較小，產(chǎn)生的力更大，運(yùn)用范圍更廣。

圖1 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的工作原理

與全驅(qū)動(dòng)多指手爪相比，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手具有驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少、成本低、控制簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，由于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手指機(jī)構(gòu)中存在作為動(dòng)力約束的彈簧或扭簧，使機(jī)械手本身具有一定的柔性，可實(shí)現(xiàn)無損采摘。本文利用欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種果蔬采摘欠驅(qū)動(dòng)靈巧機(jī)械手（以蘋果采摘為例），采用1個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三根手指，靈活性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1 采摘對(duì)象物理特性分析

該欠驅(qū)動(dòng)靈巧手采摘對(duì)象選取直徑為60～95 mm，高度為50～85 mm的蘋果為例。根據(jù)文獻(xiàn)［10］，采用果實(shí)硬度計(jì)測(cè)定我國(guó)典型品種蘋果的不同果實(shí)部位的果肉硬度的試驗(yàn)得知，蘋果的硬度一般為100 N/cm2，因此當(dāng)果實(shí)表面受壓小于20 N時(shí)不會(huì)遭到破壞，而其果肉細(xì)胞在小于100 N的壓力時(shí)也不會(huì)遭到破壞。

2 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和工作原理

該欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手由手指、支架、滾珠絲杠、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和直流伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。共有6個(gè)自由度，采用1個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)3根手指。整體機(jī)構(gòu)采用硬質(zhì)鋁合金，既保持了鋁本身較輕的特性，也保證了較好的機(jī)械性能。結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2、圖 3所示。

圖3 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的三維造型圖

其工作原理如下：電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)與絲杠螺母相連的支架上升，并驅(qū)動(dòng)3個(gè)手指的曲柄和連桿上升，在彈簧的作用下，推動(dòng)手指下關(guān)節(jié)和上關(guān)節(jié)使3個(gè)手指收攏，抓取水果。當(dāng)手指的壓力達(dá)到壓力傳感器設(shè)計(jì)的壓力閥值時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠手腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，完成蘋果的摘取，如圖4（a）和圖4（b）所示。當(dāng)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)到包裝箱處，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)聯(lián)接在滾珠絲杠上的螺母下降，從而使支架下降，手指張開，松開水果后，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4（c），完成一次水果的采摘和放置動(dòng)作。

圖4 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手采摘模擬過程

3 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手主要部件和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 指端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在手指的數(shù)量選擇方面，可以模仿人類手指設(shè)計(jì)，利用5指可以完成所有動(dòng)作，但并不是手指數(shù)量越多，精度和可靠性就會(huì)越高：因?yàn)槭种笖?shù)量增加，需要的傳感器就會(huì)增加，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)就越復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和精度就會(huì)降低。對(duì)于抓取蘋果這類球型水果，3根手指即能保證平穩(wěn)抓取，其余手指只是起到輔助作用，因此設(shè)計(jì)中選擇3指。3根手指以120°夾角均勻安裝在支架上，通過軸與上板相連接。每根手指分上下兩段指節(jié)，尺寸為34 mm和60 mm，完全能夠包絡(luò)尺寸較大的水果，完成采摘?jiǎng)幼?。與3指節(jié)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手爪［9］相比性能上各有優(yōu)勢(shì)，而其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)更能適合農(nóng)業(yè)采摘自動(dòng)化的應(yīng)用發(fā)展。

水果汁液一般為弱酸性，因此手指材料采用尼龍。相比金屬材料和聚酯材料，尼龍具有較好的綜合力學(xué)性能和耐磨損性、耐腐蝕性。

為了在水果受到壓力時(shí)保護(hù)表皮不受破壞，手指指面和下指節(jié)內(nèi)側(cè)均覆蓋一層硅膠，內(nèi)嵌壓力傳感器。在壓力達(dá)到閥值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出信號(hào)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。手爪指端結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 指端結(jié)構(gòu)圖

3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以支架為主體，利用絲杠螺母副和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳遞力和運(yùn)動(dòng)。

滾珠絲杠傳動(dòng)精度高，摩擦力小，使用壽命長(zhǎng)，且具有自鎖功能。在電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，中板在絲杠的自鎖作用下停止運(yùn)動(dòng)，手爪會(huì)保持抓住水果的姿態(tài)不變。中板與螺母使用螺栓連接，與絲杠組成一個(gè)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€升降運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。支架上下板采用3根支撐桿固定，并起到導(dǎo)向作用，使中板沿支撐桿上下運(yùn)動(dòng)。

為了使曲柄搖桿機(jī)構(gòu)順暢運(yùn)動(dòng)，在連接軸上安裝了37系列內(nèi)徑為4 mm的深溝球軸承，用以承受徑向載荷，減小動(dòng)摩擦力。

為了實(shí)現(xiàn)1個(gè)驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生2個(gè)自由度的效果，在連桿和搖桿之間安裝扭簧。當(dāng)手指下指節(jié)接觸到蘋果時(shí)，受到蘋果的反作用力，而無法繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；連桿2在下方曲柄的推動(dòng)下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)扭簧被壓縮，連桿2繼續(xù)驅(qū)動(dòng)與上指節(jié)相連的連桿1運(yùn)動(dòng)，上指節(jié)在下指節(jié)和連桿2的共同作用下運(yùn)動(dòng)，并抓住蘋果；當(dāng)手指上的壓力達(dá)到所設(shè)計(jì)的閾值時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖7 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力分析圖

圖8 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)受力分析圖

3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于水果表皮受壓過大后容易受損，在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)需要考慮到其驅(qū)動(dòng)力和控制精度兩方面因素。對(duì)于小型的機(jī)械手爪而言，選擇直流伺服電動(dòng)機(jī)較為合適。這種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)特性好，控制精度高。調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的控制電壓可調(diào)速，操作簡(jiǎn)便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

假設(shè)夾取的蘋果高為55mm，直徑為79mm；蘋果受到20 N的臨界壓力時(shí)表皮被破壞，取臨界壓力的85%為安全壓力 F，則 F=15 N；手爪的夾取力為N，各桿受力分別為 F1、F2、F3、F4，曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析如圖7。N、F1、F2、F3的力臂分別為 L1、L2、L3、L4。

根據(jù)力矩平衡條件可知，NL1=F1L2，F(xiàn)1=15×14.17÷5.67=37.5 N。

連桿1和曲柄均為二力桿，則 F1=F2，F(xiàn)3=F4，F(xiàn)3L4=F2L3，F(xiàn)3=37.5×35÷11.6=113.1 N=F4。

滾珠絲杠受到電動(dòng)機(jī)向上的驅(qū)動(dòng)力F5和曲柄通過支架中板的反作用力F4，其簡(jiǎn)化的受力模型分析如圖8所示，可得

絲杠導(dǎo)程為L(zhǎng)0=0.2 cm，本設(shè)計(jì)中選擇的絲杠均為單頭，導(dǎo)程即為螺距。

因此電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

考慮實(shí)際工作中的安全系數(shù)K，設(shè)K=2，則T=Tm·K=3.95×2=7.9 N·cm。

根據(jù)計(jì)算所得的電動(dòng)機(jī)實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩值Tm，可選取Maxon Re13微型直流伺服電機(jī)，電壓為12 V，輸出功率為2.8 W，空載轉(zhuǎn)速為13 500 r/mmin，帶1∶68減速器，最終輸出轉(zhuǎn)速為195 r/min。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)欠驅(qū)動(dòng)原理的研究分析，設(shè)計(jì)并研制了一種果蔬采摘欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。該欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手爪由手指、支架、滾珠絲杠、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和直流伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，整體機(jī)構(gòu)采用硬質(zhì)鋁合金，指端結(jié)構(gòu)采用尼龍和硅膠材料制成。該機(jī)共有6個(gè)自由度，采用一個(gè)微型直流伺服電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)3根手指、6個(gè)指節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的包絡(luò)抓取，并具有控制簡(jiǎn)單可靠、抓取穩(wěn)定、不損傷果實(shí)等特點(diǎn)。其靈活性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低，能夠適應(yīng)農(nóng)業(yè)采摘自動(dòng)化技術(shù)的推廣。

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