抓持-旋切式欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

尹建軍 陳永河 賀 坤 劉繼展

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鎮(zhèn)江 212013)

抓持-旋切式欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

尹建軍 陳永河 賀 坤 劉繼展

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鎮(zhèn)江 212013)

針對(duì)葡萄的柔性無損采摘要求，基于欠驅(qū)動(dòng)原理和抓持-旋切協(xié)同工作方式設(shè)計(jì)了一種欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置，一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)雙指四指節(jié)手爪從果實(shí)中部接近并包絡(luò)抓取葡萄，復(fù)合在雙指手上的旋切部件擺動(dòng)-伸縮帶動(dòng)圓盤刀切斷果梗，實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果梗分離?；诖嗽O(shè)計(jì)思路，首先通過葡萄赤道面直徑分析確定了欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)指節(jié)尺寸與轉(zhuǎn)角范圍，然后通過建立欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型，基于傳力最優(yōu)和接觸力均布的要求確定了驅(qū)動(dòng)連桿尺寸，結(jié)合接觸力分析和葡萄擠壓破裂試驗(yàn)，獲得抓持2 kg葡萄不發(fā)生損傷的最大接觸力為20 N，再通過手指機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型求解獲得驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的推力，從而指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型。設(shè)計(jì)了葡萄采摘裝置控制系統(tǒng)，通過指節(jié)處壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋接觸力實(shí)現(xiàn)最大接觸力的有效控制。采用加減速梯形控制方式實(shí)現(xiàn)了旋切部件運(yùn)動(dòng)，圓盤刀轉(zhuǎn)速1 200 r/min可對(duì)果梗有效切斷。對(duì)赤道面直徑95～200 mm的葡萄進(jìn)行50次采摘試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置的采摘成功率為100%，果實(shí)擠傷率為5.2%，不考慮視覺定位葡萄與果梗的耗時(shí)，完成一次抓持-旋切動(dòng)作平均耗時(shí)29.4 s。

葡萄； 果實(shí)采摘； 末端執(zhí)行器； 欠驅(qū)動(dòng)手爪； 接觸力控制

引言

末端執(zhí)行器是果蔬采摘機(jī)器人核心裝置之一，通常依靠力封閉進(jìn)行果實(shí)抓取，與果實(shí)形成的接觸力對(duì)果實(shí)抓取成功與損傷有直接影響[1-2]。因此，基于接觸力控制的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)對(duì)提高果實(shí)采摘成功率和減小機(jī)械損傷具有重要意義。

由于番茄、蘋果、黃瓜、西瓜、獼猴桃、荔枝、草莓等果蔬的生長(zhǎng)特點(diǎn)和采摘要求不同，末端執(zhí)行器的采摘方式也不同，設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式也存在差異[3-13]。不管是哪種形式的末端執(zhí)行器，通過果實(shí)與夾持器之間的作用力控制來實(shí)現(xiàn)無損采摘，是果蔬采摘末端執(zhí)行器研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。為指導(dǎo)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與損傷控制，研究了通過夾持碰撞模型[14]與基于有限元方法來確定果實(shí)受擠壓后的應(yīng)力與變形關(guān)系[15]。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的末端執(zhí)行器提出了多種抓取果實(shí)的力控制方法[16-20]，并無涉及成簇生長(zhǎng)的葡萄串果采摘裝置及其接觸力控制研究。

本文針對(duì)葡萄的柔性無損采摘要求，考慮葡萄垂直懸掛的生長(zhǎng)特點(diǎn)，基于欠驅(qū)動(dòng)原理和抓持-旋切協(xié)同工作方式設(shè)計(jì)一種欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置，欠驅(qū)動(dòng)雙指四指節(jié)手爪從中部接近并包絡(luò)抓取葡萄，復(fù)合在雙指手上的旋切裝置擺動(dòng)-伸縮帶動(dòng)圓盤刀切斷果梗，實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果梗分離。從抓取果實(shí)大小和最大接觸力控制的角度，設(shè)計(jì)采摘裝置的機(jī)械、力感知和控制系統(tǒng)，研制樣機(jī)進(jìn)行葡萄采摘試驗(yàn)。

1 抓持-旋切式欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，考慮葡萄垂直懸掛的生長(zhǎng)特點(diǎn)，抓持-旋切式欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置主要由欠驅(qū)動(dòng)雙指手、旋轉(zhuǎn)伸縮部件、旋切部件、連接卡盤和RealSense實(shí)感相機(jī)組成，其工作原理為：該裝置通過連接卡盤與機(jī)械臂的腕部連接，利用RealSense實(shí)感相機(jī)對(duì)果實(shí)與果梗精確定位，采摘裝置被機(jī)械臂導(dǎo)引到果實(shí)位置，雙指四指節(jié)手爪從果實(shí)中部接近并包絡(luò)抓取葡萄，復(fù)合在雙指手上的旋切部件擺動(dòng)-伸縮帶動(dòng)圓盤刀切斷果梗，實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果梗分離。雙指手抓持葡萄后被機(jī)械臂導(dǎo)引到卸果位置，雙指手恢復(fù)到初始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)放果動(dòng)作。

圖1 抓持-旋切式欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Grape-picking device with a grasping and rotary-cut type of underactuated double fingered hand1.遠(yuǎn)指節(jié) 2.近指節(jié) 3.電位器 4.S型壓力傳感器 5.主支撐架 6.欠驅(qū)動(dòng)雙指手 7.RealSense實(shí)感相機(jī) 8.夾持電動(dòng)機(jī) 9.旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī) 10.連接卡盤 11.伸縮電動(dòng)機(jī) 12.旋轉(zhuǎn)伸縮部件 13.旋切電動(dòng)機(jī) 14.旋切部件 15.平板壓力傳感器

欠驅(qū)動(dòng)雙指手的單根手指由近指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)組成，通過布置在主支撐板上的2套相同的導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)和串聯(lián)式連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)2個(gè)指節(jié)，1個(gè)夾持電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊?？紤]到柔性無損采摘葡萄要求，在近指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的中間位置安裝4個(gè)平面壓力傳感器(量程50 N，精度0.05%)，用來感知各指節(jié)與葡萄的接觸力大小，用于接觸力反饋控制。在4個(gè)平板壓力傳感器表面均貼上軟硅膠，目的是增加指面與葡萄之間的摩擦力，且對(duì)抓持葡萄時(shí)的接觸力有一定緩沖作用。在兩側(cè)的滑塊處各安裝1個(gè)S型壓力傳感器(量程50 N，精度0.05%)，用來感知夾持電動(dòng)機(jī)的輸出推力大小。每根手指安裝3個(gè)電位器(B503)，用來感知滑塊與連桿夾角、近指節(jié)擺角和近指節(jié)與遠(yuǎn)指節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角。

為實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果梗分離，設(shè)計(jì)的旋切部件具有3個(gè)自由度，旋轉(zhuǎn)伸縮部件的作用是將旋切部件的圓盤刀導(dǎo)引至果梗位置切斷果梗。其中，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)(東方步進(jìn)電動(dòng)機(jī)PK543AW-T30，額定轉(zhuǎn)矩為1.5 N·m)安裝在主支撐架的上方，帶動(dòng)伸縮部件與旋切部件繞固定軸擺動(dòng)；伸縮部件采用滾珠絲杠和導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)，伸縮電動(dòng)機(jī)選取正吉28 mm步進(jìn)電動(dòng)機(jī)J-2818HB2401型，容許轉(zhuǎn)矩0.12 N·m，可實(shí)現(xiàn)0～160 mm的伸縮運(yùn)動(dòng)。旋切電動(dòng)機(jī)選用杰勝JS-38SRZ-Y型10 W永磁直流電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 700 r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.075 N·m。

為了對(duì)果實(shí)與果梗精確定位，在欠驅(qū)動(dòng)雙指手的上方設(shè)置RealSense實(shí)感相機(jī)(Intel R200)。

2 欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)選型

2.1 指節(jié)尺寸與轉(zhuǎn)角范圍確定

葡萄的赤道面直徑Φ為100～200 mm，欲使雙指手抓持葡萄的工作空間滿足該直徑要求，應(yīng)用試湊法取不同的近指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)長(zhǎng)度，取近指節(jié)l1=80 mm、遠(yuǎn)指節(jié)l2=60 mm時(shí)，雙指手抓持葡萄的工作空間可滿足葡萄直徑范圍要求，如圖2所示。

圖2 雙指手抓持葡萄的工作空間Fig.2 Work space of grasping grapes of double fingered hand

當(dāng)Φ=95 mm時(shí)，兩手指的遠(yuǎn)指節(jié)恰好不發(fā)生干涉疊加，且指節(jié)與果實(shí)形成4點(diǎn)接觸，呈包絡(luò)抓持狀態(tài)。當(dāng)Φ=200 mm時(shí)，遠(yuǎn)指節(jié)為垂直姿態(tài)，遠(yuǎn)指節(jié)恰好與果實(shí)形成2點(diǎn)接觸，呈夾持狀態(tài)。據(jù)此，雙指手抓持葡萄的直徑范圍為95～200 mm。以水平方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，遠(yuǎn)指節(jié)轉(zhuǎn)角范圍為90°～157.66°，近指節(jié)轉(zhuǎn)角范圍為45°～78.83°，兩指節(jié)處機(jī)械限位結(jié)構(gòu)按兩指節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍設(shè)計(jì)。

2.2 欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)抓取果實(shí)的靜力學(xué)建模

圖3 欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及受力分析Fig.3 Force analysis and motion diagram of underactuated finger mechanism

由于兩側(cè)手指機(jī)構(gòu)沿絲杠對(duì)稱配置，現(xiàn)取右側(cè)手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。如圖3所示，夾持電動(dòng)機(jī)通過搖桿滑塊機(jī)構(gòu)OEGH將電動(dòng)機(jī)的輸出推力F0轉(zhuǎn)變?yōu)樗臈U機(jī)構(gòu)OABC的輸入力矩T0。

左、右側(cè)滑塊所受驅(qū)動(dòng)力F02、F01與電動(dòng)機(jī)的輸出推力F0的關(guān)系為

F01+F02=F0

(1)

夾持電動(dòng)機(jī)通過搖桿滑塊機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)力F01、F02傳遞給連桿式欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此，連桿OC繞基點(diǎn)O所受到的力矩T0為

T0=F01ccosβcos(α+β)

(2)

式中c——桿OC長(zhǎng)度

α——桿OC與水平方向的夾角

β——桿GE與豎直方向的夾角

抓取果實(shí)時(shí)，2個(gè)指節(jié)依次被果實(shí)約束后，雙指手的構(gòu)型即被確定，如圖3所示。根據(jù)欠驅(qū)動(dòng)原理[21-22]，單手指力學(xué)模型可表示為

TTω=FTV

(3)

其中

TT=[T0T1]T

(4)

式中T——四桿機(jī)構(gòu)OABC的輸入力矩T0和扭簧作用桿AB的扭矩T1組成的矩陣

k——扭簧剛度系數(shù)，k=0.13 N·mm/(°)

T10——初始預(yù)緊扭矩，T10=64 N·mm

F——作用在手指上的外力所構(gòu)成的矢量，由接觸力F11和F12構(gòu)成

V——外力作用點(diǎn)的速度分量，由接觸點(diǎn)的法向速度矢量V1和V2構(gòu)成

l1——近指節(jié)OA長(zhǎng)

d1——近指節(jié)接觸點(diǎn)到點(diǎn)O的距離

d2——遠(yuǎn)指節(jié)接觸點(diǎn)到點(diǎn)A的距離

對(duì)于四桿機(jī)構(gòu)OABC，有

(5)

將式(5)寫成矩陣形式為

(6)

其中

式中φ1——OA與OC的夾角

φ2——AO與AB的夾角

b——桿BC長(zhǎng)度a——桿AB長(zhǎng)度

改寫式(3)得

TT=FTVω-1

(7)

其中

Vω-1=JVJωωω-1=JVJω

由式(7)得

(8)

當(dāng)d1≠0，d1d2≠0時(shí)，JV為非奇異矩陣，且Jω恒為非奇異矩陣，均存在逆矩陣。由式(8)得

(9)

其中

由式(9)可得

(10)

(11)

式(10)、(11)給出接觸力F11、F12與T0、T1之間的靜力學(xué)關(guān)系。當(dāng)欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)的尺寸已知時(shí)，F(xiàn)11、F12受機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置決定的α、β、φ1、φ2、θ2等角度參數(shù)的影響。

2.3 連桿式欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)確定

如圖3所示，當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)OABC中桿AB與桿BC、桿BC與桿OC之間相互垂直時(shí)，其傳力性能最好。按各指節(jié)接觸力均勻分布的設(shè)計(jì)要求，令

f1=max(F11，F(xiàn)12)
f2=min(F11，F(xiàn)12)

則手指機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)f為

f=abs(f1-f2)

(12)

須滿足的幾何約束為

(13)

(14)

將桿長(zhǎng)a、b、c作為設(shè)計(jì)變量，聯(lián)立式(10)、(11)，利用Matlab遺傳算法工具箱求解式(12)。已知l1=80 mm,l2=60 mm,d1=40 mm,d2=30 mm，且20 mmlt;alt;60 mm，60 mmlt;blt;100 mm，30 mmlt;clt;80 mm，種群規(guī)模為200，求得最優(yōu)解并取整得a=40 mm，b=85 mm，c=55 mm，目標(biāo)函數(shù)f=2.76×10-9N。

2.4 接觸力范圍確定

2.4.1最小接觸力的確定由于葡萄形狀不規(guī)則，4個(gè)指節(jié)與葡萄最多形成4點(diǎn)接觸，最少形成2點(diǎn)接觸。果實(shí)重力為G，將軟硅膠貼附于手指各指節(jié)內(nèi)側(cè)，硅膠與果實(shí)的摩擦因數(shù)為μ，最大靜摩擦力為Ff，葡萄受力分析如圖4所示。

圖4 4點(diǎn)接觸抓取葡萄受力分析Fig.4 Force analysis of grasping grapes with four contact points

葡萄被抓持而不滑落的臨界條件為：果實(shí)重力G等于果實(shí)與手指之間產(chǎn)生的最大靜摩擦力[20-21]。當(dāng)2點(diǎn)接觸時(shí)最小接觸力Fmin滿足

(15)

則3點(diǎn)接觸或4點(diǎn)接觸時(shí)，最小接觸力均滿足上述臨界條件。葡萄質(zhì)量一般為0.2～2 kg之間，硅膠與葡萄的摩擦因數(shù)μ在0.6～0.8之間[22]。取葡萄質(zhì)量2 kg，摩擦因數(shù)μ為0.6，可得Fmin=16.67 N。

2.4.2最大接觸力的確定當(dāng)葡萄串某處受到的擠壓力達(dá)到單顆葡萄的破裂力時(shí)，可認(rèn)為該處葡萄已經(jīng)發(fā)生機(jī)械損傷，據(jù)此設(shè)定欠驅(qū)動(dòng)雙指手的最大接觸力。如圖5所示，相鄰葡萄對(duì)單顆葡萄的作用分力為Fi1、Fi2、Fi3，其合力∑Fi等于指節(jié)處接觸力F11。假設(shè)Fi3反作用傳遞給相鄰葡萄，內(nèi)部任意相鄰位置處的葡萄所受合力∑F′i=-Fi3lt;F11，說明接觸點(diǎn)處的葡萄受到的接觸力最大，最易損傷。

圖5 單顆葡萄的受力分析Fig.5 Stress analyses of single grape

為此，對(duì)單顆葡萄進(jìn)行擠壓破裂試驗(yàn)，以確定抓持葡萄的最大接觸力。試驗(yàn)所選材料為紅提、青提、美人提和乒乓葡萄，各取15串，每串葡萄隨機(jī)選取3顆新鮮無損傷葡萄，每顆葡萄都帶有果蒂以保證葡萄的完整性，共計(jì)180組試驗(yàn)。如圖6所示，首先在物性儀上將葡萄橫向放置，然后采用圓形平面壓頭(直徑為100 mm)以0.1 mm/s的加載速率緩慢加載。

圖6 單顆葡萄擠壓試驗(yàn)Fig.6 Crush tests of single grape

利用圓形平面壓頭壓縮4種葡萄，部分單顆葡萄擠壓破裂如圖6所示。統(tǒng)計(jì)分析其受力與變形關(guān)系曲線如圖7所示，4條曲線均呈非線性，且無明顯的生物屈服點(diǎn)出現(xiàn)，當(dāng)Fc達(dá)到破裂力時(shí)，果皮發(fā)生破裂。紅提、青提、美人提和乒乓葡萄的平均破裂力分別為36.56、34.92、38.92、31.64 N。為盡量減少接觸力損傷并保證可靠夾持果實(shí)，最大接觸力確定為20 N，對(duì)應(yīng)的葡萄擠壓變形最大值不超過5 mm。

圖7 4種單顆葡萄的力-變形曲線Fig.7 Force-displacement curves of four types of single grape

2.5 靜力學(xué)模型求解與手指機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選型聯(lián)立式(10)、(11)可得

T0=d1F11+(l1cosθ2+d2)F12

(16)

由式(2)得

(17)

同理

(18)

以抓取赤道面直徑200 mm為例，已知l1=80 mm，l2=60 mm，d1=40 mm，d2=30 mm，d=60 mm，e=5 mm，θ2=6°，β=30°，最大接觸力為20 N，即F11=F12=F21=F22=20 N，由式(1)求得F0=157.25 N?？紤]到傳遞效率和意外過載等因素，手指機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用PK543AW-T30型東方步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其輸出推力為212 N，是理論推力F0的1.35倍，滿足驅(qū)動(dòng)力要求。

3 采摘裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

采摘裝置的控制系統(tǒng)硬件主要由STM32單片機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、直流電動(dòng)機(jī)、壓力傳感器、電位器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 采摘裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Hardware structure of control system for grape-picking device

3.2 欠驅(qū)動(dòng)雙指手的最大接觸力控制

根據(jù)前述接觸力分析，雙指手至少形成2點(diǎn)接觸抓持果實(shí)，且2個(gè)接觸力約束在16～20 N范圍內(nèi)，可保證穩(wěn)定抓持且不損傷果實(shí)。為此，設(shè)計(jì)的最大接觸力控制流程如圖9所示。

圖9 最大接觸力控制流程圖Fig.9 Flow chart of maximum contact force control

圖9中，m為接觸點(diǎn)計(jì)數(shù)變量。設(shè)定采樣時(shí)間間隔為5 ms，循環(huán)采樣4個(gè)接觸力信號(hào)，首先判定是否有2個(gè)接觸力大于16 N，若為否，則重新采樣，反復(fù)判定直到其中2個(gè)接觸力大于16 N，并判斷2個(gè)大于16 N的接觸力是否達(dá)到20 N，若為否，則重新采樣再次判斷直到有1個(gè)大于16 N的接觸力達(dá)到20 N，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止正轉(zhuǎn)，使雙指手保持構(gòu)型。上述程序?qū)?點(diǎn)接觸或4點(diǎn)接觸同樣適用。

3.3 旋轉(zhuǎn)伸縮部件與旋切部件的運(yùn)動(dòng)控制

從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性可知，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩就越小，啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成失步，而停止時(shí)又會(huì)發(fā)生過沖。為此，對(duì)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和伸縮電動(dòng)機(jī)采用加減速梯形控制方式。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，設(shè)置轉(zhuǎn)速n=0.25 r/s，步進(jìn)分辨率δ=1 600 p/r，勻加速50 p達(dá)到最大速度，加速用時(shí)125 ms，轉(zhuǎn)動(dòng)11.25°。對(duì)于伸縮電動(dòng)機(jī)，設(shè)置轉(zhuǎn)速n=1 r/s，步進(jìn)分辨率δ=400 p/r，勻加速50 p達(dá)到最大速度，加速125 ms，前進(jìn)0.5 mm。減速過程和加速過程相反，勻加減速過程共需100 p。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和伸縮電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制流程如圖10所示。

圖10 旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和伸縮電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制流程圖Fig.10 Flow chart of motion control of rotary motor and telescopic motor

首先讀取果實(shí)目標(biāo)位置，計(jì)算所需脈沖數(shù)Y，判斷步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖數(shù)是否大于100 p。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖數(shù)大于100 p，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)達(dá)到最大速度時(shí)，此時(shí)，先勻加速50 p，再勻速運(yùn)動(dòng)脈沖數(shù)Z=Y-100，然后勻減速50 p，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖數(shù)小于或等于100 p，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)無法達(dá)到最大速度時(shí)，則加速所需脈沖數(shù)取Y/2，然后減速Y/2。其中，X1表示旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)需旋轉(zhuǎn)的角度，X2表示伸縮電動(dòng)機(jī)需前進(jìn)的距離，滾珠絲杠導(dǎo)程為4 mm。

4 采摘試驗(yàn)

研制的葡萄采摘裝置如圖11所示，但未安裝RealSense實(shí)感相機(jī)。采摘試驗(yàn)時(shí)，果實(shí)及果梗相對(duì)雙指手手掌的空間位置通過手工測(cè)量獲得。

圖11 抓持-旋切式欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置樣機(jī)Fig.11 Grape-picking device prototype with a grasping and rotary-cut type of underactuated double fingered hand1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 2.24V電源 3.STM32單片機(jī) 4.機(jī)械臂 5.采摘裝置 6.壓力傳感器 7.電位器 8.壓力傳感器顯示儀表

為測(cè)定葡萄采摘裝置采摘果實(shí)的成功率及效率，選取50串優(yōu)質(zhì)無表皮損傷的紅提作為試驗(yàn)對(duì)象，赤道面直徑范圍100～180 mm。試驗(yàn)時(shí)，首先用繩系住紅提的果梗并懸掛在雙指手前方，采摘裝置對(duì)紅提抓持與旋切果梗的試驗(yàn)過程如圖12所示，葡萄赤道面直徑約150 mm。雙指手從葡萄中部的赤道面附近開始接近(圖12a)，在連桿式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，近指節(jié)首先與葡萄發(fā)生接觸(圖12b)，然后遠(yuǎn)指節(jié)與葡萄發(fā)生接觸(圖12c)，測(cè)得一組接觸力變化曲線如圖13所示。當(dāng)接觸力滿足最大接觸力控制條件后，葡萄即被抓持(圖12d)。隨后，旋轉(zhuǎn)和伸縮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按圖10所示控制流程進(jìn)行動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋切裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作(圖12e)，之后伸縮電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋切裝置進(jìn)行伸縮動(dòng)作(圖12f)，當(dāng)旋切機(jī)構(gòu)到達(dá)果梗所在位置時(shí)，旋切電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)圓盤刀切割果梗(圖12g)。果梗切斷后葡萄未從雙指手滑落，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓持(圖12h)。

圖12 采摘葡萄試驗(yàn)Fig.12 Grape-picking tests

在圖13中，設(shè)定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=0.1 r/s，步進(jìn)分辨率δ=800 p/r，單片機(jī)控制夾持電動(dòng)機(jī)勻速正轉(zhuǎn)，雙指手抓持過程分為3個(gè)階段：①0～2 s為接近葡萄階段，接觸力為零。②2～6.5 s為初始夾持階段，在第2秒時(shí)近指節(jié)上的壓力傳感器開始檢測(cè)到接觸力信號(hào)，控制器開始調(diào)用圖9所示的最大接觸力控制程序。由于近指節(jié)接觸力不滿足判據(jù)，夾持電動(dòng)機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，第4秒時(shí)遠(yuǎn)指節(jié)開始接觸果實(shí)。③6.5 s后進(jìn)入穩(wěn)定夾持階段，至少1個(gè)接觸力大于16 N且最大值達(dá)到20 N，單片機(jī)控制夾持電動(dòng)機(jī)停止正轉(zhuǎn)。

圖13 各指節(jié)接觸力曲線Fig.13 Contact force curves of each knuckle

當(dāng)完成最大接觸力控制后，雙指手保持穩(wěn)定夾持階段。同時(shí)，單片機(jī)按圖10參數(shù)設(shè)置控制旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)90°耗時(shí)2.5 s。伸縮部件將旋切部件推送到目標(biāo)果梗位置，依伸縮量不同，耗時(shí)在1～5 s范圍內(nèi)。

在采摘試驗(yàn)過程中，旋切電動(dòng)機(jī)的速度設(shè)定為400～600 r/min時(shí)，刀盤會(huì)偶爾出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，且切割時(shí)間稍長(zhǎng)。當(dāng)速度為600～800 r/min時(shí)，切割時(shí)間為5～8 s。在速度設(shè)定為1 000～1 300 r/min時(shí)，切割時(shí)間為1～3 s，高速旋切效果較好。

采摘裝置進(jìn)行了50次葡萄采摘試驗(yàn)，采摘裝置機(jī)械部件與測(cè)控系統(tǒng)工作正常，最大接觸力控制判據(jù)可滿足可靠夾持要求，采摘成功率為100%。葡萄赤道面直徑為100～180 mm，整個(gè)抓持過程耗時(shí)16.7～27.1 s。不考慮視覺定位果實(shí)與果梗的耗時(shí)，采摘裝置完成一次抓持葡萄和旋切果梗過程，耗時(shí)21.2～37.6 s，平均耗時(shí)約29.4 s。

采摘果實(shí)后將50串葡萄放入室溫環(huán)境下，3 d后觀察葡萄的擠傷情況。按照擠傷程度可分為：脫粒和表皮出現(xiàn)裂紋的嚴(yán)重?fù)p傷和表皮沒有出現(xiàn)裂紋的中輕度損傷[23]。中輕度損傷的葡萄顆粒由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，加快了細(xì)胞呼吸作用，使果實(shí)發(fā)生褐變現(xiàn)象。為研究方便，定義果實(shí)擠傷率為每串葡萄中出現(xiàn)明顯褐變的顆粒數(shù)和采摘時(shí)發(fā)生脫粒、表皮出現(xiàn)裂紋的顆粒數(shù)占每串葡萄所有顆粒數(shù)的百分比。統(tǒng)計(jì)并計(jì)算得出，果實(shí)的平均擠傷率為5.2%。 造成果實(shí)擠傷的因素主要是個(gè)別葡萄顆粒與主支撐架、近指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的非壓力傳感器平板表面處發(fā)生剛性接觸而造成的中輕度損傷。

5 結(jié)論

(1)欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置的雙指四指節(jié)手爪能從中部接近并包絡(luò)抓取葡萄，復(fù)合在雙指手上的旋切裝置擺動(dòng)-伸縮帶動(dòng)圓盤刀切斷果梗。

(2)基于欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型的驅(qū)動(dòng)連桿尺寸確定與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選型正確，可以實(shí)現(xiàn)赤道面直徑95～200 mm的葡萄抓持。欠驅(qū)動(dòng)雙指手的最大接觸力控制為16～20 N較為合適，指節(jié)壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋接觸力大小可以實(shí)現(xiàn)至少2個(gè)指節(jié)的最大接觸力有效控制，滿足柔性無損采摘要求。采用加減速梯形控制方式實(shí)現(xiàn)了旋切裝置的旋轉(zhuǎn)與伸縮運(yùn)動(dòng)，圓盤刀轉(zhuǎn)速1 200 r/min可有效切斷果梗。

(3)50次葡萄采摘試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)雙指手采摘裝置的采摘成功率為100%，果實(shí)擠傷率為5.2%，不考慮視覺定位果實(shí)與果梗的耗時(shí)，完成一次抓持-旋切動(dòng)作平均耗時(shí)約29.4 s。

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DesignandExperimentofGrape-pickingDevicewithGraspingandRotary-cutTypeofUnderactuatedDoubleFingeredHand

YIN Jianjun CHEN Yonghe HE Kun LIU Jizhan

(KeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipmentandTechnology,MinistryofEducation,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

According to the requirements of flexible and nondestructive grape-picking, a kind of grape-picking device with a grasping and rotary-cut type of underactuated double fingered hand was developed based on the underactuated principle and cooperative working mode of grasping and rotary-cut. To realize the separation of the fruit from the stalk, an electric motor drove a double fingered hand with four knuckles by a linkage mechanism, and the hand approached from the middle of the grape and enveloped it. Its rotary-cut device installed on the hand drove the cutting disc to cut off the stalk by the jigging and telescopic motion. Based on this design idea, the dimensions and rotation angle range of two knuckles of underactuated finger mechanism were firstly determined by analyzing equatorial diameter of grape. Then, the static model of the underactuated finger mechanism was established, and the driven linkage size was determined according to the requirements of optimal force transfer and well-distributed contact force. Combining with the contact force analysis and squeezing-bursting test of the grapes, maximum contact force of grasping 2 kg grape without damage was obtained, which was equal to 20 N. Thrust force of the electric motor was obtained by solving the static model of the underactuated finger mechanism, and type choice of the electric motor was directed according to the thrust force. The control system of grape-picking device was designed, and the effective control of maximum contact force was realized according to real-time feedback of contact force from four pressure sensors fixed on knuckles. The motion of the rotary-cut device was realized by adopting the control mode of acceleration and deceleration, cutting disc can effectively cut off the stalk with the speed of 1 200 r/min. By picking 50 bunches of grapes with the equatorial diameter ranged from 95 mm to 200 mm, the results of grape-picking tests showed that the picking success rate of the device was 100%, extrusion wound rate of grapes was 5.2%, and average cost time of the device was 29.4 s without consideration of time consuming of vision localization of grape and its stalk to complete a grasping and rotary-cut motion.

grape; fruit-picking; end-effector; underactuated hand; contact force control

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.002

TP241.3； S372

A

1000-1298(2017)11-0012-09

2017-03-10

2017-04-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51475212)和江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)(2014)37號(hào))

尹建軍(1973—)，男，研究員，博士，主要從事收獲機(jī)械集成設(shè)計(jì)和農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究，E-mail： yinjianjun@ujs.edu.cn