新型具有力感知的柔性果蔬采摘機(jī)械手研究

肖英奎，李永強(qiáng)，謝 龍，付英達(dá)

(吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

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新型具有力感知的柔性果蔬采摘機(jī)械手研究

肖英奎，李永強(qiáng)，謝 龍，付英達(dá)

研發(fā)了基于設(shè)施農(nóng)業(yè)的果蔬采摘機(jī)械手，包括具有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)自由度的采摘機(jī)械臂及具有力反饋功能的三指果蔬采摘末端執(zhí)行器，并對其控制系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。通過采摘模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了其作業(yè)性能、采摘效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：采摘機(jī)械手各關(guān)節(jié)與控制系統(tǒng)配合良好，運(yùn)行穩(wěn)定；采摘末端執(zhí)行器手指控制靈活，傳感器響應(yīng)靈敏，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定抓取并不損傷果實(shí)，具有推廣價值。

果蔬采摘；機(jī)械手；柔性抓??；力覺

0 引言

隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究也取得了很多成果[1-2]。現(xiàn)已開發(fā)出來的農(nóng)業(yè)機(jī)器人有噴藥機(jī)器人、水果采摘機(jī)器人、果實(shí)分揀機(jī)器人及蔬菜嫁接機(jī)器人等[3-5]。

多樣化、精確化、規(guī)?；霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)是現(xiàn)今的主要發(fā)展趨勢[6-7]。由于果蔬的采摘、收獲、嫁接及農(nóng)藥的噴灑等農(nóng)業(yè)作業(yè)以往基本都是由農(nóng)民手動完成的，存在自動化程度低、效率不高、勞動量大等問題，而具有智能化、自動化的農(nóng)業(yè)機(jī)器人可在一定程度上解決以上問題[8-10]。從長遠(yuǎn)看，農(nóng)業(yè)機(jī)器人具備了比人工勞動力更高的經(jīng)濟(jì)性，具有重要的研究意義[11-12]。

1 采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

1.1 采摘機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)

從采摘過程看，要實(shí)現(xiàn)采摘動作靈活，關(guān)節(jié)機(jī)械手是最有效的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)械手主要由末端執(zhí)行器、大臂、小臂、腰部及基座構(gòu)成，具有3個自由度。3個主動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)及肘關(guān)節(jié)，如圖1所示。為了滿足關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)的要求，采摘機(jī)械手采用諧波齒輪作為傳動機(jī)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的三自由度采摘機(jī)械手所使用的是 XB1 單級諧波齒輪，內(nèi)徑為85mm，柔輪直徑為61mm，速比范圍在80～160。由于本文采摘機(jī)械手采用剛輪作為輸出件，波發(fā)生器作為輸入件，所以傳動比為80。

圖1 采摘機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

末端執(zhí)行器由兩個柔性手指、壓力傳感器、拱形滑道、傳動齒輪組、數(shù)字電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動模塊及外殼構(gòu)成，如圖2所示。使用5線4相數(shù)字電機(jī)作為末端執(zhí)行器柔性手指的驅(qū)動器。兩個較小齒輪中，一個為主動輪，另一個為從動輪；兩個較大的從動齒輪通過連桿及手指基座分別與兩個柔性手指連接；步進(jìn)電機(jī)輸出動力通過齒輪組傳動機(jī)構(gòu)傳送到柔性手指，柔性手指沿著拱形滑道進(jìn)行開合動作。柔性手指包括手指骨架和橡膠指面：手指骨架為彈性鋼片，起到支撐作用；橡膠指面由耐磨并且防老化的橡膠材料制成，指面上刻有仿人手手指指紋紋路。柔性手指中，一個柔性手指由較寬的橡膠指面和手指骨架組成，另一個柔性手指由2 個較窄的橡膠指面和U 字形手指骨架組成，形成兩個分指，如圖3所示。這樣可減少用于驅(qū)動手指的電機(jī)數(shù)量，簡化了結(jié)構(gòu)又可保持三指抓取的穩(wěn)定性。在柔性手指中添加有傳感器[11]，可實(shí)現(xiàn)抓取的智能化控制，使手指具有力覺反饋。

1.柔性寬指 2.雙拱形滑道 3.從動齒輪a 4.從動齒輪b

1.彈性鋼片 2.橡膠制面 3.螺孔

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)硬件

采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括運(yùn)動控制模塊、電源模塊、通信模塊及傳感器電路模塊，采用PC機(jī)+運(yùn)動控制卡的控制模式來控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)驅(qū)動器(交流伺服電機(jī))。運(yùn)動控制卡通過工控機(jī)中的PCI插口連接到工控機(jī)主板上，通過62芯的輸入輸出端子排將運(yùn)動控制卡的管腳和交流伺服電機(jī)的驅(qū)動器進(jìn)行連接，利用PCI總線實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與運(yùn)動控制卡的通訊；采用上位機(jī)(PC機(jī))+下位機(jī)(單片機(jī))的模式來控制末端執(zhí)行器柔性手指的抓取與釋放動作。采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

末端執(zhí)行器的控制系統(tǒng)由上位機(jī)(工控機(jī))、串口通訊模塊、下位機(jī)(單片機(jī))、數(shù)字電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動器、壓力傳感器及相應(yīng)信號處理模塊(信號放大模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊)組成，如圖5所示。

圖5 末端執(zhí)行器控制子系統(tǒng)

2.2 3自由度采摘機(jī)械手功能

由于該采摘機(jī)械手的手部依據(jù)仿生功能的理念，指面采用了橡膠材料，其表面上設(shè)計(jì)類似于指紋的紋路，因而其表面可提高摩擦附著性能，抓取目標(biāo)物體時更加穩(wěn)固；同時，其伺服系統(tǒng)可以很好地控制機(jī)械手抓取力度，降低對物體的機(jī)械損傷，可以實(shí)現(xiàn)不同形狀、大小物體的自適應(yīng)抓取。

在執(zhí)行抓取目標(biāo)物體過程中，該3自由度采摘機(jī)械手裝置的運(yùn)行步驟大致可分為以下幾步：首先，通過人機(jī)交互功能，設(shè)定目標(biāo)物體的三維位置信息，主控器(上位機(jī))依據(jù)三維位置信息控制其腰部關(guān)節(jié)、大臂關(guān)節(jié)和小臂關(guān)節(jié)的聯(lián)動，來完成對目標(biāo)物體定位；到達(dá)指定目標(biāo)位置后，主控器向手部控制器發(fā)指令，啟動抓取目標(biāo)物體操作，并進(jìn)行力覺判斷。其次，在抓穩(wěn)目標(biāo)物體即達(dá)到初始設(shè)定的力后(該力保證目標(biāo)物體的無損等)，向主控器請求取回目標(biāo)物體操作。最后，其機(jī)械手運(yùn)動歸位后，主控器通知仿生手部釋放目標(biāo)物體，作業(yè)完畢。

2.3 采摘試驗(yàn)方案

通過操作界面中輸入目標(biāo)果實(shí)位置后，機(jī)械臂將末端執(zhí)行器送至目標(biāo)位置，上位機(jī)通過串口向下位機(jī)發(fā)送抓取指令，通過力覺反饋信號，控制采摘手指步進(jìn)電機(jī)啟停，并向上位機(jī)發(fā)送返回指令。采摘具體流程如圖6所示。

圖6 采摘流程圖

3 3自由度采摘機(jī)械手性能測試

為了驗(yàn)證采摘機(jī)械手的有效性及其各方面性能，對其進(jìn)行模擬采摘試驗(yàn)，主要包括機(jī)械手抓取果實(shí)時的定位成功率、采摘成功率及采摘平均速度，并對結(jié)果進(jìn)行分析，從原理上驗(yàn)證采摘機(jī)械手完成任務(wù)的可行性。

圖7 采摘試驗(yàn)黃瓜架

試驗(yàn)以黃瓜為采摘對象，將黃瓜果實(shí)按照圖7方式懸掛于黃瓜架中，通過觀察黃瓜果實(shí)位置和采摘機(jī)械手起始位置，設(shè)定采摘機(jī)械手的目標(biāo)位置和最優(yōu)路徑及相應(yīng)參數(shù)，采摘機(jī)械手根據(jù)程序設(shè)定自動完成采摘任務(wù)。根據(jù)果實(shí)位置不同，設(shè)定多組參數(shù)。采摘機(jī)械手分2個試驗(yàn)：試驗(yàn)1測試采摘機(jī)械手定位、采摘成功率等方面內(nèi)容；試驗(yàn)2通過測量采摘機(jī)械手的采摘運(yùn)動時間，來檢驗(yàn)采摘機(jī)械手的采摘效率。圖8為采摘機(jī)械手進(jìn)行模擬采摘試驗(yàn)現(xiàn)場圖。

圖8 模擬采摘試驗(yàn)

試驗(yàn)1、試驗(yàn)2在采摘的黃瓜架中選取4個不同的位置，進(jìn)行4組采摘試驗(yàn)。在進(jìn)行模擬試驗(yàn)時，機(jī)械手運(yùn)動平穩(wěn)，4組試驗(yàn)中，共計(jì)進(jìn)行了60次采摘試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 模擬采摘試驗(yàn)結(jié)果1

表2 模擬采摘試驗(yàn)結(jié)果2

在4組試驗(yàn)中總共進(jìn)行了60次模擬采摘試驗(yàn)，成功定位54次，成功采摘53次，總定位成功率為90%，總采摘成功率為88%。不能成功定位和采摘的主要原因是：末端執(zhí)行器手指的抓持范圍目前還有限，超出手指抓持半徑，果實(shí)將不能被成功抓取。

由于4組試驗(yàn)黃瓜位置的不同，與機(jī)械手設(shè)置的初始位置及收獲箱的距離不相同，因此機(jī)械手由初始位置運(yùn)動到目標(biāo)果實(shí)位置的時間及完成整套采摘動作的時間每組都有一定差別，但影響不大。60次采摘試驗(yàn)中，由初始位置到成功定位果實(shí)位置平均時間為3.40s，末端執(zhí)行器完成采摘動作平均時間2.30s，由成功采摘后返回將果實(shí)放入箱平均時間為4.62s。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：采摘機(jī)械手各關(guān)節(jié)與控制系統(tǒng)配合良好，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足采摘要求；下位機(jī)對于末端執(zhí)行器手指控制靈活，傳感器響應(yīng)靈敏，閾值設(shè)置合理，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定抓取并不損傷果實(shí)；在成功采摘以后，并沒有發(fā)生果實(shí)從手指中脫落現(xiàn)象，但采摘手的采摘成功率及采摘速度還有待提高。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種具有力反饋功能的三指采摘末端執(zhí)行器。針對黃瓜果實(shí)表皮易受到損傷的特點(diǎn)，選取柔性橡膠材料作為采摘手指指面，在柔性手指中嵌有三套貼片薄膜壓力傳感器，使采摘手具有力反饋功能，解決了抓取過程中的滑移及脫落問題。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有三自由度機(jī)械臂，制作出具有三自由度黃瓜采摘機(jī)械手樣機(jī)。在采摘機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)搭建完成的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的總體方案。

2)對采摘機(jī)械手進(jìn)行了模擬采摘環(huán)境的整機(jī)采摘試驗(yàn)，根據(jù)果實(shí)位置將試驗(yàn)分為4組，并進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了采摘機(jī)械手采摘作業(yè)的可行性，并找出存在的問題和需要改進(jìn)的部分，為以后開展進(jìn)一步研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Study on a New Type of Flexible Fruit and Vegetable Picking Manipulator with Force Sensing

Xiao Yingkui, Li Yongqiang, Xie Long, Fu Yingda

(School of Biological and Agricultural EngineeringKey Laboratory of Bionic Engineering,Ministry of Education, Jilin University , Changchun 130022，China)

This paper developed a manipulator of fruits and vegetables picking based on agricultural facilities, including 3-DOF picking manipulator with rotational joint structure and, three finger picking end actuator with force feedback function. The control system of picking manipulator is developed. The performance of the operation and picking results were verified by the simulation experiment. Experimental results show that each joint movement state of the picking manipulator is good and the response of the picking manipulator is rapid and the control system of the picking manipulator is stable operation and picking end actuator controls flexibly and the sensor response is sensitive and picking end actuator is able to grasp stably not to damage the fruit.The picking manipulator has the value of popularization.

fruit and vegetable picking；manipulator; flexible grasping; force sense

2016-08-14

吉林省教育廳高?？蒲姓n題(20141028)

肖英奎(1965-)，男，長春人，教授，(E-mail)xiaoyk@jlu.edu.cn。

S225.92；TP202

A

1003-188X(2017)10-0133-04