基于改進(jìn)人工勢場的采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)

賴輝平

（集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

現(xiàn)有的機(jī)械手進(jìn)行采摘時，果實(shí)的識別率和采摘率較低，并且果實(shí)的損傷面積較大。為此專業(yè)人員對成本低廉、實(shí)用性強(qiáng)的采摘機(jī)械手進(jìn)行了專門的研究。對采摘機(jī)械仿生手的手指關(guān)節(jié)進(jìn)行電子控制設(shè)計(jì)引起了很多專家和學(xué)者的重視。

1 采摘仿真機(jī)械手指結(jié)構(gòu)概述

在進(jìn)行水果采摘的過程中，由于機(jī)械手指靈活度較低的原因，使其很容易損傷水果的表面，并且損傷面積大，損傷率較高，需要將人類手指作為仿造依據(jù)，設(shè)計(jì)一種類人仿生機(jī)械手。該機(jī)械手將人類手指作為設(shè)計(jì)參照，設(shè)計(jì)的手指要具有一定的柔軟接觸面，使其具有人類手指的真實(shí)觸感，其關(guān)節(jié)要具有高度的靈活性和敏銳性，采用開環(huán)控制對其關(guān)節(jié)進(jìn)行操作，利用微電機(jī)進(jìn)行操控手指，將蘋果采摘作為例子。

為了降低成本，要對其中的3個主要手指進(jìn)行重點(diǎn)研究，在設(shè)計(jì)過程中，利用微電機(jī)控制對3個手指進(jìn)行控制，使其相互作用，其設(shè)計(jì)整個效果如圖2所述。

將微電機(jī)和電子虛擬總軸來相互結(jié)合，對仿生機(jī)械手的關(guān)節(jié)和手指關(guān)節(jié)進(jìn)行同時控制。電子虛擬總軸在接到信號以后，總軸對其信號進(jìn)行作用，在此基礎(chǔ)上得到各臺電機(jī)的輸入信號，并且交由總軸進(jìn)行共同協(xié)調(diào)，使各個手指關(guān)節(jié)電機(jī)同時跟隨運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手整體的有效控制。

2 采摘仿生機(jī)械手優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 果成熟度的識別閾值的設(shè)定

在對仿生機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程中，將機(jī)械手作業(yè)水果圖像的特點(diǎn)作為依據(jù)，融合于色彩空間理論設(shè)計(jì)其水果成熟度辨別閾值，具體的步驟如下。

圖2 仿生機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

借鑒色彩空間理論對水果的色彩分布區(qū)域進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)，由{x, y} 代表其水果色彩模型的分量值，將值為1的元素連接成的范圍定義為水果色彩的分布區(qū)域，該區(qū)域由ed′f來表述，利用式（1）對水果的顏色空間進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

在上式中，gd′ (d )代表二維色彩分布密度圖，Ss′wdg代表樣本圖的噪聲向量。

在水果的目標(biāo)區(qū)域，噪聲的含量較小，且水果目標(biāo)區(qū)域只是含有少量的非零元素，從而很好的抑制了噪聲的干擾，水果目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部點(diǎn)膨脹后，會使得水果稀疏區(qū)域格外緊湊，在獲取水果表面顏色色彩空間參考表后，可以判別任意一個像素點(diǎn)是否為目標(biāo)像素點(diǎn)，假設(shè)由χl′po代表水果目標(biāo)像素點(diǎn)的數(shù)量，利用式（2）得到果成熟度的識別閾值：

在上式中，df′代表水果目標(biāo)范圍外部，re代表水果圖像的各個區(qū)域。

2.2 機(jī)械手動刀片剪切力與手柄扳動力比值的計(jì)算

傳統(tǒng)的機(jī)械手設(shè)計(jì)方法沒有衡量電機(jī)間的協(xié)同作用，因此，先計(jì)算距離最相近的電機(jī)間引力勢場，采用電機(jī)同步控制驅(qū)動人工勢場，利用PID對其控制閾值進(jìn)行計(jì)算，得到機(jī)械手的剪切和剪力間的比值，由此實(shí)現(xiàn)采摘仿生機(jī)械手優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體的步驟如下。

假設(shè)由ud′f代表驅(qū)動采摘機(jī)械手指的電機(jī)的電壓，As′ed代表設(shè)計(jì)系統(tǒng)的回路中的總電阻，利用式（3）計(jì)算距離最相近的電機(jī)間引力勢場：

在上式中，Xs′de代表繞組的電感，η代表機(jī)械手的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。假設(shè)由v′swe代表最大的回路電流，代表其相應(yīng)的感應(yīng)電動勢，S′zxdf代表電機(jī)的同步控制，利用式（4）控制閾值：

3 實(shí)驗(yàn)及仿真證明

為了更好地驗(yàn)證基于改進(jìn)人工勢場設(shè)計(jì)方法進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)可行性，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。在Mat Lab /Simulink 平臺下搭建采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)仿真平臺。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于蘋果采摘為研究對象的數(shù)據(jù)樣本，由此進(jìn)行仿生機(jī)械手的實(shí)驗(yàn)測試。

3.1 評價指標(biāo)的設(shè)定

將實(shí)驗(yàn)分為兩個階段，在實(shí)驗(yàn)的第一個階段，將果實(shí)的損傷度作為評價指標(biāo)來定義基于改進(jìn)人工勢場進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)的精度。在實(shí)驗(yàn)的第二個階段，為了彰顯實(shí)驗(yàn)的全面性和公正性，將傳統(tǒng)方法作為對比方法進(jìn)行共同的分析和對比，從對采摘仿生機(jī)械手控制的誤差這方面來定義不同方法進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)的有效性。

3.2 基于改進(jìn)人工勢場的果實(shí)采摘損傷度

基于改進(jìn)人工勢場設(shè)計(jì)方法進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)，對比本文方法進(jìn)行行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)的果實(shí)采摘損傷度，對比結(jié)果見圖3。

從圖3的仿真實(shí)驗(yàn)中可以分析得出，利用改進(jìn)人工勢場設(shè)計(jì)方法進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)，可以促使機(jī)械手的距離最近的兩個電機(jī)間互相協(xié)作，給出各個電機(jī)間的協(xié)同關(guān)聯(lián)性，從而保障基于改進(jìn)人工勢場設(shè)計(jì)方法進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)的整體優(yōu)越性。

3.3 不同方法控制誤差的對比

分別采用本文方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對比不同方法進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)控制誤差，對比結(jié)果見圖4。

圖3 基于改進(jìn)人工勢場的果實(shí)采摘損傷度

圖4 不同方法進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)控制誤差

從圖4的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果可以看出，利用本文方法進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)的整體優(yōu)越性要高于傳統(tǒng)方法，這主要是因?yàn)槔帽疚姆椒ㄟM(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)可以抵御了電機(jī)負(fù)載擾動因素對機(jī)械手的手指動作不靈活的干擾，通過計(jì)算出其機(jī)械手的剪切和剪力間的比值，來完成對采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)，保障了本文方法進(jìn)行采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)的整體優(yōu)越性。

4 結(jié)語

利用改進(jìn)的人工勢場模型，利用微電技術(shù)和多關(guān)節(jié)微電機(jī)的協(xié)同控制虛擬系統(tǒng)的優(yōu)勢，對采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)，提升了采摘機(jī)器人手指關(guān)節(jié)的靈敏性，給出各個電機(jī)間的協(xié)同關(guān)聯(lián)性，抵御了電機(jī)負(fù)載擾動因素對機(jī)械手的手指動作不靈活的干擾，通過計(jì)算出其機(jī)械手的剪切和剪力間的比值，來完成對采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)仿真證明，該方法設(shè)計(jì)精度較高，極大降低了機(jī)械手手指間的速度差異，能夠滿足機(jī)械手協(xié)同控制的設(shè)計(jì)需求。

[1] 呂繼東,趙德安,姬偉.蘋果采摘機(jī)器人目標(biāo)果實(shí)快速跟蹤識別方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2014,45(1):65-72.

[2] 趙德安,劉曉洋,陳玉等.蘋果采摘機(jī)器人夜間識別方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2015,46(3):15-22.