番木瓜采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)研究

張炳超，夏紅梅，趙潤茂，劉孟夫，郭英祺

（1. 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

0 引言

番木瓜又稱為“萬壽果”，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，有“百益果王”的稱號(hào)[1]。隨著我國人民生活水平的提高，人們對(duì)營養(yǎng)保健價(jià)值高、風(fēng)味獨(dú)特的番木瓜的需求量持續(xù)增長(zhǎng)，番木瓜產(chǎn)業(yè)在我國有著廣闊的發(fā)展前景[2]。人工采收番木瓜勞動(dòng)量大、效率低、采摘成本高，極大地限制了番木瓜的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。機(jī)械采摘末端執(zhí)行器在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人上的作用在于能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，保證果實(shí)適時(shí)采收，因而具有很大的發(fā)展?jié)摿3]。因此，設(shè)計(jì)一種適合采摘不同品種番木瓜的機(jī)械采摘末端執(zhí)行器，提高采摘效率，降低采摘費(fèi)用，有效解決農(nóng)村勞動(dòng)力欠缺、雇傭成本高的問題，對(duì)番木瓜產(chǎn)業(yè)體系的發(fā)展具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)外采摘末端執(zhí)行器主要模擬人工采摘原理，采用多手指結(jié)構(gòu)，依據(jù)夾持方式和驅(qū)動(dòng)原理，主要有剛性手指、柔性手指和欠驅(qū)動(dòng)手指三大類型。日本大阪府立大學(xué)Kanae Tanigaki 和山形大學(xué)Tateshi Fujiura 等研制了一種由1個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)剛性手指的櫻桃機(jī)械采摘末端執(zhí)行器[4]。江蘇大學(xué)劉繼展等設(shè)計(jì)研發(fā)的番茄采摘末端執(zhí)行器，由1對(duì)剛性夾持手指、激光聚焦透鏡、力傳感器、真空吸盤4部分相互協(xié)作，進(jìn)行吸住、夾持、切割、分離動(dòng)作，完成番茄的采摘[5]。意大利Muscato等研制的柑橘可彎曲柔性3指夾持末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器的3指抓緊果實(shí)后，機(jī)械手向后移動(dòng)拉緊果梗，通過腕部力傳感器檢測(cè)力信息來確定果梗位置，腕部旋轉(zhuǎn)將果梗送入切割位置，由圓形鋸將之切斷[6]。加拿大MDROBOTICS公司與Laval大學(xué)合作，并由Gosselin等研制的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪SARAH（Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand）， 該 3指機(jī)械手爪具有10個(gè)自由度，采用2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過機(jī)械限位和彈簧實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力關(guān)節(jié)對(duì)被抓取形狀的自適應(yīng)[7]。上述末端執(zhí)行器都是選取果實(shí)采摘中比較有代表性的，以單個(gè)果實(shí)采摘為前提而設(shè)計(jì)，對(duì)單個(gè)番木瓜果實(shí)采摘為目的的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)有很多參考價(jià)值和借鑒意義。

1 番木瓜摘取末端執(zhí)行器總體方案設(shè)計(jì)

1.1 基于欠驅(qū)動(dòng)原理的方案設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化程度，有全驅(qū)動(dòng)方式和欠驅(qū)動(dòng)方式。全驅(qū)動(dòng)方式下，安裝1個(gè)電機(jī)保證末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，3個(gè)手指的夾持動(dòng)作需要3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)?；诜竟蠙C(jī)械采摘末端執(zhí)行器盡量滿足體積小、質(zhì)量輕的設(shè)計(jì)需求，4個(gè)電機(jī)安裝在機(jī)械手機(jī)構(gòu)上，既增大了整個(gè)機(jī)構(gòu)的體積和質(zhì)量，又增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，無法達(dá)到上述要求?？紤]結(jié)合欠驅(qū)動(dòng)原理，利用1個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)3個(gè)手指的夾持和手掌的扭轉(zhuǎn)2個(gè)動(dòng)作。

在采摘番木瓜果實(shí)的過程中，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作需求是先穩(wěn)定夾持住果實(shí)，然后再扭轉(zhuǎn)果實(shí)將果柄扭斷完成采摘?jiǎng)幼?。先夾持后扭轉(zhuǎn)的動(dòng)作順序由一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，利用最小阻力原理，電機(jī)啟動(dòng)的初始階段，設(shè)計(jì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手指部件的夾持阻力小于機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)部件的扭轉(zhuǎn)阻力，或者旋轉(zhuǎn)部件處安裝摩擦裝置，摩擦裝置可以通過調(diào)節(jié)摩擦力的大小，使得夾持阻力仍小于摩擦力，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的先夾持動(dòng)作。當(dāng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手指部件夾持住番木瓜果實(shí)后，夾持阻力短時(shí)間內(nèi)迅速增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦力，此時(shí)旋轉(zhuǎn)部件克服扭轉(zhuǎn)阻力和摩擦力，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的后扭轉(zhuǎn)動(dòng)作。

夾持式手部通常是由轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副配合構(gòu)成，其手指的運(yùn)動(dòng)方式分為回轉(zhuǎn)型和平移型，如圖1所示?；剞D(zhuǎn)型手指的閉合和張開通過手指根部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)傳樞軸的支點(diǎn)個(gè)數(shù)分為單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)兩種，這類手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在夾持不同直徑的水果時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差；平移型手指的閉合和張開通過手指平行移動(dòng)，在夾持不同直徑的果實(shí)時(shí)，不會(huì)造成中心位置的偏移，夾持誤差較小，但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工精度要求較高。在番木瓜機(jī)械采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)過程中，比較兩種手指運(yùn)動(dòng)方式的特點(diǎn)：一方面，手指的閉合和張開，回轉(zhuǎn)型手指在夾持果實(shí)的過程中，與番木瓜表面相接觸的手指指端位置在不斷變化；相反，平移型手指則是與番木瓜的相對(duì)位置基本保持不變，更有利于對(duì)番木瓜的精確穩(wěn)定抓取。另一方面，回轉(zhuǎn)型手指繞支點(diǎn)做扭轉(zhuǎn)動(dòng)作，支點(diǎn)部位通常會(huì)安裝扭簧來輔助手指的閉合和張開動(dòng)作，如此便增加了電機(jī)的功率載荷。綜上所述，夾持式手部機(jī)構(gòu)決定選取平移型運(yùn)動(dòng)方式。

圖1 夾持式手指運(yùn)動(dòng)方式

繩傳動(dòng)在機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用廣泛，具有傳動(dòng)范圍廣、傳動(dòng)距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，繩索屬于柔性體，其常用材料有棉繩、麻繩和鋼絲繩等，為保證傳動(dòng)的精確性和牢固性，選用鋼絲繩材料。繩傳動(dòng)方式下，電機(jī)通過聯(lián)軸器連接一個(gè)繞線器用于因手指閉合和張開動(dòng)作進(jìn)行鋼絲繩的卷繞行程。方案一繞線原理：手掌滑槽內(nèi)安裝符合手指平移行程的彈簧，鋼絲繩在繞線器的帶動(dòng)下拉動(dòng)手指進(jìn)行閉合夾持動(dòng)作。此種方案中存在的問題是：手指閉合夾持過程中，繞線器卷繞鋼絲繩需克服彈簧因壓縮變形產(chǎn)生的彈簧阻力，不僅增加了電機(jī)的附加載荷，而且確保手指張開彈簧的彈性系數(shù)也難以準(zhǔn)確得到，如圖2（a）所示。方案二繞線原理：利用兩端鋼絲繩實(shí)現(xiàn)手指閉合和張開的動(dòng)作，末端執(zhí)行器的初始狀態(tài)，每個(gè)手指的第一段鋼絲繩的兩端分別固定在手指底部和繞線器上，第二段鋼絲繩的一端首先卷繞繞線器一圈后另一端穿過手指底部再固定住。電機(jī)正轉(zhuǎn)，第一段鋼絲繩在繞線器的帶動(dòng)下進(jìn)行手指閉合動(dòng)作，同時(shí)第二段鋼絲繩脫離繞線器的卷繞；電機(jī)反轉(zhuǎn)，第二段鋼絲繩卷繞在繞線器上進(jìn)行手指張開動(dòng)作，同時(shí)第一段鋼絲繩脫離繞線器的卷繞。兩端鋼絲繩相互配合完成手指的閉合和張開動(dòng)作，如圖2（b）所示。通過對(duì)兩種方案進(jìn)行分析對(duì)比，決定選用方案二作為機(jī)械末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的繞線方式。

圖2 繩傳動(dòng)鋼絲繩卷繞原理簡(jiǎn)圖

依據(jù)以上方案分析，制定末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)欠驅(qū)動(dòng)方案，如圖3所示。整個(gè)番木瓜機(jī)械采摘末端機(jī)構(gòu)由手指、手掌、定位及摩擦部件和固定電機(jī)部件等構(gòu)成。電機(jī)正轉(zhuǎn)，基于最小阻力原理，定位與摩擦部件和固定電機(jī)部件之間的摩擦力阻礙手掌部件旋轉(zhuǎn)，手指部件平移閉合做夾持動(dòng)作，手指平移達(dá)到極限位置后克服摩擦力，手掌部件開始旋轉(zhuǎn)動(dòng)作并扭斷番木瓜果柄。電機(jī)反轉(zhuǎn)，手指松開，將番木瓜安放入果實(shí)收集裝置?；谇夫?qū)動(dòng)原理的整個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程中，兩端鋼絲繩相互配合，手指的平移夾持運(yùn)動(dòng)，手掌的旋轉(zhuǎn)扭斷果柄運(yùn)動(dòng)，都是在1個(gè)電機(jī)控制下完成的多自由度動(dòng)作。

圖3 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

對(duì)番木瓜扭斷摘取方式下的相關(guān)參數(shù)試驗(yàn)分析可知，扭斷番木瓜果柄的夾持力在3.5～5.0 N之間，扭矩在1.2～3.0 N·m范圍內(nèi)，為此，選取一款Maxon型號(hào)的空心杯減速電機(jī)，如圖4所示。

圖4 Maxon的空心杯減速電機(jī)

表1 Maxon空心杯減速電機(jī)的技術(shù)規(guī)格

該空心杯減速電機(jī)通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸端部的3個(gè)螺紋孔與支座組件固定，其技術(shù)規(guī)格參數(shù)見表1。其中，保持轉(zhuǎn)矩大于平均扭矩，最大輸入電壓達(dá)到24 V時(shí)的功率消耗僅為5 W，可以滿足末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能需求。電機(jī)的外形尺寸見圖4（b），質(zhì)量?jī)H為150 g，滿足體積小、質(zhì)量輕的要求。

1.3 機(jī)構(gòu)主要尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

機(jī)械采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的外形尺寸參數(shù)由番木瓜的外形特征及果實(shí)在樹體上的生長(zhǎng)特征所決定。番木瓜的橫徑值決定了手指部件在手掌滑槽內(nèi)的平移行程量，番木瓜的下部高度值決定了手指部件的長(zhǎng)度?？紤]到繞線器、聯(lián)軸器等零件在機(jī)構(gòu)中的布局，最終確定手指長(zhǎng)度為120 mm，手掌滑槽行程量為65 mm。結(jié)合平面指端部件在機(jī)械手指上的位置分布，確定手指的夾持直徑范圍為30～120 mm。利用空心杯減速電機(jī)的外形尺寸參數(shù)（圖4（b）），確定機(jī)構(gòu)的固定電機(jī)部件的空間尺寸（圖3）。其它尺寸依據(jù)上述幾個(gè)主要參數(shù)的尺寸而定，如圖5所示。

圖5 末端執(zhí)行器關(guān)鍵尺寸確定簡(jiǎn)圖

2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)番木瓜機(jī)械采摘末端執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)決定選用SolidWorks三維軟件，依據(jù)圖3的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括3指部機(jī)構(gòu)、手掌機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接組件和支座組件。3指部機(jī)構(gòu)相對(duì)手掌機(jī)構(gòu)對(duì)稱均布，指部機(jī)構(gòu)與手掌機(jī)構(gòu)構(gòu)成移動(dòng)副連接；指部機(jī)構(gòu)下端兩段鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的卷線筒固定連接；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在支座組件和手掌機(jī)構(gòu)中部，手掌機(jī)構(gòu)通過連接組件與支座組件連接。

2.1 材料選取

番木瓜機(jī)械采摘末端執(zhí)行器的模具制作所選用的材料依據(jù)外部環(huán)境和材料性能而定。首先，摘取番木瓜的外部環(huán)境位于潮濕的果園地帶，機(jī)械采摘機(jī)構(gòu)與番木瓜接觸，番木瓜的一種生物特性表現(xiàn)為：番木瓜表面被觸碰后會(huì)流出白色液體，并且此液體具有腐蝕性；其次，機(jī)械末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的末端，要求具備體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)；最后，通過番木瓜扭斷采摘參數(shù)分析，摘取果實(shí)需要的力相對(duì)較小，對(duì)機(jī)構(gòu)材料的強(qiáng)度、剛度要求較小。綜合考慮，通過查閱相關(guān)資料，確定選用密度小、絕緣性好、耐腐蝕、耐熱、耐摩擦和安全性佳的PTFE聚四氟乙烯塑料材料。

2.2 指部機(jī)構(gòu)

指部機(jī)構(gòu)包括平面指端、手指和鋼絲繩，如圖6所示。①指部機(jī)構(gòu)的平面指端包括活動(dòng)指節(jié)換向鈕、銷釘、平面指節(jié)和指節(jié)墊片。指節(jié)墊片固定粘貼在平面指節(jié)與果實(shí)接觸的表面上。平面指端活動(dòng)指節(jié)換向鈕上的銷軸可相對(duì)手指上端孔轉(zhuǎn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)平面指節(jié)相對(duì)手指轉(zhuǎn)動(dòng)方向任意可調(diào)，活動(dòng)指節(jié)換向鈕和手指通過螺釘固定連接。②手指下端通過螺釘固定連接鋼絲繩的一端，手指下端中部開有上下2個(gè)矩形槽，分別用于2段鋼絲繩（圖9）穿過。

2.3 手掌機(jī)構(gòu)和連接組件

手掌機(jī)構(gòu)包括手掌、手指換向滾筒、銷釘、滑槽端蓋和螺釘，如圖7（a）所示。手掌上端對(duì)稱開有3條滑槽，手指的下端兩側(cè)矩形導(dǎo)向塊與滑槽間隙配合，形成移動(dòng)副連接。手掌滑槽外端部與銷釘固定連接，銷釘與手指換向滾動(dòng)間隙配合形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，手掌滑槽外側(cè)與滑槽端蓋通過螺釘固定連接。手掌滑槽內(nèi)端部（圖10）與銷釘固定連接手指下端鋼絲繩從2個(gè)銷釘中間穿過，與卷線筒固定連接，手指下端鋼絲繩繞過手指換向滾筒，從2個(gè)銷釘中間穿過，按電機(jī)正轉(zhuǎn)方向繞卷線筒一圈后與卷線筒固定連接。手掌下部圓筒內(nèi)孔與電機(jī)支座上部圓筒的外圓柱面間隙配合，手掌與電機(jī)支座通過3個(gè)對(duì)稱均布的連接組件形成轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。

連接組件由防掉塊、橡膠塊和螺釘組成，如圖7（b）所示。防掉塊上部通過螺釘與手掌固定連接，下部側(cè)面與支座組件的電機(jī)支座間夾有橡膠塊，下部端面與支座組件的電機(jī)支座上端面配合，實(shí)現(xiàn)軸向定位約束。

圖6 手指和平面指端的結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 手掌機(jī)構(gòu)及連接組件示意圖

2.4 支座組件和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

支座組件包括電機(jī)支座和連接支座，連接支座頂部與電機(jī)支座底部通過螺紋相連接，連接支座底部外接采摘機(jī)械手臂。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸和卷線筒，電機(jī)固定安裝于電機(jī)支座上，電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸連接，傳動(dòng)軸頂端與卷線筒固定連接。對(duì)機(jī)構(gòu)的剖視圖，如圖8—9所示。

圖8 支座組件和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

圖9 手掌機(jī)構(gòu)部分剖視圖

2.5 整體結(jié)構(gòu)和工作原理分析

末端執(zhí)行器的整體機(jī)構(gòu)，如圖10所示。其工作原理為：

1）當(dāng)末端執(zhí)行裝置處于初始狀態(tài)時(shí)，手指處于手掌滑槽外端，平面指端已根據(jù)果實(shí)形狀大小調(diào)節(jié)好活動(dòng)指節(jié)換向鈕方向，整個(gè)指端處于自由向下狀態(tài)；

圖10 末端執(zhí)行器整體機(jī)構(gòu)示意圖

2）當(dāng)采摘機(jī)械手檢測(cè)到成熟的果實(shí)后，末端執(zhí)行裝置運(yùn)動(dòng)至果實(shí)處，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)通過聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸帶動(dòng)卷線筒轉(zhuǎn)動(dòng)，卷繞鋼絲繩，鋼絲繩帶動(dòng)指部機(jī)構(gòu)沿手掌滑槽向果實(shí)中心平行移動(dòng)，同時(shí)手指下端拉動(dòng)卷線筒轉(zhuǎn)動(dòng)松開的另一段鋼絲繩，平面指端自適應(yīng)3點(diǎn)夾緊果實(shí)；

3）指部機(jī)構(gòu)夾緊果實(shí)后，電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，鋼絲繩停止卷繞，帶動(dòng)果實(shí)、指部機(jī)構(gòu)和手掌相對(duì)電機(jī)支座轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的扭轉(zhuǎn)分離；

4）果實(shí)摘取后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，卷線筒反向轉(zhuǎn)動(dòng)卷繞另一段鋼絲繩，鋼絲繩拉動(dòng)指部機(jī)構(gòu)反向平行移動(dòng)松開果實(shí)，同時(shí)手指下端拉動(dòng)卷線筒反轉(zhuǎn)松開的鋼絲繩。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功能需求分析

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求，基于欠驅(qū)動(dòng)原理，通過1個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到采摘番木瓜的目的。控制功能包括：①控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，完成閉合夾持和松開放置果實(shí)的動(dòng)作；②調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足手爪移動(dòng)對(duì)番木瓜夾持的穩(wěn)定性的同時(shí)控制摘取1個(gè)果實(shí)所需的時(shí)間，進(jìn)而分析出較為合理的采摘效率。其控制示意圖如圖11所示。

圖11 控制系統(tǒng)示意圖

3.2 控制元件選取

通過分析空心杯減速電機(jī)的工作原理可知，改變電機(jī)的輸入電壓能夠起到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。結(jié)合整個(gè)電路系統(tǒng)對(duì)控制性能的簡(jiǎn)易性及操作的靈活性要求，決定在電路中添加電位器，與電機(jī)成串聯(lián)關(guān)系，起到分壓作用。

出于對(duì)電位器的阻值和分壓效果方面的綜合考慮，選用B10K型號(hào)的直線式電位器，使得電位器旋轉(zhuǎn)角度的大小和總阻值的變化成線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電壓值在電路中的均勻變化。

番木瓜機(jī)械采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在夾持果體并扭斷果柄的過程中實(shí)現(xiàn)的是電機(jī)正轉(zhuǎn)動(dòng)作，電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)松開番木瓜果實(shí)，完成整個(gè)采摘過程。由此可見，在電路中安裝一個(gè)雙刀雙擲船形開關(guān)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，起到夾持及松開果實(shí)的作用。

3.3 電路板的設(shè)計(jì)

基于對(duì)番木瓜機(jī)械采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制功能需求，設(shè)計(jì)電路原理圖并制作了電路板，如圖12所示。電路板的元器件主要由運(yùn)算放大器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、穩(wěn)壓器、二極管、電容和電阻等組成。其中，運(yùn)算放大器選用LM324N型號(hào)的四運(yùn)放集成電路，具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、價(jià)格低廉等特點(diǎn)；場(chǎng)效應(yīng)晶體管選用IRF3205S型號(hào)，擁有散熱性能好、導(dǎo)通阻抗極低等優(yōu)點(diǎn)；穩(wěn)壓器選用L7812CV型號(hào)的三級(jí)穩(wěn)壓集成電路，輸出穩(wěn)定性好，使用方便，輸出過流、過熱自動(dòng)保護(hù)適用于各種電源穩(wěn)壓電路。

圖12 控制電路原理圖設(shè)計(jì)及電路板制作

3.4 工作原理

整個(gè)硬件控制系統(tǒng)的工作過程為：首先將電位器、開關(guān)和空心杯減速電機(jī)接入電路板，然后把24 V直流電源接入電路板，電路板上指示燈亮說明電路接通。打開船型開關(guān)，電路板上的另一個(gè)指示燈亮，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，起到帶動(dòng)機(jī)械末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾持和扭轉(zhuǎn)動(dòng)作要求，調(diào)節(jié)電位器旋鈕，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，起到控制整個(gè)電路輸出功率的作用。

4 結(jié)論

1）基于欠驅(qū)動(dòng)原理的番木瓜機(jī)械采摘末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)：結(jié)合最小阻力原理的先夾持后扭轉(zhuǎn)的動(dòng)作順序，平移型的夾持式手部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式，兩段鋼絲繩相互配合完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式和平面型指端抓取接觸方式。

2）利用SolidWorks三維軟件進(jìn)行末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)分為3個(gè)指部機(jī)構(gòu)、手掌機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接組件和支座組件。3個(gè)指部機(jī)構(gòu)相對(duì)手掌機(jī)構(gòu)對(duì)稱均布，指部機(jī)構(gòu)與手掌機(jī)構(gòu)構(gòu)成移動(dòng)副連接；指部機(jī)構(gòu)下端兩段鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的卷線筒固定連接；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在支座組件和手掌機(jī)構(gòu)中部，手掌機(jī)構(gòu)通過連接組件與支座組件連接。

3）通過對(duì)控制系統(tǒng)的功能需求分析，選用B10K型號(hào)的直線式電位器和雙刀雙擲船形開關(guān)，設(shè)計(jì)并制作了包含運(yùn)算放大器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、穩(wěn)壓器和二極管等元器件的電路板。