基于氣壓驅(qū)動的球狀果實采摘機器人末端執(zhí)行器研制

楊文亮，馮 虎，韓亞麗，徐有峰

(南京工程學院 工業(yè)中心，南京 211100)

0 引言

通常，末端執(zhí)行器(機器人的手部)安裝在機械臂末端腕部關(guān)節(jié)接口法蘭上，由機械臂引領(lǐng)共同完成對目標的作業(yè)任務(wù)。其中，機械臂各連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量決定了末端執(zhí)行器的作業(yè)位置和姿態(tài)，而末端執(zhí)行器本身的工作能力直接影響到作業(yè)的效率與成功率。

近年來，農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域的自動化收獲技術(shù)已成為研究熱點，果實采摘機器人的相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)外已取得了不少成果[1-8]，但大部分實用化和商品化程度較差。其主要原因在于對末端執(zhí)行器的研制要求較高，包括：①末端執(zhí)行器在進行采摘的過程中不能損傷水果；②采摘效率和采摘成功率高；③末端執(zhí)行器的成本要低，廣大用戶能夠接受；④在保證智能化的同時降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，利于農(nóng)民操作和機器人整機采摘過程的控制；⑤要求機構(gòu)在保證精巧(提高避障能力)的同時，其可靠性、強度要高；⑥提高通用性，即一種末端執(zhí)行器能采摘多種水果。

直至目前，實現(xiàn)采摘的方式主要有兩種：第一種是設(shè)計相應(yīng)機構(gòu)先對果實進行夾持抓牢，再利用腕關(guān)節(jié)的兩個垂直方向上的轉(zhuǎn)動來模擬人掰擰果柄的動作。其作業(yè)的對象要求果柄易于與果枝分離，同時需要嚴格控制好夾持果實的力的大小，否則極易損傷果實。第二種是利用吸盤將果實吸牢，并將其拖入夾持手指之間，再利用剪刀或其他方式將果柄打斷。這種方法需要檢測好果柄的位置，并要精確地調(diào)整好末端執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增加了系統(tǒng)控制的難度和機構(gòu)的復(fù)雜性。

1 總體方案設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

果實的生物學特性、栽培方式和管理方法等因素是采摘機器人末端執(zhí)行器方案設(shè)計的依據(jù)和前提。以陜北洛川規(guī)范種植的紅富士蘋果為例[9]，果園內(nèi)行間通常留出作業(yè)通道，易于管理果樹，果園相應(yīng)參數(shù)如下：

行間距/m：4.0～4.6

行內(nèi)株距/m：3.3～3.8

成熟蘋果，果體直徑/mm：80～100

單體果實質(zhì)量/kg：0.12～0.20

采摘作業(yè)具有對象柔嫩性、環(huán)境不規(guī)則性等特點，對末端執(zhí)行器的設(shè)計提出了比較高的要求，增加了設(shè)計難度。為保證采摘的成功率和可靠性，在前期實驗的基礎(chǔ)上[10],本末端執(zhí)行器提出以下幾點主體設(shè)計思路：

1)擬采用氣壓驅(qū)動為末端執(zhí)行器的動力源，通過計算相應(yīng)氣缸缸徑的大小和調(diào)節(jié)氣動回路的工作壓力方便對應(yīng)末端執(zhí)行器采摘動作的作用力，通過選型氣缸行程和具體傳動結(jié)構(gòu)來對應(yīng)末端執(zhí)行器的采摘動作幅度。這樣，氣壓驅(qū)動在原理上簡潔清晰，具體實施方式上也方便快捷。

2)執(zhí)行方式上擬采用比相對動作掰擰更可靠的刀割斷果柄的方式，實現(xiàn)果體與母樹的分離。

3)作為刀割斷果柄的前置處理，擬采用兩球型內(nèi)凹手指實現(xiàn)對果實的夾持，內(nèi)部粘附有軟體橡膠緩沖。

4)具體的割斷果柄的方式為割刀繞一側(cè)手指外廓進行近1周的快速旋轉(zhuǎn)，可切斷相對末端執(zhí)行器不同方位的果柄，省掉了判斷果柄位置的裝置。

5)在兩指夾持方式上采用雙齒條單齒輪傳動機構(gòu)實現(xiàn)直線平移的果實夾持，結(jié)構(gòu)簡潔，且可以保證在夾放果實的過程中，檢測果實有無對射光電開關(guān)保持對準。

6)旋轉(zhuǎn)刀片的驅(qū)動源應(yīng)放置在末端執(zhí)行器后側(cè)，以減輕末端執(zhí)行器相對于基座的偏重負載力矩以提高末端執(zhí)行器避障能力。

7)采用同步齒形輪齒形帶完成刀割動作的傳動。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于前述設(shè)計思路，提出了一種基于氣壓驅(qū)動的球狀果實采摘機器人末端執(zhí)行器。其主要由氣動平移夾持組件、氣動旋轉(zhuǎn)割刀組件兩部分組成，如圖1所示。

1.基板 2.機械臂連接板 3.氣缸支架 4.雙作用氣缸I 5.后齒條 6.氣缸頂片 7.齒輪 8.后齒條連接板 9.平鍵 10.齒輪軸 11.雙作用氣缸II 12.前齒條 13.前齒條連接板 14.前加強板 15.右手指架板 16.右手指 17.手指橡膠層 18.壓刀片 19.刀片 20.緊定螺釘 21.左手指 22.刀架折彎板 23.刀架連接板 24.內(nèi)六角螺釘 25.十字槽螺釘 26.前圓弧齒同步輪 27.圓弧齒同步帶 28.同步帶張緊軸 29.張緊輪 30.直線導(dǎo)軌 31.左手指架板 32.同步帶連接板 33.同步帶壓塊 34.后圓弧齒同步輪 35.后同步輪軸 36.直線滑塊 37.氣缸頂塊圖1 球狀果實采摘機器人末端執(zhí)行器總體結(jié)構(gòu)方案圖Fig.1 Sketch of the overall structure of the end effector of a spherical fruit-picking robot

工作時，氣動平移夾持組件完成抓牢果實和釋放果實的動作；氣動轉(zhuǎn)刀組件利用刀片繞一側(cè)手指外周旋轉(zhuǎn)切割位于手指周向上任意位置的果柄。

2 結(jié)構(gòu)及原理

2.1 氣動平移夾持組件

氣動平移夾持組件由基板、雙作用氣缸I、氣缸頂片、后齒條連接板、后齒條、前齒條、前齒條連接板、前加強板、右手指架板、右手指及后加強板、左手指架板、左手指和手指橡膠層組成，如圖1所示。其中，雙作用氣缸I通過氣缸支架安裝在基板上；雙作用氣缸I的活塞桿與氣缸頂片采用螺母旋緊固定聯(lián)接；后加強板、左手指架板、左手指、氣缸頂片、后齒條連接板、后齒條通過螺紋緊固為一整體構(gòu)件；前齒條、前齒條連接板、前加強板、右手指架板與右手指通過螺紋緊固為另一整體構(gòu)件。

設(shè)計的左手指與右手指的形狀為球凹形，在左、右手指內(nèi)側(cè)的球凹面上膠接固定有手指橡膠層，起夾緊緩沖避免損傷果實的作用；前齒條與后齒條通過齒輪聯(lián)接，齒輪內(nèi)部設(shè)置有相嚙合的齒輪軸，齒輪與齒輪軸之間設(shè)置有平鍵進行聯(lián)接?；迳线€設(shè)置有軸承座，軸承座內(nèi)部設(shè)置有兩個深溝球軸承，用來平穩(wěn)支撐齒輪軸的轉(zhuǎn)動。

基板上固定設(shè)置有機械臂連接板，其上開有與機械臂腕部聯(lián)接的螺紋孔及螺紋間隙孔，方便后期末端執(zhí)行器與機械臂的對接組裝。

2.2 氣動旋轉(zhuǎn)割刀組件

氣動旋轉(zhuǎn)割刀組件包括雙作用氣缸II、氣缸頂塊、同步帶連接板、直線滑塊、直線導(dǎo)軌、同步帶壓塊、 圓弧齒同步帶、前圓弧齒同步輪、后圓弧齒同步輪、后同步輪軸、同步帶張緊軸、張緊輪、刀架連接板、刀架折彎板、刀片及壓刀片。

設(shè)計的雙作用氣缸II固定設(shè)置于后齒條連接板上，其活塞桿通過旋緊螺母與氣缸頂塊固定聯(lián)接，氣缸頂塊、同步帶連接板與直線滑塊通過螺紋固定連接在一起，后同步輪軸與同步帶張緊軸分別固定設(shè)置在左手指架板上。

其中，同步帶壓塊與同步帶連接板通過連接螺釘進行連接；通過旋緊同步帶壓塊與同步帶連接板的連接螺釘將圓弧齒同步帶壓牢，防止圓弧齒同步帶相對同步帶連接板打滑；前圓弧齒同步輪通過十字槽螺釘與刀架連接板固定聯(lián)接，刀架折彎板上開有長條孔，使得其與刀架連接板的相互重疊連接長度可調(diào)，即刀片的旋轉(zhuǎn)半徑可調(diào)，這樣在一定程度上擴大了采摘果實大小的范圍。

壓刀片采用十字槽螺釘固定設(shè)置在刀架折彎板上，壓刀片通過兩排緊定螺釘將刀片壓緊在刀架折彎板上，刀片包括一前一后兩片刀片。

3 氣壓驅(qū)動分析

本末端執(zhí)行器的夾持果實及切斷果柄動作均采用氣壓驅(qū)動(見圖2)，其具有兩個優(yōu)點：

1)氣動夾持力及夾持范圍控制簡便。果實夾持力要求可靠且避免夾傷果實，國內(nèi)外成果較多[11-13]，多數(shù)采用力及力矩傳感器控制夾持力。本末端執(zhí)行器氣壓驅(qū)動可根據(jù)采摘對象的生物物理特性，通過選定氣缸的缸徑及調(diào)節(jié)工作氣壓，結(jié)合手指夾持緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計，保證夾持力滿足要求。另外，直接通過選定氣缸行程即可對應(yīng)要求的手指開閉范圍，相比電機驅(qū)動省掉了行程開關(guān)及換向控制，使其動作控制更加簡便。

1.蘋果 2.左手指 3.右手指 4.前齒條 5.齒輪 6.后齒條 7.雙作用氣缸I圖2 氣動夾持傳動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pneumatic clamping transmission

如圖2所示，雙作用氣缸I直接驅(qū)動后齒條，經(jīng)齒輪及前齒條傳動，最終保證左手指與右手指夾持蘋果。當保證夾持力為Fj=50N時，設(shè)定雙作用氣缸I的工作氣壓為Pj=0.15MPa,雙作用氣缸I的缸徑Dj應(yīng)滿足如下關(guān)系式，即

考慮傳動摩擦及效率的影響，最終可選雙作用氣缸I的缸徑為16mm。另外，兩手指開閉距離Sj由氣缸行程Lj設(shè)定，即

Sj=2Lj

2)氣動切斷力設(shè)定可靠簡便。以刀片切斷果柄完成果實與母體的分離是目前廣泛采用的方法[14-15]。本末端執(zhí)行器采用氣壓驅(qū)動刀片繞一側(cè)手指外廓旋轉(zhuǎn)完成對果柄切斷，這個過程中刀片的切斷力可由相應(yīng)氣缸的缸徑選型、同步輪節(jié)徑及工作氣壓來保證，刀片旋轉(zhuǎn)角度可由氣缸行程與同步輪節(jié)徑來確定，刀片旋轉(zhuǎn)線速度可以由氣動系統(tǒng)節(jié)流閥控制調(diào)節(jié)，如圖3所示。所以，氣壓驅(qū)動可以根據(jù)不同采摘對象提供相應(yīng)可靠的切斷力，同時省掉了檢測刀片旋轉(zhuǎn)角度的限位開關(guān)，降低了成本。

1.刀架折彎板 2.前圓弧齒同步輪 3.圓弧齒同步帶 4.雙作用氣缸II圖3 氣動切斷傳動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of pneumatic cut off transmission

雙作用氣缸II活塞桿的直線伸縮經(jīng)圓弧齒同步帶和前圓弧齒同步輪的傳動，轉(zhuǎn)化為刀架折彎板的轉(zhuǎn)動。其中，前圓弧齒同步輪節(jié)圓直徑D1=40mm,刀片回轉(zhuǎn)直徑D2=140mm。當?shù)镀砸欢ǖ木€速度Vq動作時，切斷力Fq的大小決定了切斷果梗的成功率。例如，為保證切斷力Fq=30N,設(shè)定雙作用氣缸II的工作氣壓為Pq=0.15MPa,雙作用氣缸II的缸徑Dq應(yīng)滿足如下關(guān)系式，即

考慮傳動摩擦及效率的影響，最終可選雙作用氣缸II的缸徑為16mm。刀片旋轉(zhuǎn)角度范圍Δθ可由雙作用氣缸II的行程Lq設(shè)定，即

4 樣機結(jié)構(gòu)工藝性、標準化分析

為了便于樣機零件的制造、裝配，提高樣機的經(jīng)濟性，樣機設(shè)計階段在滿足功能要求的前提下應(yīng)特別注重提高零件結(jié)構(gòu)工藝性及標準化。具體體現(xiàn)在以下兩點：

1)自制件結(jié)構(gòu)工藝性好，零件易于通用機床加工。樣機加工件從工藝角度基本分為車床類、銑床類和鈑金類零件，均為常見的加工方式且做到了結(jié)構(gòu)簡單，避免了以往樣機部分異型件工藝難度大的問題，如設(shè)計的左手指與右手指的形狀為球凹形，以往設(shè)計的此類手指均為異型件[16-17]。本樣機的手指設(shè)計成易于車床加工的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 手指結(jié)構(gòu)Fig.4 Finger structure

2)外購件標準化，選用常用元器件及材料。樣機選用的漸開線標準齒輪齒條機構(gòu)、圓弧齒同步輪同步帶傳動方案、直線導(dǎo)軌導(dǎo)塊、深溝球軸承、標準氣缸及國標內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)染鶠槌Ｓ眉?，成本低，采購方便。零件結(jié)構(gòu)材料多選用鋁合金(牌號：2024),既保證了結(jié)構(gòu)強度，又實現(xiàn)了輕型化,實測樣機質(zhì)量僅為1.2kg。

5 采摘試驗分析

試制的末端執(zhí)行器樣機與采摘機械臂聯(lián)機安裝，以蘋果為采摘對象，進行了在實驗室內(nèi)的采摘蘋果試驗，如圖5所示。

(a)

(b)圖5 采摘蘋果試驗Fig.5 Picking apples

試驗中選用靜音氣泵配兩位五通電磁換向閥為氣缸供氣，調(diào)節(jié)工作氣壓為0.5～2.5bar，切割平均角度代表切割果梗時蘋果自身轉(zhuǎn)動的角度，即定義蘋果初始狀態(tài)時，果梗為豎直狀態(tài)(角度為0o)，此參數(shù)可間接衡量末端執(zhí)行器夾持果實的牢度性。割斷成功率代表在旋轉(zhuǎn)刀片的作用下，果梗被切斷的概率。采摘平均時間表達的是對于末端執(zhí)行器自身采摘一個蘋果對應(yīng)的平均工作時間，機械臂視覺定位及機械臂運動時間不計入在內(nèi)。完好率是考察蘋果在采摘完成后，果皮有無損傷、果樹有無被破壞及末端執(zhí)行器有無損壞等。

表1 末端執(zhí)行器采摘性能試驗結(jié)果Table 1 Terminal actuator picking performance test results

試驗中，通過調(diào)節(jié)氣動回路的減壓閥，分別設(shè)定5檔工作氣壓,如表1所示。每檔采摘樣本個數(shù)為10，當工作氣壓為0.5、1.0bar時，由于氣壓相對較低，夾持力不足，導(dǎo)致在切割過程中，果梗相對的刀片的阻力不足，這樣刀片會帶著果梗使蘋果在兩指中轉(zhuǎn)動比較大的平均角度(80°、120°)。其中，個別韌性較強的果枝果梗樣本，刀片割斷成功率低，即刀片帶著蘋果轉(zhuǎn)到極限切割角度，果梗仍未被切斷。而當工作氣壓調(diào)大到2.5bar時，兩指雖然可以夾牢果實，但由于工作壓力大，個別果實表面會有輕微損傷，同時末端執(zhí)行器整體會出現(xiàn)明顯振動。試驗結(jié)果表明：設(shè)定工作氣壓為2.0bar 時，末端執(zhí)行器的工作性能最佳。

6 結(jié)論

1)全部動力來自氣壓驅(qū)動，元器件質(zhì)量輕，無污染，動作迅速，動作幅度與作用力均方便選型與設(shè)定，與手指內(nèi)側(cè)橡膠彈性層配合，可省掉多種成本較高的力傳感器和控制刀片旋轉(zhuǎn)角度的行程位置開關(guān)，簡化了控制結(jié)構(gòu)，降低了成本和控制難度。

2)兩手指直線的開合運動方式與兩手指轉(zhuǎn)動開合方式相比，結(jié)構(gòu)上更加可靠，保證了刀片在此開合過程中不與手指相碰。

3)無需判斷檢測果柄與末端執(zhí)行器的相對位置，只要果實進入兩指之中，待兩手指抱緊后，通過旋轉(zhuǎn)刀片即可將果柄割斷。

4)結(jié)構(gòu)強度高，工藝性較好，成本低，控制方便。

5)通用性強，不僅可以采摘蘋果，也可采摘多種類球狀的果實。

果蔬采摘機器人是未來機器人發(fā)展的重要方向。目前，末端執(zhí)行器在采摘成功率、采摘效率、制造成本、通用性方面是其實用化和商業(yè)化推廣的較大阻礙，本文提出的樣機方案與結(jié)構(gòu)原理即是在以上方面做出的積極探索。在此基礎(chǔ)上，提高其智能化水平、結(jié)構(gòu)緊湊性和研究更優(yōu)的采摘方式是今后繼續(xù)改進的方向。