一種三自由度采摘機械爪設計

王 勇 張新景 史穎剛

（西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院，陜西 咸陽 712100）

鮮食番茄具有巨大的需求量和產(chǎn)量，人工采摘效率低下和人工采摘成本極大影響著鮮食番茄的市場價值［1，2］，用于深加工的番茄采摘已經(jīng)實現(xiàn)了機械化，而用于鮮食的番茄由于采摘難度大仍未實現(xiàn)機械化。番茄采摘機器人的研究與應用，一方面可以提高采摘效率，避免由于采摘不及時導致番茄腐爛；另一方面可以減少番茄采摘過程中人工的參與，進而降低番茄生產(chǎn)成本［3，4］。機械爪采摘時與番茄直接接觸，是采摘機器人實現(xiàn)番茄采摘的關鍵末端執(zhí)行部分，因此直接影響著鮮食番茄果實表面品質(zhì)。本文主要基于農(nóng)業(yè)機器人技術，針對標準化溫室番茄采摘自動化問題，設計一種三自由度采摘機械爪。

1 鰭條效應原理

鰭條效應［5］是生物學家Leif Kniese在捕魚時發(fā)現(xiàn)的，魚鰭由2個排列成“V”形的骨頭和其間的結締組織構成，拉動“V”的一側會導致魚鰭變形，如圖1所示。當魚鰭的一側受到外力作用，該力導致結構的側面彎曲，使得基部和尖部朝施加的載荷方向彎曲。由于鰭條效應的效果可擴展，且功能多樣性，被廣泛應用在各種夾具上。本文基于鰭條效應，設計了一種三自由度采摘機械爪。

圖1 鰭條效應示意圖

2 機械結構設計

Whitney等基于鰭條效應設計了一個兩自由度柔性手爪，通過2個伺服電機，將手爪向下推到一起，夾取效果良好，但夾取速度較慢［6］。故本文基于鰭條效應，設計三自由度機械爪，結構簡圖如圖2所示，每個關節(jié)由舵機直接控制，提升抓取速度。

圖2 三指采摘機械爪結構簡圖

采摘機械爪三維圖如圖3所示，包括鰭條效應器、鰭條效應器支架、雙軸舵機和手掌，雙軸舵機通過舵盤與效應器支架固連，鰭條效應器安裝在支架的溝槽內(nèi)。該鰭條效應器主要由2個一端固定在一起的縱向邊緣纖維骨架和位于兩主骨架間的小橫向纖維組成?？v向骨架和橫向骨架間通過柔性連接，以保證他們之間可以相互移動。該結構簡單、質(zhì)量輕且強度大，能自適應所抓物體的外形。為了采摘番茄等類圓形，同時使機械手作業(yè)時對果蔬的損傷降至最低，鰭條效應器采用TPU柔性材料，利用3D打印技術完成制作。

圖3 采摘機械爪三維圖

采摘機械爪采用3個數(shù)字舵機，選用LOBOT生產(chǎn)的LD—220MG數(shù)字舵機，其采用PWM脈寬調(diào)節(jié)角度，周期20 ms，占空比0.5～2.5 ms的脈寬電平對應舵機0°～180°，且呈線性關系，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 LD—220MG數(shù)字舵機性能參數(shù)

3 運動控制系統(tǒng)

通過單片機的定時器的精準定時及GPIO可以實現(xiàn)舵機的控制，但是3個舵機均用單片機控制會占用較多的單片機資源，增加設計難度。因此，本文采用LSC—16舵機控制器，利用上位機調(diào)試舵機轉動速度和角度，控制舵機按照預先調(diào)試好的動作組運行。舵機控制器采用串口通信，通信參數(shù)為波特率9600，停止位1位，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗位。其接受數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)幀格式

該舵機可采用2種控制方式，在單舵機控制模式時，Prm1，需控制舵機的個數(shù)；Prm2，時間低八位；Prm3，時間高八位；Prm4，舵機ID；Prm5，角度低八位；Prm6，角度高八位。

本文采用動作組控制模式，Prm1，要運行的動作組的編號；Prm2，動作組要運行的次數(shù)低八位；Prm3，動作組要運行的次數(shù)高八位。本文需使用舵機控制器實現(xiàn)2個動作組的運行，但考慮到程序的可擴展性，設計舵機控制程序，可調(diào)用3個動作組，其控制程序流程如圖4所示。首先，創(chuàng)立3個長度為8的一維數(shù)組，分別配置3個數(shù)組為調(diào)用動作組1、2、3的指令。然后，進入條件選擇語句，串口發(fā)送相對應的數(shù)組數(shù)據(jù)。

4 結語

根據(jù)溫室大棚番茄采摘的實際需要，筆者搭建了采摘機械爪樣機，如圖5所示。作業(yè)時，舵機帶動機械爪的開閉，當機械爪閉合時若繼續(xù)受到驅動力，鰭條效應器即會內(nèi)收形成包絡面，實現(xiàn)對番茄的包絡抓取。通過對舵機轉動速度和角度的控制以及鰭條效應器柔軟的材料可有效減小果蔬所受壓力，降低了番茄損傷率。本文所設計的機械爪基本能完成采摘任務，但由于時間、實驗設備等方面的限制，還需要對采摘機械爪進行進一步研究、設計及優(yōu)化。

圖4 舵機動作組控制程序流程圖

圖5 采摘機械爪樣機