基于氣壓傳動(dòng)的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

趙竹

摘 要：隨著我國蘋果種植規(guī)?；陌l(fā)展，蘋果采摘機(jī)器人成為蘋果機(jī)械化生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的一環(huán)。本文以蘋果為采摘對(duì)象，研究蘋果的物理性質(zhì)，分析蘋果采摘末端執(zhí)行器組成和工作原理，結(jié)合當(dāng)前蘋果采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)存在的不足，設(shè)計(jì)一款基于氣壓傳動(dòng)原理的蘋果采摘末端執(zhí)行器。

關(guān)鍵詞：氣壓傳動(dòng);蘋果采摘;末端執(zhí)行器

Design of end-Effector of Apple Picking Robot based on pneumatic transmission

Zhao Zhu

Liaoning Agricultural Technical College LiaoningYingKou 115009

Abstract：With the large-scale development of apple planting in China，apple picking robot has become the most important link in the mechanization of apple production.Taking apples as the picking object，this paper studies the physical properties of apples，analyzes the composition and working principle of the apple-picking end-effector，and designs an apple-picking end-effector based on the pneumatic transmission principle in combination with the deficiencies of the current apple-picking end-effector structure.

Key words：Pneumatic transmission;Apple picking;End-Effector

我國是世界最大的蘋果種植國，產(chǎn)量和面積均占世界50%以上。隨著蘋果種植規(guī)?；蜋C(jī)械化的發(fā)展，蘋果采摘機(jī)器人成為蘋果機(jī)械化生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要一環(huán)。蘋果采摘機(jī)器人最重要部位為末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器直接關(guān)系采摘質(zhì)量，是整個(gè)蘋果采摘機(jī)器人研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。一些西方發(fā)達(dá)國家在蘋果采摘機(jī)器人方面研究起步早，設(shè)計(jì)出多款末端執(zhí)行器，但采摘效果不理想[1]。我國對(duì)蘋果采摘機(jī)器人研究起步晚，在末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方面存在很多不足。隨著我國蘋果規(guī)模化種植的發(fā)展，蘋果采摘機(jī)器人需求越加強(qiáng)烈，設(shè)計(jì)合理高效的末端執(zhí)行器具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 采摘蘋果的物理特性分析

蘋果的物理特性是末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的依據(jù)[2]。機(jī)器人采摘蘋果時(shí)，手指夾持力要適宜，所施加的夾持力既不能損傷果實(shí)又要保證果實(shí)不掉落，這就需要事先對(duì)采摘對(duì)象蘋果的基本物理特性和力學(xué)特性進(jìn)行充分研究。

1.1 基本物理特性

根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T439-2001《蘋果外觀等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，按照蘋果主要品種單果重等級(jí)要求劃分為特等果、一等果和二等果，規(guī)格劃分如下表所示;國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10651-2008《鮮蘋果》規(guī)定，蘋果直徑≥60mm為一等果，直徑≥55mm為二等果。

1.2 力學(xué)特性

在利用末端執(zhí)行器進(jìn)行蘋果夾持采摘作用時(shí)，蘋果所受力學(xué)特性的相關(guān)性對(duì)作業(yè)效果影響最大。

（1）壓縮、拉伸、剪切特性。蘋果采摘過程，末端執(zhí)行器對(duì)蘋果枝條做功，施加壓縮、拉伸和彎曲三種應(yīng)力，三種應(yīng)力不是單純存在，是綜合作用。有研究學(xué)者對(duì)蘋果樹枝所能承受的綜合型應(yīng)力進(jìn)行研究，西北農(nóng)林科技大學(xué)全朋坤在蘋果成熟季樹枝力學(xué)綜合應(yīng)力研究、蘋果樹枝的力學(xué)試驗(yàn)與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的聯(lián)系等文章中，通過試驗(yàn)找到蘋果樹枝能承受破壞的閥值，從蘋果樹枝抗壓最大彈性強(qiáng)度為261394MPa，屈服階段強(qiáng)度為8.57399MPa，彈性模量為13777546MPa，樹枝抗拉最大彈性強(qiáng)度為655138MPa，屈服階段強(qiáng)度為846630MPa，彈性模量為8168531MPa，樹枝的彈性彎曲正應(yīng)力為76.02595MPa[3]。

（2）黏彈性特性。我們把蘋果作為同時(shí)具有彈性和黏性兩種特性的黏彈性體處理，先在農(nóng)產(chǎn)品上施加一定負(fù)荷，變形量會(huì)隨著時(shí)間增加而增加，這種現(xiàn)象稱為蠕變。

四要素模型用式子表示時(shí)刻t的變形：

（3）摩擦特性。為使末端執(zhí)行器能適當(dāng)?shù)貖A持蘋果，需掌握蘋果的摩擦因數(shù)。通常采用傾斜法測(cè)定摩擦因數(shù)及滾動(dòng)穩(wěn)定角。查閱資料發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)在0.3～0.9范圍內(nèi)變化，具體數(shù)值與表面粗糙度有關(guān);靜態(tài)穩(wěn)定角在11°～18°;動(dòng)態(tài)穩(wěn)定角在2.5°～5°，具有與靜態(tài)穩(wěn)定角相反的傾向。

此外，蘋果電氣特性和其他特性對(duì)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)均有影響，有效利用蘋果的特性，可實(shí)現(xiàn)蘋果采摘機(jī)器末端執(zhí)行器的高效設(shè)計(jì)。

2 蘋果采摘末端執(zhí)行器組成和工作原理

蘋果采摘機(jī)器人主要通過各種傳感器檢測(cè)蘋果位置，利用自動(dòng)控制技術(shù)控制末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)空間移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作，完成對(duì)檢測(cè)出蘋果果實(shí)的采摘。蘋果采摘末端執(zhí)行器作為采摘機(jī)器人的重要組成部分，由夾持機(jī)構(gòu)（或吸引機(jī)構(gòu)）、切割機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置、控制裝置及傳動(dòng)裝置組成。工作方式主要有兩種：第一種方式是模仿人類采摘?jiǎng)幼?。末端?zhí)行器上設(shè)計(jì)夾持機(jī)構(gòu)，利用夾持機(jī)構(gòu)對(duì)果實(shí)進(jìn)行夾持，再利用腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬人掰擰果柄的動(dòng)作或利用切斷機(jī)構(gòu)對(duì)果柄切斷（或者燒斷）[4]。這即需要控制適宜的夾持力又需要控制適宜的切斷力。第二種方式是利用吸引力將蘋果吸入末端執(zhí)行器中，再利用切斷機(jī)構(gòu)或其他方式將果柄打斷（燒斷）。這種機(jī)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以吸收并消除末端執(zhí)行器和果實(shí)的位置偏移。

夾持機(jī)構(gòu)分為手指以支點(diǎn)為中心開閉型、手指平行開閉型、多指機(jī)械手型以及SMA型。手指以支點(diǎn)為中心開閉型，如圖1所示，這種機(jī)構(gòu)類似剪刀一樣，由前后直線運(yùn)動(dòng)的推桿和手指、連桿構(gòu)成，推桿的直線運(yùn)動(dòng)通過連桿傳遞到手指，手指以支點(diǎn)為中心開閉，手指開閉時(shí)前端運(yùn)動(dòng)軌跡為弧形;手指平行開閉型，是相對(duì)按照的手指保持平行狀態(tài)進(jìn)行開閉動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，常采用平行連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或者是齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu);多指機(jī)械手是包含三個(gè)以上手指的末端執(zhí)行器;SMA型是形狀記憶合金，接通電流就可以自動(dòng)變形和運(yùn)動(dòng)。

切斷機(jī)構(gòu)通常采用刀片進(jìn)行切割，也有在電級(jí)上施加高頻高壓電，利用熱能來燒斷果梗，這種方式可以控制水分蒸發(fā)與染病。

3 蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 蘋果采摘末端執(zhí)行器夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)蘋果采摘機(jī)器的末端執(zhí)行器是采用夾持和切割方式。夾持裝置首先將蘋果夾持，然后切割裝置對(duì)果柄進(jìn)行切割，待切割裝置完成切割動(dòng)作后，夾持裝置將蘋果放入指定位置，夾持裝置和切割裝置運(yùn)動(dòng)由氣壓傳動(dòng)裝置提供。末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，是一種氣壓驅(qū)動(dòng)的三爪式夾持機(jī)構(gòu)。夾持機(jī)構(gòu)主要由三個(gè)采摘爪、三組搖臂以及氣缸組成，當(dāng)氣缸活塞向左移動(dòng)時(shí)，三個(gè)采摘爪呈閉合趨勢(shì);當(dāng)氣缸活塞向右側(cè)移動(dòng)時(shí)，三個(gè)采摘爪則打開。采摘蘋果時(shí)，采摘爪能夠根據(jù)蘋果重量及大小自由調(diào)節(jié)，保證采摘爪夾持在蘋果的關(guān)鍵部位，保證夾持力度恰當(dāng)。在實(shí)際使用時(shí)，還可在采摘爪上套柔性海綿材料和橡膠套，保證采摘爪有足夠緩沖，并保證足夠的抓取摩擦力。

3.2 蘋果采摘末端執(zhí)行器切斷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

人工采摘蘋果時(shí)，果柄需盡可能剪短保證蘋果裝箱后，果柄不會(huì)損傷相接觸處蘋果的果皮，便于保存和運(yùn)輸，在以往的切割裝置設(shè)計(jì)中，對(duì)這一要素考慮較少。切割力大小要適宜，如果切割力太大會(huì)增加末端執(zhí)行器的重量和尺寸，對(duì)蘋果采摘機(jī)器整體造成不必要的負(fù)擔(dān);如果切割力太小，不能順利切斷果柄，無法完成切割任務(wù)[5]。因此必須根據(jù)蘋果果柄的物理特性，測(cè)定果梗切斷阻力，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)切斷機(jī)構(gòu)。本文中的切斷機(jī)構(gòu)采用刀片式結(jié)構(gòu)，分為動(dòng)刀片、靜刀片及氣缸等部分組成，動(dòng)刀片和靜刀片采用窄式加長設(shè)計(jì)，可以有效插入蘋果果梗有效作業(yè)區(qū)域，避免對(duì)其他關(guān)聯(lián)枝條的影響。蘋果采摘末端執(zhí)行器受機(jī)器視覺和機(jī)械手臂影響很大。機(jī)器視覺檢測(cè)位置會(huì)存在誤差，影響末端執(zhí)行器的工作。機(jī)械手臂在伸縮、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)位移偏差，也會(huì)影響末端執(zhí)行器的最終作業(yè)效果，所以蘋果采摘末端執(zhí)行器要具備對(duì)于機(jī)器視覺和機(jī)械手臂等機(jī)構(gòu)誤差的魯棒性。

4 結(jié)論

蘋果采摘機(jī)器人是未來果園機(jī)械化作用中重要一環(huán)，研究末端執(zhí)行器提高采摘效率具有現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)采摘對(duì)象蘋果的基礎(chǔ)物理特性、力學(xué)特性和其他特性進(jìn)行研究分析，提出一種基于氣壓傳動(dòng)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，探索更加優(yōu)化的采摘方式和結(jié)構(gòu)是今后的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建偉，陳艷艷.蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的原理及試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（09）：139-142.

[2]喬海龍，李衛(wèi)國，王利利.基于TRIZ理論的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2016（09）：113+115.

[3]全朋坤，等.蘋果成熟季樹枝力學(xué)綜合應(yīng)力研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（21）：17-18.

[4]楊文亮，等.基于氣壓驅(qū)動(dòng)的球狀果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研制[J].農(nóng)機(jī)化研究，2019，41（11）：149-154.

[5]近藤直.農(nóng)業(yè)機(jī)器人[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2009.