基于氣動(dòng)無損夾持控制的番茄采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳子文，楊明金，李云伍，楊 玲

（西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

0 引言

果蔬采摘收獲是果蔬生產(chǎn)過程中最費(fèi)時(shí)和費(fèi)力的環(huán)節(jié)[1-2]，約占整個(gè)作業(yè)過程作業(yè)量的40%[3]。在自動(dòng)化采摘過程中，采收質(zhì)量的好壞直接影響果蔬的存儲(chǔ)、加工和銷售，與經(jīng)濟(jì)利益直接相關(guān)，加上果實(shí)生長具有隨機(jī)性，采摘環(huán)境對(duì)機(jī)械化來說具有非結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[4]，因此設(shè)計(jì)適合特定果實(shí)的采收器，并實(shí)現(xiàn)無損采摘是目前果蔬自動(dòng)化采收重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同果蔬的生長特點(diǎn)和果實(shí)特征，設(shè)計(jì)了專用采摘執(zhí)行器。高自成等[5]設(shè)計(jì)了一款操作簡單不傷果實(shí)的手動(dòng)背負(fù)式梨采摘器，平均剪切輸出為13.5 N，試驗(yàn)表明較人工采摘效率提高57.1%。徐麗明等[6]基于欠驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一種V型手指臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，結(jié)合電阻式薄膜壓力傳感器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定無損采摘，試驗(yàn)表明單果采摘時(shí)間為1.76 s，采摘成功率為94.28%且無損傷。王毅等[7]模擬蛇嘴咬合動(dòng)作，設(shè)計(jì)了一款柑橘采摘末端執(zhí)行器，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接對(duì)果柄進(jìn)行夾持和剪切，降低末端執(zhí)行器直接夾持對(duì)果實(shí)造成的損傷，室外試驗(yàn)表明采摘成功率為87.5%。同時(shí)針對(duì)荔枝[8]、獼猴桃[9]、葡萄[10]、菊花[11]、藍(lán)莓[12]、蘋果[13]、番茄[14-15]及青椒[16-17]等作物，研究人員均研發(fā)了相應(yīng)可滿足作業(yè)要求的采摘執(zhí)行器。

同時(shí)為降低果實(shí)采收過程中的損傷，針對(duì)無損采摘，研究人員主要從3個(gè)方面進(jìn)行研究。第一，果實(shí)擠壓損傷機(jī)理的研究，主要通過對(duì)果蔬壓縮特性建模和仿真。姬偉等[18]建立蘋果3層實(shí)體力學(xué)模型，通過ANSYS分析獲得節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖，結(jié)果顯示最大應(yīng)力在果皮處。劉繼展等[19-20]采用試驗(yàn)方法建立番茄果實(shí)和果柄的力學(xué)模型，為無損采摘提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第二，無損算控制算法研究。其中包括基于跟蹤阻抗[21]、灰色預(yù)測(cè)的增量式比例積分[22]、速度同步控制原理[23]、自適應(yīng)模糊網(wǎng)絡(luò)[24]及廣義比例積分GPI[25]的抓取力控制等算法。第三，柔性無損機(jī)構(gòu)研究。苗玉彬等[26]通過對(duì)無損采摘需要的柔順恒力特性進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)了一款蘋果柔順機(jī)構(gòu)，抓取完好率為95%。同時(shí)研究者還將以氣壓和線纜作為驅(qū)動(dòng)的軟體手應(yīng)用于果蔬無損采摘中[27-28]。

大部分研究者均以電動(dòng)作為末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，通過將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化機(jī)械爪的閉合運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的夾持和夾持力控制，相比電驅(qū)，氣動(dòng)系統(tǒng)通過改變系統(tǒng)壓力，可更容易實(shí)現(xiàn)輸出力的連續(xù)調(diào)節(jié)，且由于氣體具有一定的壓縮性，可提高末端執(zhí)行器的緩沖和保護(hù)效果。因此本文針對(duì)類球形果實(shí)，設(shè)計(jì)了一款空間多連桿三爪氣動(dòng)無損夾持采摘末端執(zhí)行器。通過創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，將果實(shí)回拉和夾持兩個(gè)運(yùn)動(dòng)通過一個(gè)主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)順序動(dòng)作，同時(shí)設(shè)計(jì)并搭建基于夾持壓力反饋的氣動(dòng)伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出基于動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)上升節(jié)點(diǎn)的果實(shí)滑移判據(jù)和無損采摘算法，并通過番茄采摘田間試驗(yàn)對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1 末端執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器用于類球形果實(shí)的采收，通過吸附、回拉、夾持、扭轉(zhuǎn)4步動(dòng)作實(shí)現(xiàn)擬人單手采摘過程，末端執(zhí)行器搭載于基于雙目立體視覺的采摘機(jī)器人上，通過雙目視覺果實(shí)空間定位，引導(dǎo)末端執(zhí)行器對(duì)靶果實(shí)，真空吸盤吸附果實(shí)并回拉直果柄，空間夾持爪閉合完成果實(shí)夾持，隨后通過扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)果實(shí)和果柄分離。末端執(zhí)行器由吸持回拉機(jī)構(gòu)、果實(shí)夾持機(jī)構(gòu)、果柄分離機(jī)構(gòu)組成，吸持回拉機(jī)構(gòu)作為果實(shí)采摘的輔助裝置，可實(shí)現(xiàn)果實(shí)的位置誤差補(bǔ)償和輔助定位[29]。果實(shí)夾持機(jī)構(gòu)可抓取果實(shí)，保證果實(shí)在采摘過程中果實(shí)不會(huì)發(fā)生滑落，并盡量降低夾持對(duì)果實(shí)造成的機(jī)械式損傷。果柄分離機(jī)構(gòu)主要采用擬人采摘?jiǎng)幼鞯呐まD(zhuǎn)拉拽式，該方式主要針對(duì)果柄與果蒂連接強(qiáng)度不大的成熟果實(shí)。

圖1為氣動(dòng)吸-夾一體式三爪采摘末端執(zhí)行器的實(shí)物圖。末端執(zhí)行器由3組相同的夾持爪單元周向均布在三爪氣缸上，每組構(gòu)件中均包括夾持爪、上連桿、下連桿、水平滑塊。水平滑塊連接在三爪氣缸的每一個(gè)滑臺(tái)上，可隨氣缸同時(shí)徑向伸出或縮回。上、下連桿一端分別連接夾持爪和水平滑塊，并形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，另一端連接到中心滑塊的上、下兩端，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，真空吸盤與中心滑塊固連。在運(yùn)動(dòng)時(shí)三爪氣缸3個(gè)滑臺(tái)同步伸出或縮回，實(shí)現(xiàn)夾持爪在開、閉過程中中心滑塊帶動(dòng)真空吸盤進(jìn)行伸、縮運(yùn)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)可通過一個(gè)主動(dòng)件驅(qū)動(dòng)完成真空吸盤回拉和夾持爪閉合的2個(gè)順序動(dòng)作。

1.2 電氣比例伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮采摘末端執(zhí)行器具有夾持和扭轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度，同時(shí)要求扭轉(zhuǎn)力及速度可調(diào)，夾持力可連續(xù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，故設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器氣動(dòng)系統(tǒng)回路如圖2所示，為保證氣動(dòng)回路提供持續(xù)穩(wěn)定氣壓，采用5 L儲(chǔ)氣罐，配合電接點(diǎn)壓力表及其控制電路，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器氣動(dòng)系統(tǒng)壓力自動(dòng)穩(wěn)定在0.6～0.8 MPa范圍內(nèi)。經(jīng)過氣動(dòng)三聯(lián)件對(duì)氣源進(jìn)行清潔，干凈氣源分為3路，一路通過手動(dòng)調(diào)壓閥和3位5通電磁換向閥供給扭轉(zhuǎn)氣缸，并設(shè)置單向節(jié)流閥進(jìn)行手動(dòng)調(diào)速，根據(jù)文獻(xiàn)[19]番茄果梗平均折斷彎矩為161.29 N·mm，最大折斷果梗彎矩為308.72 N·mm，選用SMC公司MSQB-10A型擺動(dòng)氣缸，工作壓力為0.1～1.0 Pa，擺角190°，在0.5 MPa下輸出890 N·m力矩，可滿足使用需求。另一路氣源經(jīng)過比例調(diào)壓閥和2位5通電磁換向閥控制3爪氣缸，同時(shí)設(shè)置單向節(jié)流閥調(diào)速。最后一路氣源經(jīng)過2位2通電磁換向閥供給ZPCAC公司生產(chǎn)的ZV-10HS真空發(fā)生器中，工作壓力為0.1～0.8 Pa，最大真空度可達(dá)-92 kPa。并根據(jù)采摘對(duì)象弧形表面，應(yīng)選用帶緩沖雙層風(fēng)琴型ZP-10B真空吸盤。

氣動(dòng)控制系統(tǒng)采用32位ARM（Advanced RISC Machine）核心的Arduino Due控制板作為主控器，為實(shí)現(xiàn)夾持壓力實(shí)時(shí)連續(xù)可調(diào)，采用SMC公司ITV2050-312L型的電氣比例調(diào)壓閥，設(shè)定氣壓范圍0.005～0.9 MPa。選用華源測(cè)控的4路模擬量輸出模塊HY4A0進(jìn)行模擬量輸出，通過標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議的RS485接口實(shí)現(xiàn)與主控器通信。夾持爪上貼有美國Interlink Electronics公司FSR-402型壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)采摘過程中夾持壓力的實(shí)時(shí)獲取，壓力檢測(cè)范圍為0.1～100 N。圖3為無損采摘末端執(zhí)行器系統(tǒng)實(shí)物圖。

2 末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)分析與仿真

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立與參數(shù)確定

圖4為末端執(zhí)行器單個(gè)夾持爪單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，分別以水平滑塊和中心滑塊運(yùn)動(dòng)軸線為坐標(biāo)軸建立平面直角坐標(biāo)系XOY。通過機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系可推導(dǎo)出吸附點(diǎn)K(0,yK)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

夾持爪上鉸鏈點(diǎn)D的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

式中（xD，yD）為D點(diǎn)坐標(biāo)。F、G、H點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程均可通過桿件長度和夾角用D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程推算出來，給出夾持爪末端H點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

式中（xH，yH）為H點(diǎn)坐標(biāo)；xG(xD)和yG(yD)代表G點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，這兩個(gè)坐標(biāo)分別是關(guān)于D點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)。

當(dāng)xC=l時(shí)，此時(shí)末端執(zhí)行器完全張開，3指爪末端包絡(luò)圓的最大直徑Lmax=2xH；當(dāng)xC=l+c時(shí)，末端執(zhí)行器完全閉合，指爪包絡(luò)圓最小直徑Lmin=2xH。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證末端執(zhí)行器張開區(qū)域不小于150 mm，且能夾持最小50 mm的果實(shí)，末端執(zhí)行器參數(shù)見表1所示。最終獲得指爪張開范圍為0～156 mm，真空吸盤運(yùn)動(dòng)最大運(yùn)動(dòng)距離為38.7 mm。

表1 末端執(zhí)行器組件結(jié)構(gòu)參數(shù) Table 1 Structure parameters of manipulator component

2.2 運(yùn)動(dòng)仿真分析

通過運(yùn)動(dòng)學(xué)建模確定了滿足運(yùn)動(dòng)幾何尺寸需求的末端執(zhí)行器各桿件結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)一步采用ADAMS多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，獲取該參數(shù)下末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能。

仿真中采用球形模型代替類球形果實(shí)，實(shí)際果實(shí)為非標(biāo)準(zhǔn)球形，且每個(gè)果實(shí)生長外形均有差異性，相比實(shí)際果實(shí)，采用球形果實(shí)仿真是將夾持爪觸碰果實(shí)的過程理想化，即3爪同時(shí)接觸果實(shí)表面，實(shí)際夾持過程可能某一爪先觸碰果實(shí)，隨后兩爪或3爪實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定夾持。本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器是由一個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)，因此氣缸的總輸出力僅僅與氣動(dòng)系統(tǒng)壓力有關(guān)，氣缸推動(dòng)3爪閉合將力傳遞給夾持爪上，加之三爪機(jī)構(gòu)和其運(yùn)動(dòng)均是完全對(duì)稱的，因此理想的穩(wěn)定夾持剛度較大的物體的條件是3爪均接觸果實(shí)并施加夾持力，或是僅兩爪接觸施加夾持力，每一爪的夾持力為氣缸總力的均分值，由于果實(shí)表面有一定彈性，末端執(zhí)行各部件連接鉸鏈有一定間隙，且果實(shí)表面不同位置的彈性模量和剛度均有不同，因此實(shí)際夾持問題變的非常復(fù)雜。本文為探討該末端執(zhí)行器在夾持運(yùn)動(dòng)過程中各桿件運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)性能，以及夾持力與果實(shí)尺寸、系統(tǒng)壓力之間的關(guān)系，采用球形模擬實(shí)際果實(shí)進(jìn)行仿真可觀測(cè)該設(shè)計(jì)參數(shù)下夾持爪運(yùn)動(dòng)和輸出力的情況，并作為末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)特性。

參照番茄果實(shí)物理特性作為球形模擬果實(shí)的參數(shù)，參照文獻(xiàn)[20, 30-31]，取縱向剛度1.9198×103N/m，密度為1.04±0.06 g/cm3，彈性模量1.7866×106 N/m2，泊松比為0.14。根據(jù)機(jī)構(gòu)的尺寸建立ADAMS仿真模型，對(duì)約束、驅(qū)動(dòng)、邊界條件、激勵(lì)進(jìn)行設(shè)定，3個(gè)水平滑塊分別設(shè)置運(yùn)動(dòng)和力激勵(lì)，3個(gè)夾持爪的內(nèi)側(cè)與果實(shí)表面設(shè)為接觸碰撞力，吸盤和果實(shí)固定副連接。建立仿真模型，如圖5a所示。動(dòng)力學(xué)分析中，將水平滑塊上設(shè)置固定力來模擬氣壓系統(tǒng)提供的恒力輸出，三爪氣缸選用SMC公司MHSL3-50D-M9BW型平行開閉氣爪，缸徑為50 mm，在夾持過程中分為內(nèi)徑夾持和外徑夾持，如圖5b所示。設(shè)置末端執(zhí)行器夾持過程中3個(gè)水平滑塊的運(yùn)動(dòng)為先加速后減速運(yùn)動(dòng)，最大加速度為5 mm/s2。仿真獲取其他部件質(zhì)心點(diǎn)的速度和加速度變化曲線，見圖6a、6b所示?？梢娤逻B桿運(yùn)動(dòng)速度和加速度的變化較小，說明其在整個(gè)夾持過程中運(yùn)動(dòng)幅度小，上連桿和吸盤在末端執(zhí)行器閉合后期具有較大運(yùn)動(dòng)速度和加速度。

本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器在氣爪向外運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)夾持，為內(nèi)徑夾持模式，仿真單向作用力作用在夾持點(diǎn)10 mm處，查閱氣缸參數(shù)資料獲得氣壓在0.1～0.6 MPa下的夾持力為40～250 N。圖6c為不同系統(tǒng)壓強(qiáng)情況下，夾持100 mm果實(shí)在夾持點(diǎn)所產(chǎn)生的夾持力，可見系統(tǒng)壓力與夾持力呈正比例關(guān)系，在理想夾持的情況下0.6 MPa壓力可產(chǎn)生44 N的夾持壓力，0.1 MPa僅能產(chǎn)生8.8 N夾持力。圖 6d為0.4 MPa系統(tǒng)壓力下，夾持不同尺寸果實(shí)所產(chǎn)生的夾持力，可見果實(shí)越大，所產(chǎn)生的夾持力越大。該機(jī)構(gòu)系統(tǒng)壓力、果實(shí)尺寸都會(huì)對(duì)最終的夾持力造成影響，因此單一的控制方法無法適應(yīng)不同情況下的夾持需求，需要增加反饋伺服氣壓控制，來提高末端執(zhí)行器的適用性。

3 無損夾持控制方法

目前無損夾持的方法可分為兩類。一類為通過滑覺傳感器檢測(cè)采摘對(duì)象的滑移反饋，實(shí)現(xiàn)最小的可靠夾持力輸出。其優(yōu)點(diǎn)在于從未知最小的可靠夾持力出發(fā)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同采摘對(duì)象的無損采摘作業(yè)[32]，本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器在果柄分離時(shí)刻容易使果實(shí)與末端執(zhí)行產(chǎn)生相對(duì)滑移，當(dāng)初始夾持力過小時(shí)，果柄分離時(shí)會(huì)使果實(shí)從末端執(zhí)行器中脫落，夾持力過大則會(huì)對(duì)果實(shí)產(chǎn)生損傷，因此本文通過模擬相對(duì)滑移過程，分析壓力傳感器信號(hào)變化情況來判斷滑移發(fā)生時(shí)刻，從而判斷當(dāng)前的夾持力是否為穩(wěn)定夾持的最小夾持力；第二類是通過壓力傳感器檢測(cè)夾持力并反饋，實(shí)現(xiàn)從采摘末端執(zhí)行器與采摘對(duì)象表面接觸到完成無損夾持過程的夾持力閉環(huán)控制，從而避免因夾持力過大造成的果實(shí)損傷[20]，該方法需要提前建立無損和夾持力的標(biāo)定關(guān)系，針對(duì)不同品種果實(shí)，需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本文結(jié)合兩類夾持方法，將最小夾持力獲取作為控制目標(biāo)，極限壓力通過靜態(tài)夾持損傷壓力來限定。

3.1 果實(shí)動(dòng)態(tài)夾持試驗(yàn)

當(dāng)末端執(zhí)行器夾持住果實(shí)后，通過人手拉動(dòng)和旋轉(zhuǎn)果實(shí)來模擬和分解采摘過程中果實(shí)與夾持爪之間發(fā)生滑動(dòng)的現(xiàn)象，如圖7所示。并通過對(duì)壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，獲取果實(shí)表面相對(duì)末端執(zhí)行器產(chǎn)生相對(duì)滑移的發(fā)生時(shí)刻判別依據(jù)。根據(jù)薄膜壓力傳器的工作原理，當(dāng)傳感器上下表面產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)均會(huì)對(duì)內(nèi)部碳顆粒排布產(chǎn)生影響，從而影響傳感器信號(hào)輸出，因此本試驗(yàn)主要用于捕捉滑移現(xiàn)象的發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)傳感器信號(hào)變化的關(guān)系，并未對(duì)傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性與電器信號(hào)輸出表象建立精確的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此果實(shí)相對(duì)末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)速度、加速度及平穩(wěn)性對(duì)薄膜壓力傳感器信號(hào)變化的關(guān)系，可作為后續(xù)的深入的研究過程。試驗(yàn)中采用0.1 MPa低氣壓作為初始?jí)毫Γ謩?dòng)操控采摘按鈕控制采摘手閉合夾持番茄，并實(shí)時(shí)采集壓力傳感器讀數(shù)，3個(gè)壓力傳感器分別布置在每個(gè)夾持爪的內(nèi)側(cè)，采樣頻率通過程序設(shè)置為0.2 kHz。

獲得拉動(dòng)和旋轉(zhuǎn)情況下3組壓力傳感器的時(shí)域信號(hào)如圖8a、b所示。在果實(shí)發(fā)生拉動(dòng)滑移或轉(zhuǎn)動(dòng)滑移前，3組壓力傳感器數(shù)字信號(hào)都維持在一定數(shù)值，但3個(gè)傳感器數(shù)值有所差異，其原因是壓敏電阻傳感器對(duì)受壓位置敏感，由于番茄表面形狀不是完全對(duì)稱，導(dǎo)致傳感器受壓位置和大小均不同。果實(shí)發(fā)生拉動(dòng)滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)滑移時(shí)3組壓力傳感器讀數(shù)產(chǎn)生較大波動(dòng)，但總體呈下降趨勢(shì)，轉(zhuǎn)動(dòng)情況下由于滑移的發(fā)生不是連續(xù)的，因此出現(xiàn)多個(gè)波動(dòng)位置。通過對(duì)時(shí)域信號(hào)相鄰的兩點(diǎn)求差可等到相鄰數(shù)據(jù)差值圖，從該圖上可明顯看出增幅產(chǎn)生的最大位置。動(dòng)態(tài)均值為信號(hào)采集過程中實(shí)時(shí)對(duì)獲取的信號(hào)總和求解均值，其公式為

式中Dysum(x)為x數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)和；x為目前接收到數(shù)據(jù)的數(shù)量；n(i)為數(shù)據(jù)數(shù)組，i為序號(hào)；lengthdata為數(shù)據(jù)的總長度；Dyavg(x)為x數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)均值。

動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差SD計(jì)算公式如下：

由動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差的變化曲線可明顯看出在壓力傳感器數(shù)字信號(hào)降低的情況下，動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)明顯增大，在轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，傳感器1和2均產(chǎn)生波動(dòng)數(shù)據(jù)，在動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差曲線上可看出“臺(tái)階”式的增長情況。

3.2 無損夾持算法設(shè)計(jì)

通過對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，壓敏電阻受壓表面相對(duì)物體發(fā)生滑移時(shí)，壓力讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生突變，因此可通過突變特征來判斷滑移現(xiàn)象。時(shí)域信號(hào)的突變特征在相鄰讀數(shù)差值上可明顯表現(xiàn)出來，圖8中相鄰讀數(shù)差值越大說明突變?cè)矫黠@，因此通過設(shè)置單一閾值可判斷發(fā)生滑移的位置，但是在不同夾持工況下該閾值并不是固定值，如果閾值過小會(huì)使控制敏感，過大控制延遲嚴(yán)重。圖9為在0.1 MPa系統(tǒng)壓力下轉(zhuǎn)動(dòng)果實(shí)所采集到壓力傳感器局部數(shù)據(jù)，傳感器相鄰數(shù)據(jù)差值在50以上的發(fā)生的位置有8處，這8個(gè)位置均可作為基于數(shù)據(jù)變化量的滑移判斷，本文為避免相鄰數(shù)據(jù)差單一閾值適用性不強(qiáng)，且難以選取的問題，采用動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)上升節(jié)點(diǎn)作為滑移位置的判斷特征點(diǎn)。

通過對(duì)動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差曲線分析發(fā)現(xiàn)，無滑移靜態(tài)情況下，標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定在某一值左右，因此相鄰標(biāo)準(zhǔn)差變化量基本接近零。當(dāng)出現(xiàn)滑移，壓力傳感器讀數(shù)降低，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差增大，相鄰標(biāo)準(zhǔn)差變化量也增大，通過判斷標(biāo)準(zhǔn)差增大量及其增量維持時(shí)間來識(shí)別是滑移特征點(diǎn)還是干擾點(diǎn)。圖 10a為標(biāo)準(zhǔn)差上升節(jié)點(diǎn)判斷的流程圖，也為滑移判據(jù)算法。設(shè)置雙閾值：閾值1為標(biāo)準(zhǔn)差增量，大于該閾值則標(biāo)準(zhǔn)差的增量滿足滑移判斷的條件；閾值2為增量持續(xù)時(shí)間，判斷連續(xù)出現(xiàn)滿足滑移判斷的持續(xù)次數(shù)。對(duì)采集的多組動(dòng)態(tài)夾持?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，獲取閾值1標(biāo)準(zhǔn)差增量閾值為0.1，閾值2增量持續(xù)次數(shù)閾值為6時(shí)，具有較理想的判斷效果。圖9中實(shí)線代表通過該方法判斷出滑移出現(xiàn)的位置。根據(jù)滑移位置判斷，提出無損夾持控制算法，如圖10b所示，氣動(dòng)系統(tǒng)的初始?jí)毫υO(shè)置為0.1 MPa，3個(gè)壓力傳感器同時(shí)實(shí)時(shí)判斷滑移情況，以最先出現(xiàn)滑移信號(hào)為控制信號(hào)，每次出現(xiàn)滑移信號(hào)系統(tǒng)壓力增加0.05 MPa，當(dāng)系統(tǒng)總壓力增加到極限壓力時(shí)，系統(tǒng)壓力不再增加。極限壓力為夾持的靜態(tài)損傷壓力，本文對(duì)50個(gè)番茄進(jìn)行靜態(tài)夾持損傷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在0.6 MPa壓力夾持后的番茄放置72 h，84%番茄表面出現(xiàn)褐變，故本文的取極限壓力取0.6 MPa，說明使用0.6 Mpa以上的壓力會(huì)出現(xiàn)較大概率損傷。

4 采摘試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)于2020年6月15-20日開展，采摘試驗(yàn)地點(diǎn)為重慶市璧山區(qū)璧北蔬菜種植基地和璧山國家農(nóng)業(yè)科技園，試驗(yàn)對(duì)象為移栽番茄，番茄品種為紅運(yùn)721。采摘末端執(zhí)行器安裝于傲博AUBO-i5機(jī)械臂上，并在末端搭載ZED雙目立體視覺相機(jī)，機(jī)械臂末端的最大線速度和最大線加速度分別設(shè)為1.5 m/s 和1 m/s2，采摘時(shí)機(jī)械臂在雙目視覺的引導(dǎo)下將吸盤對(duì)準(zhǔn)并貼近番茄表面，然后執(zhí)行采摘操作，番茄在夾持爪閉合過程中被吸盤向末端執(zhí)行器方向拉拽，當(dāng)夾住果實(shí)后擺動(dòng)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)，將番茄果梗與果實(shí)分離，夾持過程全程通過Arduino Due控制器運(yùn)行滑移判斷和無損夾持程序，保證夾持穩(wěn)定和無損采摘。

為驗(yàn)證末端執(zhí)行器無損采摘性能，采摘試驗(yàn)中將番茄尺寸作為末端執(zhí)行器適用范圍的衡量指標(biāo)，按番茄最大外徑分為80～100、70～80、60～70、50～60 mm 4種不同尺寸等級(jí)，試驗(yàn)中4個(gè)等級(jí)番茄的數(shù)量分別為31、55、78和40個(gè)，總計(jì)204個(gè)試驗(yàn)對(duì)象。定義采摘成功率來衡量末端執(zhí)行器的采摘效果，考慮到番茄的損傷變化過程通常分為兩階段[31]：1）果實(shí)細(xì)胞膜和細(xì)胞壁受到機(jī)械損傷，釋放細(xì)胞壁修飾酶；2）酶與底物接觸，促進(jìn)降解，使受損部分產(chǎn)生軟化和褐變。因此通過72 h褐變情況可間接反映夾持力度的控制效果，并與夾持直接損傷率作為無損采摘的衡量指標(biāo)，定義如下

式中s為采摘成功率，%；n為成功采摘數(shù)量；m為總采摘數(shù)量；Dd為采摘直接損傷率，%，直接損傷主要包括夾持過程中末端執(zhí)行器對(duì)番茄造成的機(jī)械損傷以及使番茄掉落所造成的損傷；p為直接損傷數(shù)量；Bs為72 h褐變率，%，將采摘下的番茄放置72 h肉眼觀測(cè)其褐變的情況，出現(xiàn)褐色斑點(diǎn)同時(shí)該區(qū)域出現(xiàn)軟化情況，則定義發(fā)生了褐變；q為發(fā)生褐變番茄數(shù)量。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2，204個(gè)尺寸在50～100 mm內(nèi)的番茄采摘試驗(yàn)表明，試驗(yàn)總采摘成功率為96.03%，單個(gè)采摘過程耗時(shí)5 s，采摘直接損傷率為1.58%，損傷番茄主要集中在大果徑番茄中，直接損傷主要由以下兩種因素造成：1）吸盤沒有完全貼合果實(shí)表面，導(dǎo)致末端執(zhí)行器在閉合過程中夾持爪前端與番茄表面接觸，壓力反饋信號(hào)不準(zhǔn)確或丟失，從而降低夾持穩(wěn)定度，特別在采摘大果徑番茄時(shí)，會(huì)出現(xiàn)指爪前端損傷番茄表面或扭轉(zhuǎn)過程中番茄掉落的現(xiàn)象；2）受到果柄和周邊果實(shí)的影響，末端執(zhí)行器在夾持時(shí)會(huì)同時(shí)夾到枝、葉，指爪未完全貼合果實(shí)表面，在扭轉(zhuǎn)過程中果實(shí)掉落造成損傷。成功采摘下來的197個(gè)番茄中72 h褐變率為1.76%，72 h發(fā)生褐變的情況除了與受到夾持力大小有關(guān)外，還與番茄果實(shí)成熟度有密切關(guān)系，在本文中僅通過對(duì)已成熟番茄進(jìn)行隨機(jī)抽樣來統(tǒng)計(jì)夾持效果，對(duì)不同成熟度的影響不做研究。因此基于采摘成功率、直接損傷率和褐變率的結(jié)果，可見本文研制的無損采摘末端執(zhí)行器具有良好的無損夾持效果和優(yōu)良的采摘性能。

表2 番茄采摘試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì) Table 2 Statistical results of tomato picking testing

5 結(jié)論

1）本文設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)吸-夾一體式類球形果實(shí)無損采摘末端執(zhí)行器，通過對(duì)多連桿空間三爪機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)回拉和夾持兩個(gè)運(yùn)動(dòng)由一個(gè)單一主動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)順序動(dòng)作，減少主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)量。

2）通過建立末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，確定其最大夾持范圍為156 mm以及果實(shí)回拉最大距離為38.7 mm的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3）設(shè)計(jì)并搭建具有壓力反饋和連續(xù)在線調(diào)壓功能的電氣伺服控制系統(tǒng)，分析了夾持過程中番茄相對(duì)夾持爪滑動(dòng)時(shí)壓力傳感器信號(hào)的變化規(guī)律，提出基于相鄰動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)上升節(jié)點(diǎn)的雙閾值滑移判別算法，以及無損采摘控制方法。對(duì)204個(gè)不同尺寸番茄進(jìn)行采摘試驗(yàn)表明，末端執(zhí)行器采摘成功率為96.03%，單個(gè)番茄采摘過程耗時(shí)5 s，夾持過程中直接損傷率為1.58%，72 h褐變率1.76%，可滿足實(shí)際工作需求。