欠驅(qū)動(dòng)式柑橘采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

魏 博 何金銀 石 陽 蔣光利 張憲宇 馬 瑩

(重慶郵電大學(xué)先進(jìn)制造工程學(xué)院， 重慶 400065)

0 引言

柑橘的種植在我國非常普遍，產(chǎn)量很大且品種多[1]。采摘方法大部分以人工采摘方式為主[2-4]，存在效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)力成本高、安全性低等缺點(diǎn)[5-7]，人工成本占總成本的47.71%[8]。因此，利用采摘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)柑橘采摘機(jī)械化、自動(dòng)化的需求十分迫切[9-12]。而采摘末端執(zhí)行器作為采摘機(jī)器人的核心裝置，在避免損傷前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸、果形的柑橘采摘是研究的關(guān)鍵[13-14]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼針對(duì)果蔬采摘末端執(zhí)行器開展了研究。對(duì)于草莓[15]、番茄[16]、黃瓜[17-18]、獼猴桃[19-20]、蘋果[21]等生長特性不同的果蔬，采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)也不同。對(duì)柑橘采摘機(jī)器人來說，能夠適應(yīng)不同尺寸與橢圓度的柑橘采摘需求，在施加適當(dāng)抓取力的前提下，增大末端執(zhí)行器與果實(shí)之間的摩擦力，在防止末端執(zhí)行器棱邊刮傷柑橘表皮的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定采摘，是采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

針對(duì)柑橘無損采摘問題，大多學(xué)者采用軟體材料和柔性驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)[22]。但由于氣壓系統(tǒng)固有的不穩(wěn)定性，可能會(huì)出現(xiàn)抓取不穩(wěn)定而引起果實(shí)掉落問題。柑橘在自然環(huán)境下生長，會(huì)出現(xiàn)大小、橢圓度差異較大的情況[23-24]。而傳統(tǒng)的欠驅(qū)動(dòng)采摘執(zhí)行器一方面對(duì)尺寸較小果實(shí)無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取，另一方面無法實(shí)現(xiàn)主動(dòng)柔順抓取，剛性手指對(duì)橢圓度較大柑橘易產(chǎn)生劃痕。

多指手控制方面，美國NASA與通用公司研制的機(jī)器人宇航員用靈巧手為拇指設(shè)計(jì)了彎曲與旋轉(zhuǎn)自由度，并利用鋼絲繩進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)柔性控制，但長時(shí)間使用后，繩的非彈性形變會(huì)導(dǎo)致手指鎖緊力變小[25]。DLR/HIT仿人靈巧手利用四連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)，能夠通過集成的96個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)柔順控制[26]。目前，國內(nèi)外具有彎扭復(fù)合自由度并實(shí)現(xiàn)主動(dòng)柔順控制的多指手絕大部分用于仿人靈巧操作，集成多個(gè)傳感器、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器，控制復(fù)雜，成本較高[27-29]。

為了給采摘機(jī)器人提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，具有一定柔順性，適合多種尺寸柑橘采摘的末端執(zhí)行器，本文設(shè)計(jì)一款欠驅(qū)動(dòng)式柑橘采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器。利用手指彎曲夾持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同尺寸的柑橘抓取，在指根處添加旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，提出基于電流反饋的伺服控制策略以實(shí)現(xiàn)指面與柑橘表面平行貼合，最后制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 末端執(zhí)行器總體設(shè)計(jì)

通過分析人手對(duì)柑橘的采摘方式，可以將人手的運(yùn)動(dòng)方式分為兩種：手指內(nèi)側(cè)與柑橘表面貼合的“抓握”、指尖與柑橘表面貼合的“捏取”。綜合考慮既能完成采摘任務(wù)又需使結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，決定把末端機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為三指結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩種抓取方式。抓取過程為：當(dāng)末端執(zhí)行器到達(dá)指定位置時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)并通過機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)手指做抓取動(dòng)作。當(dāng)抓取力達(dá)到額定值時(shí)手指停止運(yùn)動(dòng)，完成抓取動(dòng)作；而后底座開始帶動(dòng)柑橘旋轉(zhuǎn)，施加力螺旋，使柑橘與樹枝分離。

末端執(zhí)行器由3根手指和1個(gè)底座組成，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)執(zhí)行器通過4個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，分別控制3根手指的張開與閉合以及執(zhí)行器底座的軸向旋轉(zhuǎn)進(jìn)而摘取柑橘。為了減輕整體質(zhì)量，末端執(zhí)行器的手指、內(nèi)殼等全部采用新型材料3D打印，手指內(nèi)部貼有軟硅橡膠，不僅可以增大與柑橘表面的摩擦力，還可以對(duì)柑橘表面起到一定的保護(hù)作用。

柑橘采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)主要由手指組件、手指彎曲機(jī)構(gòu)、指根旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手腕旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。其中手指組件是由連桿機(jī)構(gòu)和指尖、指中、指底組成。抓握驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速通過一對(duì)錐齒輪傳遞到連桿機(jī)構(gòu)上，從而驅(qū)動(dòng)手指彎曲并抓取果實(shí)。旋轉(zhuǎn)齒輪用螺釘固定在指根旋轉(zhuǎn)單元上，通過指根旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)齒輪使手指旋轉(zhuǎn)至合適角度，并能完美貼合抓取果實(shí)。

2 雙連桿并聯(lián)式手指設(shè)計(jì)

欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器數(shù)目小于自由度數(shù)目的特性，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并且在抓取物體時(shí)具有很好的形狀自適應(yīng)性。所以對(duì)單個(gè)欠驅(qū)動(dòng)手指的設(shè)計(jì)，有必要在充分理解、分析人手功能特征的基礎(chǔ)上，依據(jù)欠驅(qū)動(dòng)手指的工作原理，結(jié)合所需實(shí)現(xiàn)的果實(shí)采摘功能和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種雙連桿并聯(lián)式欠驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器。

2.1 手指彎曲夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸的柑橘抓取，每根手指設(shè)計(jì)有2套四連桿機(jī)構(gòu)，如圖2所示。其中驅(qū)動(dòng)連桿由電機(jī)通過錐齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)；從動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)與扭簧和機(jī)械限位配合共同作用，以維持抓取直徑較小柑橘時(shí)指尖末端的指面角度不變。整個(gè)手指采用子母鉚釘連接桿件和關(guān)節(jié)，整個(gè)手指一共包含11對(duì)子母鉚釘。彎曲機(jī)構(gòu)及指根旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位于指根處。包絡(luò)機(jī)構(gòu)和扭曲機(jī)構(gòu)分別在手指的內(nèi)部兩側(cè)。

在實(shí)際采摘過程中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸柑橘的抓取，需要驅(qū)動(dòng)桿和從動(dòng)桿相互配合完成。當(dāng)抓取直徑較大柑橘時(shí)，手指的第3指節(jié)首先接觸到柑橘表面并收到反作用力，從而第3指節(jié)運(yùn)動(dòng)受到限制，而后手指的第2指節(jié)在驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的作用下靠近柑橘，最終3個(gè)指節(jié)依次都與柑橘表面相接觸，完成包絡(luò)抓取。包絡(luò)抓取過程如圖3所示。

由圖3可知，欠驅(qū)動(dòng)手指抓取直徑為100 mm的球體，用以模擬最大尺寸柑橘，其中球體底部與欠驅(qū)動(dòng)手指的第1關(guān)節(jié)處于同一水平面。如圖3a所示，手指處于初始位置，被抓取球體體積較大，距離手指較近，手指開始運(yùn)動(dòng)靠近球體；如圖3b所示，手指的第1指節(jié)接觸到球體并停止運(yùn)動(dòng)，第2關(guān)節(jié)克服扭簧的約束向球體轉(zhuǎn)動(dòng)，而第2指節(jié)和第3指節(jié)此時(shí)受扭簧限制視為剛性連接一同向球體靠近；如圖3c所示，手指的第2指節(jié)接觸到球體并停止運(yùn)動(dòng)，第3關(guān)節(jié)則克服扭簧的約束向球體轉(zhuǎn)動(dòng)；如圖3d所示，手指的第3指節(jié)接觸到球體并停止運(yùn)動(dòng)，完成了對(duì)球體的抓取。

當(dāng)抓取直徑較小柑橘時(shí)，如果第3指節(jié)與第2指節(jié)都沒有與柑橘表面相接觸，沒有受到柑橘的反作用力的作用，此時(shí)第1指節(jié)就會(huì)因從動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)與彈簧和機(jī)械限位的共同作用而垂直于安裝軸線的平面，最終實(shí)現(xiàn)利用第1指節(jié)完成最較小尺寸柑橘的抓取。

圖4為欠驅(qū)動(dòng)手指捏取直徑為30 mm的球體，用以模擬最小尺寸柑橘。對(duì)于欠驅(qū)動(dòng)手指的捏取來講，只有在欠驅(qū)動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)的時(shí)候手指的第3指節(jié)與被捏取物體接觸并產(chǎn)生一個(gè)接觸點(diǎn)，而被捏取的物體需要在欠驅(qū)動(dòng)手指的捏取空間范圍內(nèi)。如圖4a所示，欠驅(qū)動(dòng)手指處于初始位置，被捏取的物體相對(duì)手指較遠(yuǎn)，手指開始運(yùn)動(dòng)靠近；如圖4b所示，手指做持續(xù)空載運(yùn)動(dòng)并經(jīng)過垂直面，其中第3指節(jié)做平行運(yùn)動(dòng)；如圖4c所示，手指的第3指節(jié)接觸物體并停止運(yùn)動(dòng)，完成了對(duì)目標(biāo)的捏取。

若沒有從動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)，手指在完成捏取動(dòng)作時(shí)將出現(xiàn)指尖向外擴(kuò)張問題，如圖5所示。

2.2 手指彎曲靜力學(xué)分析

圖6a為抓取時(shí)手指的靜力學(xué)模型，抓取物體時(shí)手指關(guān)節(jié)依次與物體相接觸并受到約束力，進(jìn)而整個(gè)手指的構(gòu)型被確定。通過對(duì)手指的靜力學(xué)分析可得輸入力矩和施加到柑橘表面壓力之間的關(guān)系。

虛功原理[30]提供了各類力學(xué)系統(tǒng)靜力學(xué)問題的統(tǒng)一觀點(diǎn)和方法。由虛功原理得

TTω=FTV

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中T——手指輸入力矩矢量

ω——相應(yīng)的角速度矢量

F——作用在手指上的外力矢量，力的方向與各指節(jié)垂直

V——外力作用點(diǎn)在外力作用方向上的虛擬速度矢量

其中，關(guān)節(jié)的接觸點(diǎn)速度可以寫成速度雅可比矩陣Jv與關(guān)節(jié)角速度積的形式，即

(6)

(7)

根據(jù)剛體平面運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)，由圖6b及式(7)可得

(8)

式中l(wèi)1、l2、l3——各接觸點(diǎn)ci到各關(guān)節(jié)處的距離

d1、d2、d3——各指節(jié)長度

α2——d1與d2指節(jié)間夾角

α3——d2與d3指節(jié)間夾角

所以得到

(9)

(10)

式中h1——O1O3距離h2——O2O4距離

從而

(11)

最后由虛功原理可得輸出與輸入扭矩關(guān)系為

(12)

根據(jù)結(jié)構(gòu)可以得出

Ta1=Fc

(13)

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與推力的關(guān)系可得

(14)

式中H——電機(jī)導(dǎo)程

(15)

進(jìn)而得到

(16)

式中θ——齒輪軸線與驅(qū)動(dòng)桿之間的夾角

3 基于電流反饋的指根旋轉(zhuǎn)控制

柑橘果實(shí)是一個(gè)接近于橢圓形的物體。當(dāng)截面橢圓度較低時(shí)，形狀接近球形。3個(gè)對(duì)稱分布的手指可在圓周上均勻?qū)ΨQ分布且指尖朝向匯交于手掌中心時(shí)，柑橘所受壓力三力匯交于一點(diǎn)(圖7a)，合力為零。此種布局情況下，柑橘在平面上的平動(dòng)即可形成形封閉[30]。但當(dāng)目標(biāo)柑橘截面橢圓度較高時(shí)，若3根手指指尖朝向仍匯交于手掌中心(圖7b)，柑橘所受壓力無法匯交于一點(diǎn)，合力不為零，不能形成力封閉，抓取不穩(wěn)定[31]。而且此種情況亦會(huì)出現(xiàn)手指?jìng)?cè)面棱線與柑橘表面相交，產(chǎn)生劃痕，甚至損傷柑橘的情況。此外，調(diào)整指尖方向，可以增大摩擦錐[32]，即增大最大靜摩擦力，加強(qiáng)對(duì)目標(biāo)的約束。

因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同橢圓度柑橘的抓取，每根手指指根處設(shè)計(jì)了軸向旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，增加手指自由度，使手指可以軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。本關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取通過電流反饋調(diào)節(jié)輸出力矩的控制策略。

3.1 手指扭轉(zhuǎn)力學(xué)分析

當(dāng)手指進(jìn)行彎曲夾持動(dòng)作時(shí)，手指指面施加于柑橘表面壓力Ni(i=1，2，3)，根據(jù)牛頓定律，柑橘表面施加于手指指面以反作用力N′i。若抓取柑橘果實(shí)截面為橢圓形，反作用力不通過指面截面縱向軸Zi，則形成對(duì)指面的軸向扭矩Ti，如圖8a所示。因此，在指根加入旋轉(zhuǎn)自由度，抓取時(shí)根據(jù)截面形狀調(diào)整指面朝向，使三指指尖朝向匯交于一點(diǎn)，形成穩(wěn)定抓取，實(shí)現(xiàn)在不損傷果皮表面的前提下的穩(wěn)定采摘，如圖8b所示。

因此，可以看出，當(dāng)扭矩Ti=0時(shí)，指面角度旋轉(zhuǎn)與柑橘橢圓截面切線垂直。因此，本研究采用控制電樞電流的方式，旋轉(zhuǎn)指面軸向角度，最終實(shí)現(xiàn)指面與柑橘截面切線方向基本垂直。

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，其電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的運(yùn)動(dòng)方程為

(17)

其中

ω=2πn

(18)

式中J——傳動(dòng)系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

ω——電動(dòng)機(jī)角速度

n——轉(zhuǎn)速

Te——直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

Ti——機(jī)械的阻轉(zhuǎn)矩

np——電機(jī)的磁極數(shù)

Fr——轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)

Fs——定子繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)

μ0——真空磁導(dǎo)率

D——?dú)庀秷A周平均直徑

l——?dú)庀堆剌S向長度

g——定子與轉(zhuǎn)子間的寬度

ψsr——兩個(gè)矢量Fr與Fs之間的夾角

每個(gè)磁極下的氣隙面積sp為

(19)

平均磁通量密度Bav為

Bav=2μ0Fsr/(πg(shù))

(20)

式中Fsr——合成磁動(dòng)勢(shì)

由此

Φsr=Bavsp=μ0DlFsr/(npg)

(21)

式中Φsr——每極合成磁通

代入式(18)得

(22)

式中ψr——Fsr與Fr之間夾角

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是一種定子繞組凸極的電機(jī)，假設(shè)滿足以下條件：①忽略各種飽和非線性。②電刷的位置在幾何中心線上，所以ψr=90°。③忽略磁動(dòng)勢(shì)的空間諧波且電樞繞組均勻分布，節(jié)距相等，忽略槽寬。

利用畢奧-薩伐爾電磁力定理，考慮電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，則轉(zhuǎn)矩隨電樞電流的轉(zhuǎn)矩特性Te計(jì)算式為

Te=CmId

(23)

式中Cm——額定磁通下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速比

Z——電機(jī)總有效導(dǎo)體數(shù)

a——支路數(shù)Id——電樞電流

Φ——直流電動(dòng)機(jī)的每極每相下的磁通

在電樞電壓、勵(lì)磁電壓為額定值時(shí)，有

Ea=Cen

(24)

(25)

(26)

式中Ce——額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比

Ud——電動(dòng)機(jī)兩端電壓

Ra——包括電樞繞組和電刷電壓降等效電阻

L——電機(jī)電感

聯(lián)立式(17)、(23)～(26)拉普拉斯變換，可得電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)電流方程為

(27)

當(dāng)指面與橢圓面切線垂直時(shí)，阻轉(zhuǎn)矩Ti=0，有

(28)

3.3 主動(dòng)柔順?biāo)欧刂撇呗?/h3>

電機(jī)伺服控制系統(tǒng)框圖如圖9所示。與手指彎曲驅(qū)動(dòng)控制不同的是，指根軸向旋轉(zhuǎn)的目的是通過電流反饋旋轉(zhuǎn)直面角度，從而達(dá)到消除扭轉(zhuǎn)力矩，最終達(dá)到指面與橢圓截面垂直的目的。

當(dāng)指面與截面不垂直時(shí)，在指根處會(huì)產(chǎn)生軸向阻轉(zhuǎn)矩Ti。通過式(27)、(28)可得該扭矩產(chǎn)生的電流為

(29)

該電流差ΔI向電流環(huán)PID控制器反饋，得出PWM脈寬調(diào)制信號(hào)u(t)，實(shí)現(xiàn)對(duì)指根旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)。其中，PID控制對(duì)象的ΔI與u(t)兩者之間關(guān)系為

(30)

在指根旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中，為更快速準(zhǔn)確地利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)指根旋轉(zhuǎn)的控制，將采集信號(hào)數(shù)字化，進(jìn)行PID控制，即為

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

(31)

式中 Δu(k)——第k個(gè)采樣時(shí)刻與第k-1個(gè)采樣時(shí)刻脈寬調(diào)制信號(hào)的偏差

3.4 指根旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

指根旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)如圖10所示，首先電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)裝配在指根的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞轉(zhuǎn)動(dòng)，而后指根旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)齒輪繞軸向旋轉(zhuǎn)，從而改變手指方向至合適角度，最終貼合果實(shí)表面。

4 系統(tǒng)構(gòu)成與流程

4.1 硬件系統(tǒng)組成

該采摘執(zhí)行器每根手指由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及整體控制器組成，整體系統(tǒng)組成框圖如圖11所示。

手指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可同時(shí)進(jìn)行彎曲及根部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，包含彎曲夾持機(jī)構(gòu)及指根旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為彎曲驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；整體控制器負(fù)責(zé)發(fā)出抓取信號(hào)及根據(jù)指根電機(jī)電流反饋實(shí)現(xiàn)主動(dòng)柔順控制。

4.2 系統(tǒng)流程

該末端執(zhí)行器系統(tǒng)的抓取流程包含手指彎曲和指根旋轉(zhuǎn)兩部分，如圖12所示。該執(zhí)行器手指同時(shí)具有手指彎曲和指根旋轉(zhuǎn)兩個(gè)功能。其中手指彎曲基于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的被動(dòng)柔順控制，具有很好的形狀自適應(yīng)性，在抓取尺寸較大柑橘果實(shí)時(shí)，各關(guān)節(jié)指面能夠依次貼合；在抓取尺寸較小柑橘果實(shí)時(shí)，能夠完成指尖的平行捏取。而手指指根旋轉(zhuǎn)則是基于電流反饋的主動(dòng)柔順控制，當(dāng)抓取不同橢圓度柑橘時(shí)，根據(jù)電機(jī)電流反饋驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，直至軸向旋轉(zhuǎn)力偶消除，指面垂直于截面切線。

5 試驗(yàn)

末端執(zhí)行器采摘過程中柑橘與本體脫離的方法一般有兩種：力脫離[33]，通過拽拉、扭擰彎折等外力脫離；切割脫離[34]。付舜[35]對(duì)柑橘果柄切割力試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，不同粗細(xì)果柄切割時(shí)最大切割阻力差異較大，且最大切割力高達(dá)136.94 N，故采用切割柑橘果柄方式采摘柑橘較困難。相對(duì)而言，力脫離方式結(jié)構(gòu)簡單易操作，且符合柑橘果柄脫離特點(diǎn)，因此本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為拉扭采摘方式。因此，提出采摘柑橘時(shí)以適當(dāng)?shù)牧ψコ肿「涕俨⑶覍?duì)柑橘施加一定的拉力，通過末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)將柑橘果柄扭斷實(shí)現(xiàn)柑橘的采摘，提高柑橘采摘效率，簡化末端執(zhí)行器復(fù)雜程度，降低生產(chǎn)成本。

首先通過手持設(shè)備控制3根手指旋轉(zhuǎn)一定角度以適應(yīng)不同大小形狀的柑橘；確定好位置后，開始執(zhí)行采摘步驟，由單片機(jī)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)手指夾持果實(shí)并抓牢，最后由手腕處的電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)手掌連同果實(shí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將果實(shí)旋擰下來，完成采摘。為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的柑橘采摘末端執(zhí)行器對(duì)柑橘形狀自適應(yīng)能力和其最終的抓取效果，對(duì)不同形狀和大小的柑橘進(jìn)行了抓取試驗(yàn)。圖13為執(zhí)行器對(duì)尺寸較大柑橘的握取過程?？沙隹闯?，采摘過程可大致分為4步：末端執(zhí)行器初始化、柑橘進(jìn)入握取范圍、進(jìn)行握取和握取完成。針對(duì)尺寸較大柑橘，欠驅(qū)動(dòng)手指各關(guān)節(jié)自動(dòng)貼合柑橘表面，完成包絡(luò)握取。

圖14為末端執(zhí)行器對(duì)較小尺寸柑橘的捏取結(jié)果?？煽闯?，當(dāng)柑橘直徑較小且距離手掌較遠(yuǎn)時(shí)，第1指節(jié)、第2指節(jié)做空載運(yùn)動(dòng)，第3指節(jié)做平行運(yùn)動(dòng)，最終僅有第3指節(jié)與柑橘接觸，完成捏取。

圖15為末端執(zhí)行器對(duì)橢圓形截面柑橘的抓取結(jié)果?？梢钥吹剑┒藞?zhí)行器的指根關(guān)節(jié)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終指面與柑橘表面平行貼合。

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的柑橘采摘末端執(zhí)行器對(duì)柑橘形狀自適應(yīng)能力和最終的抓取效果，分3批購買不同產(chǎn)地、不同品種、不同成熟度的柑橘，進(jìn)行抓取試驗(yàn)。計(jì)算得到所抓取果實(shí)的損壞率。抓取試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 抓取試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental data of picking

通過3組采摘數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)柑橘果實(shí)的抓取成功率為98.3%。對(duì)損壞果實(shí)進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致果實(shí)損壞的原因有果實(shí)已經(jīng)輕微腐壞或即將腐壞。總的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)柑橘采摘功能。在抓取試驗(yàn)中抓取平均時(shí)間最快為4.5 s，抓取時(shí)間最長為6.1 s，單果平均抓取時(shí)間為5.3 s。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種欠驅(qū)動(dòng)式柑橘機(jī)器人用末端執(zhí)行器。該末端執(zhí)行器由3個(gè)手指組成，每個(gè)手指均能實(shí)現(xiàn)抓握與偏轉(zhuǎn)的融合控制。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同大小及橢圓度的柑橘的穩(wěn)定采摘。

(2)設(shè)計(jì)了手指彎曲夾持機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)不同大小柑橘采摘時(shí)的被動(dòng)柔順，基于靜力學(xué)分析得出抓取力與電機(jī)輸出扭矩間的關(guān)系。

(3)為手指根部添加旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，提出了基于電流反饋的指根旋轉(zhuǎn)控制以實(shí)現(xiàn)不同橢圓度柑橘采摘需求。

(4)針對(duì)不同大小與橢圓度的柑橘進(jìn)行了仿真與采摘試驗(yàn)，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的采摘末端執(zhí)行器可以靈活穩(wěn)定地抓取直徑為30～100 mm的柑橘，抓取成功率為98.3%，平均耗時(shí)5.3 s。