三爪機械手在臍橙果實采摘中的可行性分析

李秉旭

(佳木斯大學(xué) 機械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154003)

我國幅員遼闊，對于臍橙的種植有著得天獨厚的條件，臍橙的產(chǎn)量也不斷攀升[1]。近年來，我國社會經(jīng)濟的發(fā)展非常迅速，周邊城市對于農(nóng)村地區(qū)的人口吸納效應(yīng)明顯，加上人口老齡化的影響，使得從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人越來越少。農(nóng)村勞動力不足，成熟的臍橙果實得不到及時采摘的情況時有發(fā)生，降低了臍橙果樹種植的經(jīng)濟效益。因此解決在臍橙采摘過程中勞動力替代和提高生產(chǎn)率等問題，發(fā)展智能收獲技術(shù)，已成為我國農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)和臍橙收獲技術(shù)的重要研究方向[2]。

臍橙的整個生產(chǎn)流程中大多對勞動力需求較大，尤其是采摘環(huán)節(jié)更是其中之最。由于臍橙對于完整度及品相的要求較高，本身又十分脆弱，至今仍未實現(xiàn)自動化采摘流程。采摘環(huán)節(jié)是整個臍橙生產(chǎn)流程中對于勞動力需求最大的一環(huán)，也是最為重要的一環(huán)。臍橙的采摘有著鮮明的季節(jié)性和位置性。季節(jié)性主要表現(xiàn)在夏季和冬季，由于溫度影響，導(dǎo)致人工手動采摘的效率大幅度降低，會造成周期性的勞動力急缺、勞動力成本突增，從而增加了臍橙的種植生產(chǎn)成本。位置性主要表現(xiàn)在臍橙的成熟位置，由于臍橙成熟位置過高，導(dǎo)致人工手動采摘效率降低。以及在采摘收貨的過程中采摘機械及工具會對臍橙造成損傷，影響了采摘的效率。

為實現(xiàn)自動化采摘臍橙，本文針對三爪機械手[3]對臍橙果實無損采摘的可行性進行分析。

1 臍橙的力學(xué)參數(shù)研究

為驗證三爪機械手對臍橙果實無損采摘的可行性，首先確定臍橙果實的結(jié)構(gòu)和形態(tài)參數(shù)是分析的前提，因此首先針對臍橙進行物理實驗確定物理參數(shù)。

如圖1所示，果實的基本物理參數(shù)包括果實橫向直徑Da，縱向直徑Db，果實高度H，果實質(zhì)量M。測量工具為廣陸游標(biāo)卡尺和香山衡器電子秤，游標(biāo)卡尺的精度為0.01 mm，量程為150～200 mm，配有液晶顯示和滑輪推手，用來測量果實的直徑與高度；電子秤的量程為0～5 kg，精度為0.1 g用來測量過時的質(zhì)量。本次測量的樣本容量為100個，圖2為實際測量臍橙物理參數(shù)。

圖1 臍橙形態(tài)參數(shù)

圖2 臍橙形態(tài)參數(shù)測試圖

1.1 果實受力測試

本文設(shè)計的末端執(zhí)行器主體是三爪機械手，在采摘過程中與果實實際接觸的是末端的三根機械爪，因此抓取時果實的受力情況可以簡化為如圖3所示，即為采摘對象受力分析圖。三個采摘爪均與采摘對象接觸，所以采摘機械手與采摘對象共有三個接觸點，采摘對象受到的力主要是與該處相接觸的采摘爪對其作用產(chǎn)生的正壓力Ni和摩擦力fi，采摘對象自身重力為G，機械手與中心線間夾角為θ。

圖3 采摘對象手里分析圖

采摘爪與采摘對象間的接觸可看作是有摩擦的點接觸，真空吸盤停止吸附動作后，其對采摘對象的吸附力消失。此時的采摘對象能夠被采摘爪穩(wěn)定夾持且不會從中滑落的臨界條件是：果實的重力等于采摘爪對果實產(chǎn)生的正壓力及摩擦力在豎直方向的分量：

(1)

設(shè)最小正壓力為Nmin，則其應(yīng)滿足：

(2)

因為采摘爪對果實的作用點、作用力是關(guān)于中心線均勻分布的，所以在三個接觸點處果實受到的正壓力Ni是大小相等的。在此情況下，被夾持的果實受到的最小正壓力為：

(3)

各接觸點處摩擦力：

fi=μNi

(4)

式中：M為采摘對象的質(zhì)量，單位為kg；g為重力加速度；μ為果實表皮與三爪采摘機械手橡膠部分的靜摩擦系數(shù)；f1、f2、f3分別為三根手指與果實表面產(chǎn)生的靜摩擦力。由于果實成熟之后表皮十分柔軟極易損傷，故本文選取果實受到壓力而破壞時的最小壓力臨界值為F，為了確保果實在抓取與采摘的過程中不被機械手破壞，即有以下不等式成立：

F>Nmin

(5)

同時為了確保三爪機械手在抓取果實時，果實能夠穩(wěn)定的被機械手所夾持住而不產(chǎn)生滑動，又存在以下不等式：

(6)

上面不等式中的3Nmin為三爪機械手在抓取果實時，三根手指與果實間的靜摩擦力，Mg為果實的自身重力。

根據(jù)以上公式可知，當(dāng)不等式(5)與不等式(6)同時成立時，三爪機械手就可以保證在抓取和采摘的過程中果實可以穩(wěn)定的被機械手握持住而不會發(fā)生滑移，也可以保證果實不會被機械手所損傷，所以本節(jié)將對果實的質(zhì)量與壓破壞時所受的臨界壓力進行測試，故本文采用TA.TOUCH質(zhì)構(gòu)儀[4-7]對果實進行壓縮實驗，以確定臍橙外表皮可以受到的最小壓力，圖4為TA.TOUCH質(zhì)構(gòu)儀。

圖4 TA.TOUCH質(zhì)構(gòu)儀

在測量過果實的物理參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)臍橙表皮的彈性形變較好可以承受較大的壓力而不破壞，為確保在形變后而破壞臍橙的表皮，本節(jié)將實驗終止的條件設(shè)定為果實橫向形變量達到40%。本質(zhì)構(gòu)儀的測試臂在接觸到果實之前的下降速度為測試前速度，在測試臂與果實接觸時的下降速度為測試速度，在測試臂與果實完成壓縮試驗后上升的速度為測試后速度，且將測試前速度、測試速度和測試后速度均設(shè)置為3 mm/s。測試臂與果實一旦相接觸產(chǎn)生了果實給測試臂反作用力，即為測試試驗開始，將反作用大小設(shè)定為10 gf，測試臂檢測到10 gf的力時測試試驗開始并記錄實驗數(shù)據(jù)。圖5為果實經(jīng)過質(zhì)構(gòu)儀進行一次壓縮實驗所獲得的壓縮實驗曲線圖，該曲線圖的橫坐標(biāo)為質(zhì)構(gòu)儀測試臂的位移量，縱坐標(biāo)為測試臂壓縮時施加的正壓力。本次實驗是為了測試果實損傷的壓力，故采用40%形變量作為實驗終止條件，以確保果實表皮在實驗中不充分破壞，在曲線達到峰值點時，即為果實的損傷壓力。

本次測試對100組臍橙進行了損傷壓力測試，損傷壓力范圍在3 142.379 60 gf之間，具體數(shù)據(jù)如表1所示。因為果實的柔軟程度會根據(jù)成熟程度不同而改變，所以在進行果實損傷壓力測試時分成了兩組，一組是在果樹上最佳成熟期的，另一組是超過最佳成熟期，分別對成熟程度不相同的果實進行了測試得到測試結(jié)果。根據(jù)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，果實的成熟程度對損傷壓力的影響微乎其微，故本次測量果實的損傷壓力值可以運用在實際采摘中。又對果實的橫向直徑、縱向直徑、高度和質(zhì)量進行測量，為求解三爪機械手夾持果實時所需的臨界壓力值提供了數(shù)據(jù)。

圖5 果實壓縮實驗壓力記錄曲線圖

表1 果實壓力測試數(shù)據(jù)

通過上表可知最小壓力為2 192.13 gf，首先要對測試單位gf進行轉(zhuǎn)換處理變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)國際單位，得到的標(biāo)準(zhǔn)國際單位N為壓力值，本文重力加速度g取值為9.8。對本次實驗中最小壓力進行轉(zhuǎn)換后得到最小損傷壓力為21.48 N。為計算式2.6中的最小壓力，其中m取值為100個樣本測量結(jié)果的平均值125.3 g，靜摩擦系數(shù)μ是由果實表面和軟指材料之間的摩擦系數(shù)所決定的，為保證三爪機械手能夠穩(wěn)定的抓取果實，靜摩擦系數(shù)μ取0.362[8-10]，機械抓開合角度θ根據(jù)測量果實直徑和高度可知變化范圍是0°到70°。將以上數(shù)據(jù)代入式2.3中可計算處三爪機械手穩(wěn)定加持果實時最小壓力Nmin為0.91 N。

經(jīng)過上述試驗可知，臍橙果實表皮損傷的最小壓力為21.48 N，而三爪機械手可以穩(wěn)定抓取果實且不發(fā)生滑移的最小壓力為0.91 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表皮損傷最小壓力，故三爪機械手抓力應(yīng)控制在0.91～21.48 N之間，即可以滿足對果實穩(wěn)定抓取的需要還可以不對果實造成損傷。

1.2 測量結(jié)果與統(tǒng)計分析

為了檢驗測量數(shù)據(jù)是否存在較大誤差，采用統(tǒng)計學(xué)的正態(tài)性檢驗[11-14]，在測試數(shù)據(jù)的樣本容量充足時采用S-W檢驗(Shapiro—Wilk test)和K-S(Kolmogorov-Smirnov test)檢驗取得的結(jié)果大致相同，但是在樣本容量較小時S-W檢驗結(jié)果更加準(zhǔn)確，該檢測方法是根據(jù)數(shù)據(jù)的峰值和偏離度所誘發(fā)的非正態(tài)性的檢測方法，則W的定義為式(7)。根據(jù)本次實驗的樣本容量較小，故采用S-W正態(tài)分布檢測，測量結(jié)果如表2所示。果實的橫向直徑Da，果實的縱向直徑Db，果實高度H，果實質(zhì)量M以及果實損傷壓力F在S-W檢驗中的P值分別為0.394，0.698，0.564，0.493，0.925，在α=0.05的檢驗水準(zhǔn)下均大于P=0.05，可認(rèn)為經(jīng)測量的數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布，圖6為數(shù)據(jù)分布圖，從圖中橫坐標(biāo)為測試果實的序號，縱坐標(biāo)為果實的物理參數(shù)，也可看出測量數(shù)據(jù)不存在異常。

(7)

表2 果實基本形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

圖6 果實基本參數(shù)統(tǒng)計圖

2 三爪機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真

2.1 三爪機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的三爪機械手主要是針對臍橙果實進行抓取和采摘。根據(jù)臍橙果實成熟后表皮柔軟易受損傷，影響后續(xù)出售，因此在選擇三爪機械手的機械手指材料時采用軟指材料，軟指材料在抓取易變形和易碎的物品方面具有優(yōu)異的性能?；谲浿覆牧显O(shè)計機械手指的骨架結(jié)構(gòu)，為更好的使得機械手指與臍橙果實緊緊貼合，機械手的骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)用鰭條設(shè)計，該結(jié)構(gòu)具有V型的骨架結(jié)構(gòu)，中間嵌入一系列的支撐。此結(jié)構(gòu)的特點是一側(cè)受到作用力時，自由端會向施力方向的反方向彎曲從而使骨架側(cè)表面與被抓物體緊緊貼合，形成有效抓力，最終實物如圖7所示。應(yīng)用了軟指材料和鰭條設(shè)計的機械手可以對果實進行牢固的抓取，將目標(biāo)果實固定，不發(fā)生滑移。又因為機械手可以對果實進行牢固的抓取，所以在采摘方式可以選取將臍橙果柄擰斷或切斷的方式。

圖7中氣缸驅(qū)動器主要控制軟指的開合。當(dāng)果實可以被機械視覺定位后，三爪機械手移動到合適位置，首先通過真空吸盤將果實吸附，再通過氣缸驅(qū)動控制軟指進行閉合運動，實現(xiàn)對果實的固定作用；部分果實未被機械視覺識別，操作員可以做出相應(yīng)手勢通過體感系統(tǒng)控制氣動系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對未被識別的果實進行抓取。

圖7 三爪機械手1.軟指；2.真空吸盤；3.氣缸驅(qū)動器

為了驗證三爪機械手機構(gòu)設(shè)計的可行性，便于接下來對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和有限元分析仿真，本節(jié)首先采用Solidworks三維建模軟件對三爪機械手進行建模，最終三維模型如圖8所示。

圖8 三爪機械手和軟指結(jié)構(gòu)三維建模圖

2.2 三爪機械手有限元仿真

在前兩節(jié)中分別對三爪機械手的抓取力度和機械結(jié)構(gòu)展開了研究，本節(jié)針對之前的研究結(jié)果，在有限元分析軟件中進行建模分析。有限元模型在Ansys軟件中建立，考慮到實際抓取過程中，僅有軟指和軟指基座有受力，所以建立有限元模型時，舍去其余未受力部分，以節(jié)省計算機算力，實際建模如圖9所示。三根軟指和軟指基座共劃分了22 553個單元，在規(guī)則形狀處采用矩形網(wǎng)格，在不規(guī)則處采用三角網(wǎng)格。

圖9 三爪機械手有限元模型

機械手的軟指基座和連桿均使用的鋁合金材料材料密度、彈性模量和泊松比分別為2 750 kg/m3、69 000 MPa和0.35。軟指使用的是熱塑性聚氨酯(TPU)材料，該材料的材料密度、硬度分別為120 kg/m3和50 HA。再根據(jù)果實所能承受最大壓力對機械手施加載荷。有限元仿真結(jié)果如圖10所示，分別為形變量、等效彈性應(yīng)變和等效應(yīng)力。仿真結(jié)果顯示力學(xué)性能均在材料允許范圍內(nèi)，故本文設(shè)計的三爪機械手可以對臍橙果實進行抓取采摘。

圖10 有限元仿真結(jié)果圖

3 結(jié)論

在臍橙果實物理參數(shù)的測量和受力分析的基礎(chǔ)上，使用質(zhì)構(gòu)儀測試果實受壓損傷的極限壓力，再利用統(tǒng)計學(xué)分析測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)測量數(shù)據(jù)設(shè)計末端執(zhí)行的結(jié)構(gòu)，在SolidWorks進行三維建模后使用ANSYS分析抓取果實時的受力情況。最終實現(xiàn)了三爪機械手對臍橙果實的無損采摘。