蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫旖彤，潘肖楠，張 俊，李明明，雷達(dá)榮

（1.隴東學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2.長慶油田分公司第十一采油廠，甘肅 慶陽 745000；3.慶陽質(zhì)量檢驗(yàn)檢測研究院，甘肅 慶陽 745000）

我國蘋果的生產(chǎn)量巨大，一年的總產(chǎn)量大概有3 000 萬t。在整個(gè)蘋果產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中，采摘過程占全部所需勞動(dòng)力的三分之一至二分之一。但是，目前大部分的蘋果采用的是人工采摘，采摘的效率非常低，而且耗費(fèi)的勞動(dòng)力比較大，在采摘的過程中還會(huì)遇到一些不可預(yù)知的危險(xiǎn)。因此機(jī)械自動(dòng)化采摘尤為重要。

針對市面上一些輔助機(jī)器易損傷、效率低的問題，本文研究的蘋果采摘機(jī)械手是一種自動(dòng)化的水果采摘機(jī)械手，通過控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的自動(dòng)操作就可以完成采摘蘋果的工作，這樣大大提高了勞動(dòng)效率，對促成蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的運(yùn)用價(jià)值。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算

1.1 機(jī)械手爪對蘋果摘取的原理

蘋果采摘機(jī)器人經(jīng)過多年的發(fā)展，其驅(qū)動(dòng)部分主要有液壓、氣壓、電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為兩指和多指。本文中研究的機(jī)械手爪采取三指，利用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

通過分析采摘機(jī)械手裝置的機(jī)械原理，本文采取電機(jī)控制剛性連桿帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)的連桿驅(qū)動(dòng)型手爪，其裝置主要由電機(jī)、絲杠、軸承等零件組成。

電機(jī)采用絲杠步進(jìn)電機(jī)，絲杠與螺母結(jié)合，絲杠作為主動(dòng)體，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺母就會(huì)隨之轉(zhuǎn)換為直線移動(dòng)，螺母連接著支持連桿使其運(yùn)動(dòng)，最后帶動(dòng)機(jī)械手抓取蘋果。

當(dāng)機(jī)械臂到達(dá)蘋果的位置時(shí)，發(fā)出信號(hào)給控制系統(tǒng)，使其驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)使螺母上升，同時(shí)帶動(dòng)連桿也上升，然后機(jī)械手握緊，抓住蘋果，而當(dāng)機(jī)械臂到達(dá)放置蘋果的位置時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，螺母下降，同時(shí)也伴隨著機(jī)械手張開，放置蘋果。而在機(jī)械手張開和握緊期間，通過螺桿的自鎖能力使機(jī)械手關(guān)節(jié)不會(huì)受蘋果重力而張開，裝配圖如圖1 所示。

圖1 裝配圖

1.2 手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手指部分包括近端關(guān)節(jié)和末端關(guān)節(jié)，設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)要考慮采摘過程中是否會(huì)對果實(shí)造成傷害，為了盡可能降低對果實(shí)造成的傷害，決定在末端關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)裝上較為柔軟的尼龍材料。

近端關(guān)節(jié)材質(zhì)為鋁合金；末端關(guān)節(jié)材質(zhì)為尼龍材料。

手指部分包括近端關(guān)節(jié)、末端關(guān)節(jié)，為了使機(jī)械結(jié)構(gòu)易于制作，因此采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，連桿簡圖如圖2所示。

圖2 連桿簡圖

1.2.1 運(yùn)動(dòng)分析

1）尋找瞬心P13。對于直接連接的桿件，其瞬心可直接判斷出P12P34P23瞬心。P12是構(gòu)件1、2 的瞬心，P14是構(gòu)件1、4 的瞬心，P34是構(gòu)件3、4 的瞬心。

對于兩構(gòu)件未直接相連的，其瞬心利用三心定理進(jìn)行判斷，延長1、2 桿和垂直于桿1 的點(diǎn)，可判斷出瞬心P13。

2）求角速度與螺桿速度關(guān)系

作圖分析，可得出以下公式

式中：IP12P34為P12到P34的距離，W3為P13的角速度。又因?yàn)镻13是構(gòu)件1、3 的瞬心，根據(jù)式（1）和式（2）可得。

1.3 手指的尺寸確定

機(jī)械手第一個(gè)關(guān)節(jié)末的位置如圖3 所示，在坐標(biāo)系O-xyz 中 為 點(diǎn)A（0，y1，z1），O'O=l1，sin120°=0.78，cos120°=-0.5。

圖3 第一個(gè)手指位置圖

對于O'-x'yz'坐標(biāo)系，A 點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)為A'（0，l1+y1，z1）

利用H 變換矩陣，分別沿z 軸旋轉(zhuǎn)120°為另外2個(gè)機(jī)械手手指的坐標(biāo)

因?yàn)榭臻g坐標(biāo)中的O'A，O'B，O'C 大小相等，且為繞z 軸旋轉(zhuǎn)120°所得，所以3 點(diǎn)連線為一個(gè)正三角形，如圖4 所示。

圖4 蘋果橫切面簡圖

由公式

可求得手指末端關(guān)節(jié)長度

蘋果高度一般為50~110 mm，直徑在50~110 mm，為機(jī)械手指尺寸提供依據(jù)。

由R≥55，z1≥55，已知l1=40，z1選取為60，OA選取為80。

1.4 受力分析

機(jī)械手夾持蘋果重量為100~400 g，對其受力分析如圖5 所示。

圖5 受力分析圖

機(jī)械手另外2 個(gè)第二關(guān)節(jié)的受力處根據(jù)三力平衡匯交定理，可合成為力F2與F1，其匯交于一點(diǎn)，F(xiàn)a為螺母向上的推力，構(gòu)成三力平衡，可得公式

三指對蘋果的力可表示為FAFBFC，利用三力平衡匯交定理，F(xiàn)AFB的合力FN與FC平衡，所以根據(jù)公式2FNμ≥mgk1，可求得

由尼龍材料的摩擦系數(shù)μ=0.15~0.25，取μ=0.2，安全系數(shù)k1取1.5，a=30°；蘋果重量選擇0.4 kg 進(jìn)行計(jì)算；求得FN≥14.7 N，因此選擇夾持力為15 N，求得驅(qū)動(dòng)力Fa≈47.3 N。

1.5 手掌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算

手掌處主要是螺桿的設(shè)計(jì)及計(jì)算，本文中采用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，并且相較于滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)，滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)有自鎖能力；因此本部分主要進(jìn)行滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)中螺桿螺母尺寸的選擇、強(qiáng)度校核、自鎖性驗(yàn)算以及穩(wěn)定性校核，其螺桿示意如圖6 所示。

圖6 螺桿圖

1.5.1 絲杠軸向載荷力的計(jì)算

螺桿上方重量為m=2 kg。

軸向載荷公式如下

由式（8）進(jìn)行計(jì)算得F≈67 N，因此選取軸向載荷力F=70 N，最為合適。

1.5.2 選材以及許用應(yīng)力計(jì)算

螺桿螺母都采用45 號(hào)鋼，選擇梯形螺紋，其牙形角為30°，因此由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，可取σp為360 MPa，由

可取許用拉壓力σp=90 MPa。

因?yàn)闄C(jī)械手上升運(yùn)動(dòng)為低速運(yùn)動(dòng)，因此查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得螺桿對螺母的許用壓強(qiáng)[p]=7.5~13 MPa，取值為10 MPa。

1.5.3 螺紋尺寸選擇及校驗(yàn)

螺紋尺寸取值，見表1。

表1 螺紋尺寸 mm

由耐磨性校驗(yàn)螺紋中徑是否合適：

當(dāng)螺紋為整體式時(shí)，螺紋升角系數(shù)（ψ）取1.2~2.5，取ψ=1.5。

依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》梯形螺紋，取ξ=0.8，F(xiàn)=70 N。

由公式可計(jì)算出螺紋中徑

所以螺紋中徑選擇為9 mm，上表尺寸數(shù)據(jù)合適。

因此，基本牙型高度

螺母高度

旋合圈數(shù)

選取中等精度，螺旋副標(biāo)記為Tr10×2—7H。

1.5.4 自鎖性校驗(yàn)

導(dǎo)程P=2 mm，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表12-1-4，可得螺紋升角

查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表12-1-7，可得f=0.15~0.17，取值0.17，得

因?yàn)棣耍鸡?，所以自鎖可靠。

1.5.5 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

由公式

計(jì)算出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T=70.277（N·mm）。

1.6 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械手材料選取

手腕主要結(jié)構(gòu)是安裝電機(jī)，以及對接機(jī)械手臂，對其材料有一定要求，而果農(nóng)采摘水果時(shí)，還可能會(huì)遇到惡劣天氣，因此材料需要一定強(qiáng)度和耐腐蝕性。

鋁合金材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度夠，耐腐蝕且價(jià)格低廉，所以材料采用鋁合金。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成

硬件是由主機(jī)、接口電路及外部設(shè)備組成。其相應(yīng)的示意圖如圖7 所示。

圖7 控制系統(tǒng)硬件示意圖

機(jī)械手及其末端執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)時(shí)需要各種傳感器進(jìn)行輔助，但因個(gè)人知識(shí)水平有限，因此本文只對其中的單片機(jī)、力傳感器、電機(jī)部分進(jìn)行相關(guān)選用及設(shè)計(jì)。

2.2 力傳感器

2.2.1 RP-C 電阻式壓敏傳感器

人手摘取蘋果時(shí)，是通過皮膚和眼睛把消息傳遞給大腦，實(shí)現(xiàn)抓?。慌c此相同，機(jī)械手實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作，需要傳感器把信號(hào)傳遞給單片機(jī)，隨后單片機(jī)控制電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)執(zhí)行裝置完成抓取蘋果功能。

本文選用的壓力傳感器是RP-C10-ST 薄膜壓力傳感器，這是一種直徑為10 mm 的圓形柔性傳感器，由綜合機(jī)械性能優(yōu)異的聚酯薄膜，高導(dǎo)電材料和納米級壓力敏感材料組成，由曲線圖查表獲得Rx和F 的關(guān)系式

因?yàn)樘O果壓力小于20 N 時(shí)，表皮沒有損傷，但如果超過20 N，蘋果表皮雖然沒有直接損壞，但內(nèi)部出現(xiàn)組織損壞。為了使蘋果采摘時(shí)不被損壞，則手指的壓力不應(yīng)該超過20 N。

依據(jù)曲線可以看出，隨著壓力的增大，電阻不斷變小，因此傳感器輸出的電阻應(yīng)該大于26.6 Ω。

2.2.2 壓力傳感器應(yīng)用電路

壓力傳感器輸入信號(hào)，單片機(jī)要檢測到該信號(hào)時(shí)，需要相應(yīng)電路進(jìn)行該信號(hào)的放大與轉(zhuǎn)化；應(yīng)用電路主要使用電阻分壓器，然后把分壓的電壓輸入電壓比較器中，然后通過設(shè)計(jì)使其輸出高低電平，最后連接相關(guān)單片機(jī)串口，使單片機(jī)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)啟停的控制。

1）電阻分壓器。電源電壓為5 V，傳感器可以等效為一個(gè)可變電阻，其串聯(lián)一個(gè)R1=20 Ω 的電阻，整個(gè)電路起到分壓的作用。

輸出電流

分壓電壓

由上公式可推導(dǎo)出

其曲線圖如圖8 所示。

圖8 電壓/力關(guān)系圖

2）電壓比較器。UP處接入VN口，VE接一個(gè)比較的電壓，當(dāng)VN＞VE時(shí)，比較器不導(dǎo)通，輸入5 V 電壓作為高電壓；反之，當(dāng)VN＜VE時(shí)，比較器導(dǎo)通，輸出低電壓。

蘋果抓取的力一般不會(huì)超過15 N，其為了采摘蘋果時(shí)不損壞果皮，按照曲線圖，電壓不應(yīng)該大于2.1 V，但為了單片機(jī)在手抓取時(shí)發(fā)出信號(hào)，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)該使VE接一個(gè)1.9 V 的電壓。

當(dāng)UP電壓超過1.9 V 時(shí)，電壓比較器輸出高電壓，單片機(jī)接口檢測出數(shù)值為“1”，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母自鎖使機(jī)械手抓取的蘋果不會(huì)掉落。

2.3 單片機(jī)選用

在本次蘋果采摘機(jī)械手的控制系統(tǒng)中，選擇AT89C51 單片機(jī)，其通過IO 口輸出的具有時(shí)序的方波作為對機(jī)械手控制動(dòng)作的信號(hào)，這一方波信號(hào)會(huì)通過芯片LN298，進(jìn)行信號(hào)放大，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以此來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的摘取動(dòng)作。

AT89C51 單片機(jī)與MCS-51 單片機(jī)兼容，價(jià)格便宜，IO 口的操作簡單，指令簡單，極其適合用于作為本文控制部分的設(shè)計(jì)。

2.4 電機(jī)選用

本次設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件是由電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，因此電機(jī)的選擇是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。常見的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式在于對步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，為了設(shè)計(jì)的方便，此次設(shè)計(jì)選擇電機(jī)為四相的步進(jìn)電機(jī)（內(nèi)阻33 Ω，步進(jìn)角度1.8°，額定電壓12 V）。

想要驅(qū)動(dòng)電機(jī)，必須需要響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，因此使用LN298 芯片，不僅可以充分發(fā)揮了步進(jìn)電機(jī)的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，而且從經(jīng)濟(jì)考慮，價(jià)格不高，其可以直接用單片機(jī)模擬出時(shí)序信號(hào)，控制不復(fù)雜。

本文步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，螺桿導(dǎo)程為2 mm，所以單片機(jī)需要發(fā)出200 個(gè)脈沖，螺桿螺母將轉(zhuǎn)動(dòng)一周，其簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9 所示。

圖9 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖10 所示，單片機(jī)對EN A、EN B 口發(fā)送方波脈沖信號(hào)，接P3.4、P3.5 引腳，IN1~IN4 接AT89C51 單片機(jī)P0.0~P0.3 口；單片機(jī)接受到力傳感器和位置信號(hào)后，通過輸出脈沖，然后經(jīng)過LN298 芯片信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及啟停。

圖10 電機(jī)接線圖

3 仿真分析

3.1 三維裝配

在機(jī)械手裝配過程中與其他裝配過程大致相同，在裝配時(shí)，需要選擇合理的連接方式，使后期仿真順利進(jìn)行，因此選用銷釘、滑塊等方式進(jìn)行裝配，其裝配圖先進(jìn)行手指部分，然后進(jìn)行總裝配。

3.2 仿真過程

為了使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠合理地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)需要的功能，在設(shè)計(jì)中往往會(huì)進(jìn)行仿真分析，本文利用creo4.0 進(jìn)行仿真分析，其仿真分析過程如下。①打開已經(jīng)裝配好的機(jī)械手爪，點(diǎn)擊“應(yīng)用程序”，運(yùn)行“機(jī)構(gòu)”命令。②點(diǎn)擊電動(dòng)機(jī)，為機(jī)械手添加驅(qū)動(dòng)裝置。③進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，點(diǎn)擊運(yùn)行。④點(diǎn)擊“回放”，然后打開“動(dòng)畫”界面。⑤打開“動(dòng)畫”界面后，選擇播放查看仿真是否合適，隨后點(diǎn)擊“捕獲”，選擇保存路徑，點(diǎn)擊保存的視頻類型，隨后點(diǎn)擊確定，最后就能夠獲得仿真動(dòng)畫視頻。⑥曲線圖繪制。點(diǎn)擊測量，進(jìn)行新建測量定義，輸入需要測量的角速度連接軸，點(diǎn)擊圖形工具，曲線圖如圖11 所示。

圖11 角速度圖

4 結(jié)束語

蘋果人工采摘作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、人工成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，是蘋果生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，研制一款蘋果采摘機(jī)器人具有重要的經(jīng)濟(jì)意義，能夠有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生成效率，保證蘋果及時(shí)采收。通過對蘋果采摘機(jī)器人手指和手掌進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尺寸計(jì)算和受力分析，完成了蘋果采摘機(jī)械手的整體方案，并進(jìn)行了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和簡單的仿真，驗(yàn)證了該機(jī)械手的設(shè)計(jì)合理性，零件的結(jié)構(gòu)要素符合預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為下一步的步態(tài)規(guī)劃和樣機(jī)研制奠定了基礎(chǔ)。