無系留氣動(dòng)自適應(yīng)球果采摘軟體手爪設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

趙云偉 黃浩然 劉曉敏 張維懿 耿德旭

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,吉林 132021)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)果實(shí)自動(dòng)化采摘作業(yè),節(jié)約人工成本,提高采摘效率,需要研制高效靈活、便攜安全、可靠性高和自適應(yīng)強(qiáng)的采摘手爪[1-4]。近年來,采摘手爪的發(fā)展歷經(jīng)“系留到無系留,剛性到柔性,適應(yīng)到自適應(yīng)”過程。系留結(jié)構(gòu)采摘手爪,其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜且纜線冗余便攜性差[5-6],難以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化采摘。而無系留結(jié)構(gòu)緊湊[7]、去除纜線便攜靈活,適合全方位自動(dòng)化采摘作業(yè)。其集材料、驅(qū)動(dòng)、傳感與控制于一體,實(shí)現(xiàn)方式有機(jī)電集成、場(chǎng)效轉(zhuǎn)化和生化反應(yīng)等[8]。常見的驅(qū)動(dòng)方式有電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或利用電機(jī)拉線驅(qū)動(dòng)[9];嵌入微泵[10-12]與儲(chǔ)能罐或燃燒膨脹與化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氣等,如H2O2分解產(chǎn)生高壓氣體驅(qū)動(dòng)[13];場(chǎng)效應(yīng)作用下電致或磁致變形驅(qū)動(dòng)[14],如采用電介質(zhì)彈性體[15]及利用熱敏和光敏等功能材料變形驅(qū)動(dòng)等[16]。

作為執(zhí)行器的采摘手爪也逐漸由剛性向柔性發(fā)展,采用類似生物特性的柔性驅(qū)動(dòng)器代替剛性桿件作為爪指[17-22],提升執(zhí)行器對(duì)多類型球果的物性適應(yīng)性,并在接觸球果過程中避免表面損傷保證球果品質(zhì)。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)采摘,國內(nèi)外相繼提出了類皮膚傳感軟體手爪[23-24]。將可識(shí)別觸覺壓力、溫度和位置等傳感器內(nèi)嵌于軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi),在抓持過程中實(shí)現(xiàn)自身變形監(jiān)測(cè)、接觸力控制和溫度感知[25-27]。本文無系留驅(qū)動(dòng)采用直供自循環(huán)方式,無需借助外界氣源,較傳統(tǒng)的泵與閥組集成方式氣路簡單易于小型化。所設(shè)計(jì)自適應(yīng)軟體手爪與氣泵直連,利用自身密閉氣腔往復(fù)循環(huán)供氣,即可實(shí)現(xiàn)增壓減壓完成手爪收攏釋放。通過爪指內(nèi)嵌柔性薄膜壓力傳感器反饋壓力信號(hào)調(diào)控電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞改變供氣壓力,快速實(shí)現(xiàn)力反饋與力控制,適合安裝在自動(dòng)化移動(dòng)平臺(tái)上作為采摘執(zhí)行器。

本文針對(duì)球形果實(shí),采用自循環(huán)供氣與傳感集成設(shè)計(jì)一種無系留氣動(dòng)自適應(yīng)球果采摘軟體手爪,研究自循環(huán)氣泵性能與自適應(yīng)采摘手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作工藝,建立氣泵壓力模型與手爪抓持力模型,建立自適應(yīng)控制系統(tǒng)和抓取機(jī)制,并在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下模擬球果采摘與分揀,驗(yàn)證其性能。

1 無系留自適應(yīng)手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

無系留自適應(yīng)采摘軟體手爪采用模塊化集成式設(shè)計(jì),可分為控制模塊、動(dòng)力模塊和執(zhí)行模塊。其中控制模塊包含控制器與電池組,動(dòng)力模塊為自循環(huán)氣泵,夾持模塊為多類型自適應(yīng)手爪。各模塊間串聯(lián)集成,可靈活組配。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,自循環(huán)氣泵與自適應(yīng)手爪復(fù)合一體,手爪位于自循環(huán)氣泵前端,便攜式控制器位于氣泵后方,氣泵作為手臂支撐手爪同時(shí)為球果采摘提供動(dòng)力。控制器可匹配42系列各型號(hào)步進(jìn)電機(jī),氣泵與軟體手爪可拆卸更換。采摘手爪為950 g,設(shè)計(jì)采摘質(zhì)量小于500 g、直徑為 45～100 mm球果[28];為實(shí)現(xiàn)球果無損抓取,設(shè)計(jì)手爪的夾持力F的范圍為Fmin≤F≤Fmax,式中Fmin為抓取目標(biāo)蘋果所需最小夾持力(因目標(biāo)球果尺寸和質(zhì)量各異,由抓取實(shí)驗(yàn)確定),Fmax為蘋果破壞壓力(Fmax=20 N[29])。

圖1 無系留自適應(yīng)球果采摘手爪整體結(jié)構(gòu)圖

為提高結(jié)構(gòu)空間利用率,采用可拆卸外殼將控制系統(tǒng)與自循環(huán)氣泵連接為一體,便于拆卸安裝。采摘手爪各部件連接如圖2所示,控制器與電機(jī)通過快接插頭快速接線便于更換。氣泵與手爪通過基座連接,由密封環(huán)密封形成統(tǒng)一密閉空間,壓力傳感器接線經(jīng)由軟體手爪與氣泵連至電機(jī)底座。

1.2 自循環(huán)氣泵設(shè)計(jì)

自循環(huán)氣泵采用柱塞式設(shè)計(jì),氣泵結(jié)構(gòu)見圖3。在工作中,氣泵內(nèi)腔與手爪內(nèi)腔相連構(gòu)成封閉空間,通過活塞運(yùn)動(dòng)將氣泵內(nèi)腔內(nèi)氣體壓入手爪內(nèi),實(shí)現(xiàn)軟體手爪無系留自循環(huán)供氣(增壓/減壓),完成手爪采摘所需動(dòng)作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠通過法蘭螺母(圖4a)帶動(dòng)導(dǎo)向桿推動(dòng)活塞在泵腔內(nèi)滑動(dòng)。由圖3可知,泵體內(nèi)絲杠隱藏于導(dǎo)向桿內(nèi)部圓柱空腔中,導(dǎo)向桿兩側(cè)具有U形臺(tái)肩(圖4b),臺(tái)肩內(nèi)部設(shè)有連接螺紋孔通過螺栓與法蘭螺母連接,導(dǎo)向座內(nèi)部同樣為圓柱空腔結(jié)構(gòu)(圖4c),其近氣腔端面部分留有限轉(zhuǎn)通槽,用于限制導(dǎo)向桿轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)底部設(shè)有方形法蘭盤,用于連接絲杠電機(jī)。泵嘴位置增設(shè)方形臺(tái)肩(圖4d)連接軟體手爪。氣泵軸向最大長度為210 mm,最大徑向長度為55 mm,活塞最大行程為60 mm,質(zhì)量為510 g。

圖4 自循環(huán)氣泵關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)圖

1.3 氣泵壓力數(shù)學(xué)模型

假設(shè)氣腔內(nèi)部空氣為理想氣體,根據(jù)波義耳定律,在恒溫密閉空間下,腔內(nèi)氣體壓縮前后氣壓變化關(guān)系為

pV=p0V0

(1)

式中p、V——壓縮后的氣壓與容積

p0、V0——初始?xì)鈮号c容積

氣泵內(nèi)氣腔為圓柱狀,其初始容積為

(2)

式中L0——活塞最大行程

D——?dú)獗脙?nèi)腔直徑

L1、d1——噴嘴長度和內(nèi)徑

由活塞推進(jìn)行程可知,變化后的氣腔容積為

(3)

(4)

式中t——活塞運(yùn)行時(shí)間

ΔV——變化容積

v——活塞移動(dòng)速度

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速d——絲杠導(dǎo)程

將式(2)～(4)代入式(1)中,可得到經(jīng)活塞壓縮后泵腔內(nèi)的氣壓為

(5)

由式(5)可知,通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速與活塞運(yùn)行時(shí)間即脈沖數(shù)可控制輸出氣體壓力。

1.4 自適應(yīng)軟體手爪設(shè)計(jì)

針對(duì)球果尺寸和采摘環(huán)境分別設(shè)計(jì)了3種類型軟體手爪(圖5),分為四指十字對(duì)稱結(jié)構(gòu)(Ⅰ型和Ⅱ型)和三指中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)(Ⅲ型),其中四指十字對(duì)稱結(jié)構(gòu)分為爪指平行布局和爪指傾斜外展。Ⅰ型手爪的末端粗壯(圖5a)且橫向空間占比較大,適合用于果樹枝杈相對(duì)稀疏且采摘環(huán)境良好的溫室和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。較Ⅰ型手爪,Ⅱ型和Ⅲ型手爪爪指相對(duì)于手掌平面呈一定角度傾斜外展(圖5b和圖5c),縮小了手爪末端的橫向尺寸,動(dòng)作更為靈活,減少了在實(shí)際果園采摘時(shí)不必要的碰撞。且由軟體手爪對(duì)不同尺寸球果的抓取仿真(圖6)可知,Ⅰ型軟體手爪適合采摘直徑略小球果(Ds為球果直徑,Ds≤60 mm);由于Ⅱ型軟體手爪的爪指更為細(xì)長,較Ⅰ型手爪可實(shí)現(xiàn)較大尺寸球果的包絡(luò),避免抓取時(shí)滑移、過載和超調(diào)等,適合用于外形較大(60 mm

圖5 軟體手爪類型

圖6 手爪抓取仿真

所設(shè)計(jì)軟體手爪采用柔順靈巧的網(wǎng)格型腔氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器。以Ⅰ型軟體手爪為例,軟體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)見圖7a,其內(nèi)部采用寬大的矩形氣室以增加橫截面積獲得足夠的輸出力,底部為薄而寬的限制層以提高手爪柔性和物形適應(yīng)性,并避免抓取時(shí)應(yīng)力過大損傷球果。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)球果自適應(yīng)采摘,模擬人手神經(jīng)觸覺,爪指內(nèi)側(cè)嵌入柔性薄膜壓力傳感器(圖7b)。傳感器可作為爪指限制層與手爪復(fù)合一體,使軟體手爪具有類人手皮膚的力感知能力,以識(shí)別手爪與球果間的接觸狀態(tài),并進(jìn)行實(shí)時(shí)力反饋。軟體手爪中心設(shè)有手爪基座,基座內(nèi)壁增厚,用于與泵嘴間連接與密封。

圖7 Ⅰ型自適應(yīng)軟體手爪結(jié)構(gòu)

1.5 自適應(yīng)軟體手爪制作工藝

為保證手爪四指變形一致性,采用一體澆鑄成形工藝,將傳感器與手爪直接復(fù)合一體。以Ⅰ型軟體手爪為例,其制作工藝流程如圖8所示,首先制作手爪腔體上下模具及限制層模具(圖8a);其次組裝腔體上下模具(圖8b);然后使用脫泡后的E630硅橡膠溶液進(jìn)行澆鑄(圖8c);待硅膠半固化后裝配手掌基座模具(圖8d)并進(jìn)行二次澆鑄(圖8e);至完全固化后脫模分離腔體下模具(圖8f),最后將腔體與限制層和傳感器依次套裝粘接(圖8g)并連接導(dǎo)線,二次脫模后完成自適應(yīng)軟體手爪制作(圖8h)。

圖8 手爪制作工藝

2 球果自適應(yīng)抓取分析

在球果采摘過程中,當(dāng)手爪與球果接觸后可通過爪指內(nèi)嵌的力傳感器反饋?zhàn)コ至?配合程序調(diào)控以適應(yīng)多尺寸、多類型球果抓取。

2.1 抓持力分析

手爪與球果接觸后產(chǎn)生的抓持力包括正壓力Fn和摩擦力Ff,可分別描述為

(6)

式中Fni——第i指與球果接觸正壓力

μ——摩擦因數(shù)

軟體爪指在氣壓作用下彎曲變形與目標(biāo)球果接觸,其正壓力為爪指輸出力分力,則Fni可表示為

Fni=KpSi(i=1,2,3,4)

(7)

式中K——比例協(xié)調(diào)系數(shù)

Si——?dú)馐覚M截面積

以軟體手爪垂直抓取球果為例,手爪抓持力模型見圖9。

圖9 手爪抓持力模型

以球果中心為坐標(biāo)原點(diǎn),圖中紅色陰影區(qū)域?yàn)楦髯χ概c球果接觸區(qū)域。假設(shè)手爪4指變形一致同時(shí)接觸球果,由力平衡分析可知,摩擦力與球果重力G關(guān)系為

(8)

式中β——摩擦力與重力方向夾角

由式(8)可知,當(dāng)爪指與目標(biāo)球果接觸后,可通過調(diào)節(jié)爪指內(nèi)腔氣體壓力控制夾持力以實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)量球果抓取。

2.2 采摘手爪自適應(yīng)控制系統(tǒng)

軟體手爪自適應(yīng)控制系統(tǒng)見圖10,由圖可見系統(tǒng)組成與接線方式(圖10a)。藍(lán)牙模塊將接收遙控器傳輸?shù)男盘?hào)傳遞給控制器,控制器(Arduino Uno)發(fā)出控制指令,經(jīng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制自循環(huán)氣泵電機(jī)(42BYGH48型步進(jìn)電機(jī))推進(jìn)活塞給手爪供壓。在抓持過程中產(chǎn)生的接觸力信號(hào)通過轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后反饋給控制器,經(jīng)控制器判斷后再次向電機(jī)發(fā)出指令,調(diào)整活塞位置進(jìn)而調(diào)整手爪夾持力完成球果自適應(yīng)抓取(圖10b)。

圖10 球果采摘自適應(yīng)控制系統(tǒng)

2.3 自適應(yīng)抓取機(jī)制

為成功采摘球果,基于圖10所示控制系統(tǒng),建立自適應(yīng)抓取機(jī)制。球果尺寸識(shí)別算法為:

If (Grasping Force <0.35 N &¤t piston position

∥若夾持力小于接觸判別力Fcon(Fcon=0.35 N),且活塞未達(dá)到最大行程

grasping motion; ∥執(zhí)行抓取動(dòng)作

Current piston position = Calculate Piston position; ∥記錄當(dāng)前活塞位置

If (Grasping Force = >0.35 N);∥若夾持力大于等于0.35 N時(shí)進(jìn)入抓取模式選擇

Adaptive grasping;∥自適應(yīng)抓取

識(shí)別手爪與球果接觸后,選擇相應(yīng)抓取模式進(jìn)行球果抓取;若夾持力過小(FFmax)超過球果破壞力,則控制電機(jī)快速反轉(zhuǎn)令活塞后移以減小夾持力避免損傷球果。具體算法為:

Adaptive grasping();∥執(zhí)行自適應(yīng)抓取

Switch(); ∥選擇抓取模式

Case (current piston position >min &¤t piston position

If (Grasping Force

∥若夾持力小于抓取所需最小夾持力

grasping motion;∥快速增加夾持力

If (Grasping Force >Damaged force (Fmax) )

∥若夾持力大于球果破壞力

release motion; ∥執(zhí)行釋放動(dòng)作,減小夾持力

If (Grasping Force >=Fmin&&Grasping Force <=Fmax)

∥若夾持力在合理范圍內(nèi)

Keep grasping motion;∥保持夾持力狀態(tài)

…其他尺寸球果相應(yīng)抓取模式

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 自供氣氣泵性能測(cè)試

圖11為自循環(huán)氣泵性能測(cè)試系統(tǒng),利用安裝于氣泵前端的氣壓傳感器(PSE560-01型)測(cè)試不同電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)正負(fù)壓全域下的自循環(huán)氣泵氣壓性能。具體實(shí)驗(yàn)和氣泵參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)條件與氣泵參數(shù)

圖11 氣泵性能測(cè)試系統(tǒng)

電機(jī)正轉(zhuǎn)通過絲杠推進(jìn)活塞壓縮泵腔氣體,由圖12測(cè)得轉(zhuǎn)速250 r/min下泵出口壓力變化,可知?dú)鈮弘S活塞行程增加,出口壓力隨之呈非線性增加。由式(5)得到的泵壓力理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知,二者趨勢(shì)一致,吻合較好,建立的氣壓模型能夠真實(shí)反映活塞擠壓下氣泵輸出壓力變化。

圖12 氣泵氣壓隨時(shí)間變化曲線

圖13為不同轉(zhuǎn)速下自循環(huán)氣泵峰值氣壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系。由圖中可見,電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)氣泵可提供最大0.185 MPa峰值氣壓,此后,隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增加,即活塞推進(jìn)速度增加,氣壓有所下降。在電機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/min下,峰值氣壓明顯下降,壓力最小值為0.165 MPa。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速250 r/min時(shí),活塞快速移動(dòng),此時(shí)峰值氣壓產(chǎn)生較大波動(dòng)。在轉(zhuǎn)速175 r/min下,波動(dòng)最小工作穩(wěn)定。測(cè)試結(jié)果表明,不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下氣泵皆可為手爪提供足夠氣壓。

圖13 氣泵峰值氣壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

在轉(zhuǎn)速250 r/min下,自循環(huán)氣泵由增壓至減壓,正壓至負(fù)壓全域內(nèi)氣壓變化見圖14。實(shí)驗(yàn)中,給定活塞20 mm最大負(fù)壓行程以實(shí)現(xiàn)氣泵壓力由正到負(fù)的全域變化。由圖14可知,0～3 s內(nèi)為升壓區(qū)間,隨活塞移動(dòng),氣壓快速上升直至峰值氣壓。此時(shí)步進(jìn)電機(jī)依然維持一定轉(zhuǎn)矩,使活塞保持位置而不回退為穩(wěn)壓階段。6 s后電機(jī)反轉(zhuǎn),隨活塞加速后移,壓力快速下降?；钊脸跏嘉恢煤?電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)活塞向后移動(dòng),抽取氣體。當(dāng)活塞移動(dòng)至最大負(fù)壓位置時(shí),負(fù)壓最低可至-0.03 MPa。在升壓區(qū)間內(nèi),氣壓下爪指逐步彎曲收攏(Abaqus仿真),至峰值氣壓時(shí)爪指四指彎曲閉合,減壓區(qū)間內(nèi),隨電機(jī)反轉(zhuǎn)爪指快速釋放,負(fù)壓區(qū)間內(nèi)四指反向彎曲,增加抓取空間。

圖14 自循環(huán)氣泵氣壓全域變化

由自循環(huán)氣泵氣壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)與手爪變形仿真分析可知,氣泵可實(shí)現(xiàn)由正壓至負(fù)壓的全域氣壓變化,提供穩(wěn)定的輸出氣壓,滿足手爪變形的動(dòng)力需求。

3.2 手爪靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)

以Ⅰ型軟體手爪為例,制作物理樣機(jī)并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

(1)彎曲變形

圖15為Ⅰ型軟體手爪彎曲變形隨氣壓變化,由圖中可見手爪端面轉(zhuǎn)角與氣壓成正比,隨氣壓增加軟體手爪隨之呈類似手指弧狀彎曲。在0.12 MPa下手爪收攏閉合。

圖15 爪指端面轉(zhuǎn)角隨氣壓變化曲線

(2)抓持力

氣泵供壓后手爪彎曲變形與目標(biāo)球果接觸產(chǎn)生正壓力,接觸點(diǎn)的正壓力可通過固定于爪指下方的六維力傳感器測(cè)得,傳感器上方設(shè)有球形觸點(diǎn),其位于球果輪廓上。圖16為電機(jī)轉(zhuǎn)速250 r/min下手爪發(fā)生相應(yīng)彎曲變形后與接觸點(diǎn)產(chǎn)生正壓力隨活塞推進(jìn)時(shí)間變化。由圖中可見,手爪與接觸點(diǎn)正壓力隨活塞推進(jìn)呈非線性增加,理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,通過調(diào)整氣泵供壓可控制手爪抓取球果時(shí)的夾持力,且產(chǎn)生的正壓力遠(yuǎn)小于破壞力Fmax?？梢姂?yīng)用該手爪采摘球果主動(dòng)、安全且夾持力可控,可實(shí)現(xiàn)無損采摘。

圖16 正壓力隨時(shí)間變化曲線

圖17為氣泵電機(jī)間隔轉(zhuǎn)速50 r/min下,手爪正壓力隨時(shí)間變化。由圖中可見,不同轉(zhuǎn)速下正壓力皆可達(dá)到峰值壓力1.75 N。隨轉(zhuǎn)速增加,達(dá)到峰值氣壓的響應(yīng)時(shí)間隨之減少,在轉(zhuǎn)速250 r/min下,手爪輸出力達(dá)到峰值最小響應(yīng)時(shí)間為7.2 s。

圖17 不同轉(zhuǎn)速時(shí)正壓力變化曲線

3.3 壓力傳感器性能測(cè)試

采用測(cè)力計(jì)(HF-100型)觸壓薄膜壓力傳感器(SF15-54型),進(jìn)行傳感器反饋力標(biāo)定,其標(biāo)定結(jié)果如圖18所示,從圖中可知,壓力與電壓呈線性關(guān)系,對(duì)其擬合可得圖18所示公式,該式可用于計(jì)算薄膜壓力傳感器反饋力。

圖18 傳感器壓力與電壓關(guān)系曲線

圖19為傳感器在整體彎曲30°時(shí)的壓敏測(cè)試,測(cè)試過程中隨機(jī)選取4點(diǎn),沖擊力依次增加,最大沖擊力為1.7 N。無壓力觸發(fā)時(shí),薄膜壓力傳感器壓力信號(hào)在±0.2 N區(qū)間內(nèi)波動(dòng),結(jié)果表明,傳感器對(duì)4次微小力觸壓均可做出靈敏反應(yīng),響應(yīng)速度小于30 ms,該薄膜觸力傳感器可靈敏有效反饋采摘手爪抓持力。

圖19 傳感器壓敏測(cè)試結(jié)果

3.4 球果自適應(yīng)抓取實(shí)驗(yàn)

由自適應(yīng)抓取算法完成控制與傳感聯(lián)合自適應(yīng)抓取效能驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖20,實(shí)驗(yàn)中選取直徑為86 mm、質(zhì)量為270 g的目標(biāo)球果。圖中展示了手爪抓取球果從接觸、抓緊與釋放,滑移與過載全程觸力變化。氣泵供壓后至t0時(shí)刻手爪變形與球果接觸識(shí)別球果尺寸,選取預(yù)設(shè)抓取模式(表2)抓緊球果;t2時(shí)刻內(nèi)手爪抓住球果向下滑移,此時(shí)控制器接收反饋力信號(hào),電機(jī)正轉(zhuǎn)活塞下移增壓直至抓緊球果;t4-t5時(shí)刻內(nèi)過載判別,此時(shí)通過手指觸壓手爪,施加外力致使過載觸發(fā)程序,電機(jī)反轉(zhuǎn)使活塞上移減壓,手爪釋放球果避免球果損傷。經(jīng)程序辨別后,t5～t6時(shí)刻內(nèi)二次加壓抓取球果。結(jié)果表明,文中設(shè)計(jì)的軟體手爪通過接觸力反饋與程序控制可以有效實(shí)現(xiàn)球果自適應(yīng)抓取。

圖20 自適應(yīng)抓取實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.5 采摘和分揀實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬采摘系統(tǒng)和球果自適應(yīng)控制原理見圖21與圖22,無系留自適應(yīng)軟體手爪安裝于地面移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上,利用視覺傳感系統(tǒng)捕捉球果位置,通過六自由度機(jī)械臂伸展達(dá)到目標(biāo)球果位置,由六自由度機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)完成采摘。當(dāng)目標(biāo)球果位于采摘范圍時(shí),由控制器發(fā)出控制指令控制自循環(huán)氣泵電機(jī)正轉(zhuǎn),推動(dòng)活塞將泵腔內(nèi)氣體壓入軟體手爪抓取球果;爪指內(nèi)嵌薄膜壓力傳感器將測(cè)得爪指與球果夾持力反饋給控制器?？刂破饕罁?jù)反饋的夾持力信號(hào)識(shí)別手爪與球果接觸后,選擇相應(yīng)抓取模式開始抓取,并在抓持過程中進(jìn)行夾持判斷,如正常抓取、滑移或過載等,直至安全可靠地抓緊球果。

圖21 模擬采摘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖22 球果自適應(yīng)采摘控制原理圖

Ⅰ型軟體手爪在自循環(huán)氣泵驅(qū)動(dòng)下,做出采摘?jiǎng)幼鲗?duì)不同尺寸球果抓取(圖23)。圖24中所示多種球果抓取,具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2,表中tc時(shí)刻為爪指與球果接觸時(shí)活塞運(yùn)行時(shí)間,繼續(xù)推進(jìn)活塞運(yùn)行時(shí)間增量Δt,抓緊球果,由于球果質(zhì)量與尺寸不同,抓持所需要的tc與Δt不同。

圖23 手爪采摘?jiǎng)幼?/p>

在理想化實(shí)驗(yàn)條件下,從表2中任選5種球果分別進(jìn)行抓取,成功率見表3。實(shí)驗(yàn)中每種球果分別進(jìn)行55次抓取,且在抓穩(wěn)后實(shí)施人為擾動(dòng)。經(jīng)對(duì)比可知,應(yīng)用自適應(yīng)控制后球果平均抓取成功率從63.62%提升至97.46%。

球果模擬采摘與分揀見圖25～27,采摘過程分為4步,平均用時(shí)15 s。以Ⅰ型軟體手爪采摘蘋果為例,首先通過視覺傳感單元捕捉球果位置(圖25),操控地面移動(dòng)機(jī)器人接近目標(biāo)球果(圖26a);展開機(jī)械臂使球果位于采摘范圍(圖26b);調(diào)控自循環(huán)氣泵施加氣壓驅(qū)動(dòng)手爪彎曲包裹球果,當(dāng)爪指與球果接觸后,辨別球果尺寸并選擇相應(yīng)抓取模式抓取球果(圖26c);最后通過機(jī)械臂回轉(zhuǎn)扭斷果梗完成采摘(圖26d),采摘后即可進(jìn)行分揀作業(yè),見圖27。球果采摘實(shí)驗(yàn)表明,該無系留自適應(yīng)球果采摘軟體手爪便攜、靈活和易于控制,可實(shí)現(xiàn)多尺寸多類型球果無損傷自適應(yīng)采摘。

圖25 目標(biāo)球果影像

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了無系留氣動(dòng)自適應(yīng)球果采摘軟體手爪,并以Ⅰ型軟體手爪為例研制了物理樣機(jī)。手爪連同自循環(huán)氣泵長為230 mm,質(zhì)量為950 g,手掌寬為136 mm。其中自循環(huán)氣泵可提供的氣壓范圍為-0.03～0.185 MPa,軟體手爪在0.12 MPa下收攏閉合,完成球果抓取動(dòng)作。

(2)建立了自循環(huán)氣泵壓力模型與手爪抓持力模型并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,獲得了氣泵驅(qū)動(dòng)性能和手爪夾持力特性。氣泵電機(jī)轉(zhuǎn)速為250 r/min,脈沖時(shí)間為7.2 s時(shí)峰值壓力可達(dá)0.185 MPa,爪指最大正壓力為1.75 N。結(jié)果表明,自循環(huán)氣泵可提供穩(wěn)定的輸出氣壓,滿足手爪變形的動(dòng)力需求,且通過調(diào)整氣泵供壓可以控制手爪抓取球果時(shí)的夾持力。

(3)建立了自適應(yīng)控制系統(tǒng)和抓取機(jī)制,進(jìn)行了自適應(yīng)抓取實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與直徑范圍從48.5～97 mm、質(zhì)量從 50～350 g的14種球果抓取實(shí)驗(yàn),并在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下完成了球果采摘與分揀實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,內(nèi)嵌薄膜壓力傳感器的無系留自適應(yīng)球果采摘軟體手爪可有效反饋?zhàn)χ概c球果間的抓持力,配合自適應(yīng)控制程序可實(shí)現(xiàn)多尺寸、多類型球果無損傷自適應(yīng)采摘,平均采摘用時(shí)為15 s,成功率為97.46%。