設(shè)施短柄剪切的蘋果采摘執(zhí)行器設(shè)計(jì)與仿真*

王文衛(wèi) ，單以才 ，陳思宇 ，林 鴻 ，王金鵬

（1.南京曉莊學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210071；2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

0 引言

隨著當(dāng)前我國(guó)蔬果的種植與收獲朝著規(guī)?；?、機(jī)械化、智能化發(fā)展，設(shè)施蘋果采摘機(jī)器人的發(fā)展正日益提速[1-2]。設(shè)施機(jī)器人采摘時(shí)，對(duì)蘋果的精準(zhǔn)識(shí)別定位較為困難，夾傷果實(shí)的情況時(shí)有發(fā)生，采摘后的果柄常常需要二次加工?？梢?，蘋果的自然生長(zhǎng)環(huán)境及其特有的構(gòu)造、形貌和重量，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人整機(jī)性能的要求通常要比工業(yè)機(jī)器人嚴(yán)苛得多[3-4]。

采摘執(zhí)行器作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人與蘋果直接進(jìn)行接觸的部件，其持果、斷柄的方法影響著采摘的成功率和損傷率，因而一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[5-9]。調(diào)研現(xiàn)有采摘執(zhí)行器機(jī)型發(fā)現(xiàn)，目前持果方式主要有柔性夾持、真空吸附等，而斷柄則采取剪切、擰斷等方法[10-14]。其中，前者均需對(duì)待采摘的蘋果進(jìn)行精準(zhǔn)的識(shí)別定位，后者需設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)來完成斷柄作業(yè)。至今，現(xiàn)有的采摘執(zhí)行器雖然對(duì)設(shè)施機(jī)器人采摘蘋果的實(shí)現(xiàn)起到了顯著的推動(dòng)作用，但在采摘效率和成功率方面與實(shí)際需求仍存在較大差距，有關(guān)蘋果短柄剪切的研究也鮮有報(bào)道。

探究造成上述差距的原因，根源依然是采摘執(zhí)行器的持果、斷柄等問題未能得到很好的解決。對(duì)此，課題組基于仿生咬切原理，結(jié)合現(xiàn)有的蘋果識(shí)別定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種大容差采摘執(zhí)行器，以單個(gè)驅(qū)動(dòng)對(duì)懸置蘋果設(shè)施無需夾持的短柄剪切，在實(shí)現(xiàn)低損高效采摘的同時(shí)，降低設(shè)備的制造成本。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

參照爬行類動(dòng)物在叢林中的快速捕食過程（即“伸—咬—縮”）[15]，設(shè)計(jì)了一種大容差蘋果采摘執(zhí)行器，如圖1所示，主要由并聯(lián)調(diào)姿機(jī)構(gòu)、原地剪切機(jī)構(gòu)、雙目視覺等組成。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 并聯(lián)調(diào)姿機(jī)構(gòu)

為了滿足自然環(huán)境下蘋果對(duì)采摘機(jī)器人本體頻繁調(diào)姿的需求并降低整機(jī)功耗，課題組設(shè)計(jì)的采摘執(zhí)行器配有一個(gè)并聯(lián)調(diào)姿機(jī)構(gòu)，具有局部調(diào)姿和輔助進(jìn)刀的雙重功能。該機(jī)構(gòu)包括定平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)以及用于連接定、動(dòng)平臺(tái)的三支電動(dòng)伸縮桿和一支定長(zhǎng)中心桿，具體如圖2所示。

圖2 并聯(lián)調(diào)姿機(jī)構(gòu)

其中，本設(shè)計(jì)將動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在定平臺(tái)的下方，防止調(diào)姿過程中動(dòng)平臺(tái)與周圍枝葉發(fā)生干涉。三支電動(dòng)伸縮桿兩端均通過球鉸連接定、動(dòng)平臺(tái)。定長(zhǎng)中心桿下端與動(dòng)平臺(tái)固連，中上部通過球鉸與定平臺(tái)相連，在增大原地剪切機(jī)構(gòu)工作范圍的同時(shí)，還能使原地剪切機(jī)構(gòu)在小范圍內(nèi)靈活調(diào)姿。

1.1.2 原地剪切機(jī)構(gòu)

6.1 澆水 苗木移栽前澆水，樹坑澆滿水，切忌澆半坑水，若發(fā)現(xiàn)水下漏，應(yīng)及時(shí)填土，直到土不再下沉為止，否則根系懸空透氣與土壤結(jié)合不上，導(dǎo)致苗木死亡。栽植后3d內(nèi)再澆第2次透水，10d內(nèi)澆第3次透水，以后澆水次數(shù)視天氣、土壤和樹種等情況而定，每次澆水都要培土、處理裂縫和做護(hù)圈。

采摘執(zhí)行器的原地剪切機(jī)構(gòu)用于分離蘋果與枝干，由攏果殼體、咬切組件、連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和差動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)四部分組成，如圖3所示。

圖3 原地剪切機(jī)構(gòu)

其中，攏果殼體設(shè)計(jì)為球體，上面配有徑向的進(jìn)果口和輸果通道，在兩弧形顎架的協(xié)同約束下，能對(duì)被采摘的蘋果設(shè)施可靠攏持，克服了夾持力不當(dāng)會(huì)損傷果實(shí)的缺陷。連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)稱排布在攏果殼體的兩側(cè)，帶動(dòng)咬切組件沿殼體球面滑移，可避免進(jìn)刀時(shí)咬切組件與相鄰枝丫、樹葉發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，有助提高剪切成功率和采摘效率。咬切組件包括兩弧形顎架和構(gòu)成對(duì)合的Ⅴ型剪切刀片組。差動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)安裝在原地剪切機(jī)構(gòu)外套桿的下端，采摘時(shí)使攏果殼體相對(duì)懸置蘋果無需產(chǎn)生位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)果柄設(shè)施短柄剪切，有效減少采摘后的蘋果果柄二次加工。

1.2 工作原理

大容差采摘執(zhí)行器裝接于蘋果采摘機(jī)器人末端，其工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程圖

其中，原地剪切機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)主要涉及以下兩個(gè)動(dòng)作：

1）差動(dòng)進(jìn)給。進(jìn)給電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿通過其上兩段旋向相反、螺距相等的螺紋分別驅(qū)動(dòng)內(nèi)套桿和外套桿沿著定平臺(tái)中心軸線方向移動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)原地剪切機(jī)構(gòu)的差動(dòng)進(jìn)給。

2）原地剪切。內(nèi)套桿及攏果殼體在連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下相對(duì)外套桿上移，兩弧形顎架帶動(dòng)刀片組對(duì)果柄進(jìn)行剪切；與此同時(shí)，外套桿相對(duì)定平臺(tái)下移，由于絲桿與內(nèi)套桿和動(dòng)平臺(tái)連接的螺距相等，此時(shí)攏果殼體相對(duì)懸置蘋果并未發(fā)生位移，從而實(shí)現(xiàn)原地剪切。

2 設(shè)施短柄剪切的設(shè)計(jì)與分析

2.1 大容差

蘋果的構(gòu)造是采摘執(zhí)行器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。據(jù)調(diào)研，精品蘋果橫向直徑為60 mm～75 mm。因此本文取攏果殼體直徑為160 mm，進(jìn)果孔孔徑為Φ80 mm，則采摘執(zhí)行器的攏果定位誤差為：

其中，Dq為進(jìn)果孔直徑，dg為蘋果橫向直徑，則該執(zhí)行器的攏果定位誤差為6.7%～33.3%。較大的攏果定位誤差，可有效簡(jiǎn)化視覺識(shí)別定位算法，縮短識(shí)別定位時(shí)間，提高采摘效率[16]。

2.2 原地咬切

為保證大容差的設(shè)計(jì)方案得以順利實(shí)施，連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與咬切組件的互連方式如圖5所示，兩個(gè)弧形顎架上分別設(shè)有一組Ⅴ型剪切刀片。剪切時(shí)，內(nèi)套桿相對(duì)外套桿產(chǎn)生上移運(yùn)動(dòng)，通過由T型連桿與直連桿構(gòu)成的連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)咬切組件產(chǎn)生擺動(dòng)，逐步合攏的兩組Ⅴ型剪切刀片對(duì)果柄的位姿具有一定的糾正能力，可以彌補(bǔ)大容差捕果帶來的定位精度低等不足，同時(shí)也能克服單側(cè)Ⅴ型剪切可能誘發(fā)果柄發(fā)生逃脫的缺陷。

圖5 連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與咬切組件的互連示意圖

剪切時(shí)，連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)咬切組件運(yùn)動(dòng)的極限位置如圖6所示。由采摘執(zhí)行器初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果可知，弧形顎架Lab段長(zhǎng)43 mm，直連桿Lbc段長(zhǎng)43 mm，T型連桿Lcd段長(zhǎng)18.61 mm。

圖6 咬切的兩極限位置

當(dāng)咬切組件位于咬切結(jié)束位置時(shí)，如圖6（a）所示，由弧形顎架結(jié)構(gòu)可知α=30°，而β可由下式計(jì)算：

此時(shí)，耳軸到T型連桿的距離Lad為：

同理，當(dāng)咬切組件位于咬切初始位置時(shí)，如圖6（b）所示。由弧形顎架結(jié)構(gòu)可求得α'=60°，則耳軸到T型連桿的距離La'd'為：

由此可求得，完成剪切時(shí)內(nèi)套桿相對(duì)外套桿上移的距離ΔL為：

2.3 差動(dòng)進(jìn)給

設(shè)橫向直徑為60 mm～75 mm的精品蘋果的果柄剪切力為60 N，結(jié)合圖6（a）對(duì)咬切機(jī)構(gòu)和連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，可求得差動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的絲桿需要產(chǎn)生的向上推力FT為：

其中，G為攏果殼體和內(nèi)套桿的重力，等于51.744 N。

設(shè)定采摘時(shí)間為1 s，則內(nèi)套桿上移速度為19.88 mm/s，取絲桿螺距Ph為5 mm，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n為：

則差動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩T為：

其中，μ為絲桿傳動(dòng)效率，取0.94。

由差動(dòng)進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T，可計(jì)算得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率為：

3 設(shè)施短柄剪切的仿真與分析

為了進(jìn)一步研究大容差蘋果采摘執(zhí)行器設(shè)施短柄剪切的可行性，在ADAMS中針對(duì)短柄剪切進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

3.1 仿真模型的建立

建模時(shí)，首先在SolidWorks中創(chuàng)建采摘執(zhí)行器裝配模型，然后將裝配模型導(dǎo)入ADAMS中；接著在ADAMS中對(duì)各零件添加相應(yīng)的材料，并根據(jù)各零部件的裝配運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，對(duì)相互連接的構(gòu)件添加運(yùn)動(dòng)副。建立的仿真模型如圖7所示，本模型將所受重力方向設(shè)定為沿Z軸正向，以模擬重力對(duì)仿真模型的作用效果。

圖7 仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

為考查短柄剪切成效，在攏果殼體耳軸處和兩弧形顎架Ⅴ型開口貼合界面處添加三個(gè)點(diǎn)：MARK_10、MARK_12和MARK_13。仿真時(shí)間設(shè)置為1 s，仿真步數(shù)為500步。仿真完成后，查看MARK_10分別相對(duì)外套桿和定平臺(tái)的位移，以及MARK_12和MARK_13在剪切過程中的相互位移。MARK_10相對(duì)外套桿和定平臺(tái)沿Z向的位移如圖8所示。由圖8（a）可知，果柄短切完成時(shí)，MARK_10相對(duì)外套桿上移19.88 mm，即內(nèi)套桿相對(duì)外套桿也上移19.88 mm，這與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。而由圖8（b）可知，此時(shí)攏果殼體耳軸相對(duì)定平臺(tái)的位置并未發(fā)生改變，即耳軸相對(duì)懸置蘋果未發(fā)生移動(dòng)，表明本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器實(shí)施了原地剪切。

圖8 MARK10的位移曲線

兩弧形顎架Ⅴ型開口貼合界面處MARK_12和MARK_13在Y向和Z向相對(duì)定平臺(tái)的位移曲線如圖9所示。由圖9（a）可知，咬切機(jī)構(gòu)由初始的張開狀態(tài)運(yùn)行1 s后，MARKER_12與MARKER_13在Y向處于重合位置；而在Z向則升高了相同的高度，如圖9（b）所示。由此表明，此時(shí)兩弧形顎架帶動(dòng)剪切刀片組已完成果柄的剪切。

圖9 MARK_12和MARK_13的位移曲線

4 結(jié)果與結(jié)論

1）基于仿生咬切原理，設(shè)計(jì)了一種大容差采摘執(zhí)行器，通過差動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、咬切組件和攏果殼體，實(shí)現(xiàn)了無需夾持的短柄剪切效果，能夠滿足蘋果采摘機(jī)器人對(duì)采摘執(zhí)行器高效低損的性能需求。

2）進(jìn)行了采摘執(zhí)行器大容差、原地咬切和差動(dòng)進(jìn)給的設(shè)計(jì)計(jì)算，為滿足在1 s內(nèi)完成精品蘋果采摘的要求，將采摘執(zhí)行器的定位誤差設(shè)定為6.7%～33.3%，設(shè)施剪切時(shí)，耳軸相對(duì)外套桿需上移19.88 mm，差動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率大約需要6.34 W，采摘后果柄殘留長(zhǎng)度可縮短19.88 mm。

3）ADAMS仿真結(jié)果表明：設(shè)施剪切時(shí)，耳軸相對(duì)懸置蘋果并未產(chǎn)生移動(dòng)，而相對(duì)外套桿上移了19.88 mm，與理論計(jì)算結(jié)果基本一致；同時(shí)，咬切組件在運(yùn)行1 s時(shí)完成剪切操作，表明該設(shè)計(jì)方案是可行的。

4）本研究成果為后續(xù)研制大容差采摘執(zhí)行器物理樣機(jī)提供了理論依據(jù)，同時(shí)也為其他水果仿生型高效采摘執(zhí)行器的研究提供了參考。