設施番茄采摘機器人末端執(zhí)行器設計與試驗.pdf

年 第 期 第 卷 農機化研究 設施番茄采摘機器人末端執(zhí)行器設計與試驗 楊鑫宇 楊啟志 劉 磊 鐘 霞 曲廣一 江蘇大學農業(yè)工程學院 江蘇鎮(zhèn)江 摘 要 針對設施番茄采摘機器人末端執(zhí)行器作業(yè)時存在采摘成功率不高 番茄夾損 枝葉遮擋等問題 設計了一款帶有 可伸縮吸盤的三爪設施番茄采摘機器人末端執(zhí)行器 重點研究了該末端執(zhí)行器的夾持特性 首先以設施粉太郎品種的番 茄為研究對象 對其力學特性進行試驗研究 為末端執(zhí)行器的設計和力學分析提供理論依據 然后 通過對番茄受力分析 得出夾持力的范圍 基于末端執(zhí)行器夾爪運動學分析確定末端執(zhí)行器各關節(jié)參數和運動學參數 最后 通過夾爪與番茄相 互作用分析確定夾持番茄運動過程滿足力學設計要求 通過 仿真驗證末端執(zhí)行器的運動學參數和力學參數 并進 行實地試驗 試驗結果表明 單果采摘耗時約為 采摘成功率可達 滿足番茄機械化采摘的要求 關鍵詞 設施番茄 采摘機器人 末端執(zhí)行器 夾持力 運動學 仿真 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 收稿日期 基金項目 江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金 類重點項目 作者簡介 楊鑫宇 男 江蘇泰州人 碩士研究生 通信作者 楊啟志 男 江蘇徐州人 教授 博士生導師 引 言 我國設施番茄種植面積世界第一 產量大 采摘環(huán) 境惡劣 采收人力成本高 為提高番茄采摘效率 降 低人工成本 采摘機器人是實現(xiàn)番茄自動化采摘 提高 采摘效率 降低人力成本的重要手段 而末端執(zhí)行器 是與番茄果實直接接觸的重要執(zhí)行元件 番茄果實 個成束生長 生長環(huán)境較為復雜 給果實采摘帶來 極大挑戰(zhàn) 傳統(tǒng)的末端執(zhí)行器抓取番茄果實時容 易造成番茄損傷 影響番茄的市場競爭力 無助于提 高采摘機器人采摘效率和無損化收獲 日本與歐美等發(fā)達國家對末端執(zhí)行器展開了大量 研究 希臘 團隊 設計了一款可夾持不同位 置草莓的采摘末端執(zhí)行器 韓國全南國立大學 等 研制了一種適用于番茄采摘的末端執(zhí)行器 通過 吸盤輔助定位實現(xiàn)了誤差補償 提高了切割果柄的成 功率 德國 公司設計了一款雙指夾持蘋果采摘末 端執(zhí)行器 該執(zhí)行器雙指由填充陶瓷的薄膜夾片組成 減小了果實損傷 日本 的 團隊 設計了一種柔性末端執(zhí)行器 通過不同 氣壓驅動實現(xiàn)控制 但存在夾持力不足的問題 國內雖然對末端執(zhí)行器的研究起步較晚 但也取 得了一定的成就 南京工程學院楊文亮等 設計了 一款適用球形采摘末端執(zhí)行器 通過夾持機構與旋切 機構完成球類果實的收獲 中國農業(yè)大學徐麗明團 隊 設計了一種臍橙采摘末端執(zhí)行器 利用吸盤輔助 定位目標并通過 形指穩(wěn)定果實實現(xiàn)采摘 江蘇大 學尹建軍等 針對葡萄的柔性無損采摘要求 設計了 一種欠驅動雙指手葡萄采摘裝置 通過壓力傳感器實 時反饋接觸力實現(xiàn)接觸力的控制 從而提高采摘成功 率 重慶大學王毅團隊 設計了一款柑橘采摘末端執(zhí) 行器 模擬蛇嘴咬合動作 通過吞入閉合動作 刀片切 斷果柄實現(xiàn)采摘 針對江蘇設施番茄種植園設施農藝要求 設計了 一種適用于設施番茄采摘帶有可伸縮吸盤的末端執(zhí)行 器 重點對末端執(zhí)行器夾持爪進行設計 探究夾爪與 番茄的相互作用 驗證夾持爪在夾持過程中夾持力是 否滿足設計要求 對末端執(zhí)行器夾持爪進行 仿 真分析 并制作樣機進行了試驗驗證 設施番茄末端執(zhí)行器 設施番茄物理特性 番茄的幾何形狀和質量將會直接影響番茄采摘 末端執(zhí)行器的尺寸 本試驗的樣品采自江蘇省連云 港海州區(qū)草舍村番茄智慧展示館的粉太郎 該品種具 有果大 皮厚 抗病等特點 適合機械化采摘和運輸 番茄的幾何參數如圖 所示 番茄的橫徑 為番茄兩 輪廓面之間的最大長度 縱徑 為果梗基部到底部的 第 期楊鑫宇等 設施番茄采摘機器人末端執(zhí)行器設計與試驗第 卷 最長處 圖 番茄幾何參數 隨機選取 個番茄 利用游標卡尺測量番茄的 橫徑和縱徑 利用精度為 的電子天平進行稱重 番茄的質量范圍為 橫徑為 縱徑為 設計夾爪長度應不 小于 設施番茄力學特性 實際生產中 為方便儲存和運輸 大多番茄是在 堅熟期時進行采摘 粉太郎番茄品種優(yōu)良 植株長勢 旺盛 果實硬度好 耐儲存且貨架期長 采用質構 儀研究該品種番茄擠壓特性 如圖 所示 質構儀 平板壓盤 番茄果實 硅膠墊 電腦 圖 質構儀 將番茄放置在厚 的硅膠墊上 采用平板壓 盤對番茄表面施加壓力 參照文獻 末端執(zhí)行器 優(yōu)先抓取橫向區(qū)域 因此 對番茄果實施加橫向壓力 載荷 直至果實產生裂紋 觀察番茄整個壓縮過程 并 且通過質構儀連接電腦記錄壓力與形變量的變化關 系 曲線如圖 所示 由圖 可知 在番茄形變量到達 前 變形曲線逐漸升高 屬于彈性形變范圍內 番茄內部未受到破損 當形變量超過 時 關系 曲線出現(xiàn)了第一個峰值 壓力載荷 壓力曲線開 始震蕩下降 番茄發(fā)生明顯形變 表皮出現(xiàn)破損 當形 變量超過 后 曲線呈上升趨勢 此時番茄發(fā)生 塑性形變 內部結構和組織被徹底破壞 由此可知 番茄最大夾持力閾值為 圖 壓力 形變曲線 整體機構設計與工作原理 基于采摘需求 結合剛性夾持和柔性吸附的優(yōu) 點 設計了一款適用于番茄采摘帶有可伸縮吸盤的 末端執(zhí)行器 其由夾持機構 驅動機構和吸附機構組 成 整體結構如圖 所示 其中 夾持機構由 個剛性 夾爪組成 參考人手抓握番茄的方式 各個夾爪之間 相隔 夾爪表面貼有一層硅膠緩沖墊 以降低采 摘時對番茄的損傷 個夾爪由電機驅動 通過絲桿螺 母的直線運動帶動連桿和搖桿的轉動 從而實現(xiàn)夾爪 的張開和閉合 真空吸盤 立柱固定件 氣缸 電機 滾珠絲桿 絲桿螺母 搖桿 連桿 四孔連接件 扭轉彈簧 夾爪 圖 末端執(zhí)行器整體結構 自然環(huán)境生長的果實 通常存在枝葉遮擋 果實 重疊等干擾因素 傳統(tǒng)的末端執(zhí)行器 直接夾取番茄 第 卷農機化研究第 期 時容易夾住旁邊枝葉或碰傷其他番茄 本設計的末 端執(zhí)行器通過真空吸盤先探出 將定位后的番茄吸住 并拉出 使其脫離原位置再進行夾持 避免了枝葉或 其他番茄的干擾 工作流程圖如圖 所示 圖 工作流程圖 夾持爪的設計和主要參數確定 番茄受力分析 末端執(zhí)行器的 個夾爪手指與番茄共有 個接觸 面 第 個接觸點主要受力有正壓力 水平方向摩擦 力 豎直方向摩擦力 和吸盤的吸附力 其受力 分析如圖 所示 圖 番茄受力分析 末端執(zhí)行器采摘番茄的過程中 夾持爪與番茄果 實接觸 在吸盤停止工作后 吸附力消失 此時要使番 茄果實能被夾爪穩(wěn)定夾持而不滑落 臨界條件是番茄 重力等于果實與夾爪之間的最大靜摩擦力 由于該 末端執(zhí)行器三爪結構均勻分布在 個圓周上且夾角相 等 每個接觸點受到的正壓力 大小相等 要能夠穩(wěn) 定夾持最大番茄果實 最小正壓力 應滿足 null nullnull null nullnull 式中 為番茄質量的數值 單位 為番茄 最大質量的數值 單位 為重力加速度的數值 單 位 取 為番茄果實與緩沖材料的 摩擦因數 夾爪上貼有緩沖材料 可以增大摩擦力 有效減 小夾爪對番茄表皮的夾持力 減小番茄的機械損傷 由于番茄表面凹凸不平 與不同緩沖材料的摩擦因數 均不相同 常見的緩沖材料有兩種 橡膠和硅膠 通 過 摩擦因數測試儀對番茄表皮與緩沖材料 進行摩擦試驗 來確定最佳緩沖材料 每種摩擦因數 分別在砝碼質量 下重復測試 次取平均 值 得到摩擦因數如表 所示 由表 可知 硅膠與番 茄表皮的摩擦因數較大 故選硅膠作為緩沖材料 取 表 不同材料與番茄表面摩擦因數 砝碼質量 橡膠硅膠 已知夾爪夾持番茄果實時 臨界的番茄破損力為 最大番茄果實質量為 有 故末端執(zhí)行器夾爪的臨界夾持力為 第 期楊鑫宇等 設施番茄采摘機器人末端執(zhí)行器設計與試驗第 卷 夾爪的運動學分析和關鍵結構選型 建立末端執(zhí)行器單指結構和工作空間圖如圖 所 示 建立笛卡爾坐標系 其中水平線穿過固定鉸 鏈 點 垂直線通過中心滑塊的 點 工作空間指夾 爪在極限狀態(tài)下手爪的開合程度能滿足橫徑 的番茄 末端執(zhí)行器的主要運動參數為 null null 式中 分別為末端執(zhí)行器夾爪的初始位 置 滑塊的行程和搖桿傳動角度 圖 單指結構尺寸和工作空間 由于番茄的形狀尺寸具有不確定性 對夾爪 閉合過程解耦 求解末端執(zhí)行器夾持過程的運動學模 型 根據番茄的縱徑范圍為 設計夾 爪 取末端執(zhí)行器的初始位置為 式中 分別為夾爪能夠夾持番茄的最大 和最小直徑的數值 單位 為末端執(zhí)行器初始位 置直徑的數值 單位 當搖桿水平時 夾爪開口直徑最小 此時末端執(zhí) 行器處于夾持狀態(tài) 滑塊的位置為 式中 為滑塊的最高點位置 當搖桿轉到極限位置時 夾爪開口直徑最大 此 時末端執(zhí)行器處于張開狀態(tài) 轉動角 滑塊的 位置為 式中 為滑塊的最低點位置 受電機 氣缸的限制 要保證 式中 分別為番茄的縱徑最大值 氣缸 長度和滑塊行程的數值 單位 分別取 滑塊的最 大位移 可得 末端執(zhí)行器的參數表如表 所示 表 末端執(zhí)行器參數表 關節(jié)尺寸運動參數 桿 桿 初始開口直徑 桿 桿 滑塊行程 桿 桿 搖桿傳動角 個夾爪各安裝有 壓力薄膜傳感器 用來 監(jiān)測壓力的變化 對于電機設計選型 理想安裝 不考 慮沖擊 震動和其他非常因素影響 取傳動正效率 根據文獻 取力傳感器的壓力閾值為 傳 感器的接觸面積為 則壓力傳感器受到的壓強 為 則可計算出單個夾爪指面受到的壓力 即 為步進電機的推力為 式中 為夾爪指面壓力的數值 單位 為壓力 傳感器受到壓強的數值 單位 為單側夾爪指面面 積的數值 單位 求得單側夾爪受到壓力 步進電機扭矩 計算公式為 式中 為導程的數值 單位 計算得 選用 公司生產 的 型號電機 額定轉矩 是計算轉矩的 倍 滿足要求 夾爪的受力分析 通過對末端執(zhí)行器在夾持過程中與番茄的相互 作用進行探究 將夾爪抓取番茄的過程分為拉拽 分 離和預放置 個階段 見圖 以此為基礎展開力學 分析 拉拽階段 番茄在被拉拽過程中 主要受到植 株對番茄的拉力 三爪對番茄的正壓力 番茄自 身的重力和夾爪與番茄間的摩擦力 如圖 所示 拉拽階段末端執(zhí)行器成功將果實與果柄分離的條 件為 null null null 第 卷農機化研究第 期 式中 為夾爪與番茄接觸水平傾角的數值 單位 為番茄最大夾持力的數值 單位 根據文獻 可知 取 由于番茄表 面不規(guī)則 值不確定 而番茄橫徑為 當番茄橫徑設置最大時 基于 末 端執(zhí)行器中的模型 取 取 代入式 求得 滿足番茄的臨界最 小夾持力 的條件 圖 末端執(zhí)行器力學分析 分離階段 在番茄果實和果柄分離過程中 番 茄主要受到 個夾爪對番茄的壓力 吸附機構真空 吸盤對番茄的支持力 和番茄自身重力 如圖 所示 此時番茄處于受力平衡狀態(tài) 則 將 代入式 求得 由于番茄表皮的最小破裂力為 因此分離階段 不會造成番茄損傷 預放置階段 采摘番茄后 末端執(zhí)行器方向朝 下 以便將番茄置于采摘框內 此時 番茄受到自身 的重力 夾爪對番茄的壓力 真空吸盤對番茄的支持 力 和番茄表面與夾爪的摩擦力 如圖 所示 由于預放置階段夾爪的位置與番茄分離植株位置一 致 為了保證番茄不脫落 則有 null null 由三維模型可知 夾爪與番茄接觸面的傾角 為 番茄的質量 為 代入式 仍然成立 因此設計的末端執(zhí)行器能夠滿足采摘 作業(yè)要求 末端執(zhí)行器模擬抓取仿真分析 為了評估末端執(zhí)行器的抓取性能 通過 軟件 對末端執(zhí)行器的抓取過程進行仿真 將 繪制的末端執(zhí)行器和番茄模型轉換成 模型導入軟件 并為末端執(zhí)行器的各個連桿等部件設 置適當的運動副 如轉動副 移動副 由于末端執(zhí)行器 是三爪結構 在設置運動副要注意 個方向 并通 過調整絲桿的扭矩 控制末端執(zhí)行器夾爪的開合速 度 仿真過程如圖 所示 圖 末端執(zhí)行器仿真模擬 末端執(zhí)行器運動狀態(tài)分析 對末端執(zhí)行器抓取橫向直徑為 的番茄果 實的運動狀態(tài)進行模擬 根據文獻 可以得 到番茄的材料屬性如下 質量為 彈性模量為 泊松比為 應力強度為 密度為 夾爪運動狀態(tài) 夾爪抓取過程的位移曲線如 圖 所示 個夾爪的位移過程基本相同 在 時 夾爪處于預抓取狀態(tài) 此時末端執(zhí)行器夾爪由初 始狀態(tài) 夾爪離中心距離約 到完全張開狀態(tài) 夾爪離中心距離約 夾爪 和夾爪 沿 軸 方向移動了約 夾爪 移動了約 在 時 夾爪逐步靠近番茄果實 在 時 夾爪 和 夾爪 移動約 夾爪 移動約 末端執(zhí)行 器處于抓取狀態(tài) 在第 時 由于夾爪與番茄果實接 觸 位移曲線出現(xiàn)了微小的波動 在 時 夾爪處于平 第 期楊鑫宇等 設施番茄采摘機器人末端執(zhí)行器設計與試驗第 卷 穩(wěn)的抓取摘下狀態(tài) 夾爪在張開和閉合的運動過程 中 位移曲線整體光滑 整體運動穩(wěn)定 將仿真結果與 上文數學模型對比 驗證了設計滿足要求 夾爪 和夾爪 的位移曲線 夾爪 的位移曲線 圖 夾爪位移曲線 滑塊運動狀態(tài) 在末端執(zhí)行器抓取過程中 滑 塊的運動狀態(tài)如圖 所示 在 之間 滑塊沿 軸移動距離約為 在 之間 滑塊沿 軸移 動距離約為 均在規(guī)定行程范圍內移動 滿足設 計要求 圖 滑塊運動規(guī)律 番茄果實受力情況分析 分別建立橫徑為 的番茄模型 質量 分別為 其他材料屬性與上文相同 分 別模擬末端執(zhí)行器對不同橫徑番茄果實的抓取夾持 力 橫徑 的番茄果實受力情況如圖 所示 橫 徑不同的番茄果實受力情況基本類似 圖 番茄果實受力情況 由圖 可知 當夾爪與番茄果實接觸時 瞬時接 觸力達到 并在 內迅速下降 當末端執(zhí)行器 夾持番茄果實并且平穩(wěn)摘下過程中 番茄果實受力在 的無損夾持范圍內波動 番茄在抓取過程中 均未 發(fā)生脫落現(xiàn)象 因此 該末端執(zhí)行器能夠確保在夾持 番茄時不會造成番茄受損 同時具有良好的穩(wěn)定性和 保護性 滿足設計要求 樣機試驗 試驗方案 為了驗證番茄采摘末端執(zhí)行器的抓取效果和采 摘性能 試驗地點選取連云港番茄莊園智慧展示館 試驗方案如圖 所示 圖 試驗方案 通過機械加工制作夾爪與內部連桿機構 選用鋁 合金 材料 保證夾爪在抓取過程中的穩(wěn)定性 套 筒采用 打印制作 選用 材料 具有良好的耐熱 性和耐沖擊性 氣缸通過導向軸支座固定在套筒上 實現(xiàn)末端執(zhí)行器的吸附功能 試驗方案為將末端執(zhí) 行器通過法蘭盤安裝在六自由度機械臂上 視覺系統(tǒng)識 第 卷農機化研究第 期 別到番茄果實后 上位機引導末端執(zhí)行器到預采摘位 置 對目標果實進行采摘作業(yè) 對設施溫室大棚內 組不同位置的番茄進行采摘 對采摘時間和果實的各 項數據進行記錄 探究影響采摘成功率的因素 試驗結果與分析 對采摘成功的番茄果實進行統(tǒng)計 采摘結果如表 所示 由負壓吸持試驗可得出穩(wěn)定吸附氣壓為 末端執(zhí)行器采摘成功率主要為真空吸盤 對目標果實的吸取成功率和末端執(zhí)行器的采摘果實 的成功率 表 末端執(zhí)行器采摘結果 個 序號采摘數量吸取成功數量采摘成功數量 由表 可知 組不同位置的植株共采摘番茄 個 吸取成功數量為 個 吸取成功率為 采摘成 功數量為 個 采摘成功率為 并且當伸縮式吸 附機構成功吸取番茄果實后 夾持機構都能夠實現(xiàn)成 功采摘 吸附機構吸取失敗的原因有多種可能 其中 番茄果實的大小 直徑 是影響吸取成功率的重要因 素 對采摘的 個番茄進行分類統(tǒng)計 結果如表 所示 表 不同大小果實采摘成功率 果實類型采摘數 個成功數 個成功率 大果 續(xù)表 果實類型采摘數 個成功數 個成功率 中果 小果 由表 可知 末端執(zhí)行器對中果的采摘成功率較 高 這是因為小果的番茄果實較小 曲面曲率較高 吸 盤與果實接觸面積小 吸附力分布不均 導致吸盤吸取 后容易出現(xiàn)脫落 大果果實直徑增大 質量也相應增 加 真空吸盤出現(xiàn)吸附力不足 導致果實吸取后掉落 因此 該末端執(zhí)行器更適用于番茄直徑 的 果實 末端執(zhí)行器的采摘工作主要分為吸盤吸附 夾爪 夾持和旋擰拉拽 個動作 每個動作間隔會有 的 響應時間 以便下個動作連貫進行 試驗發(fā)現(xiàn) 氣動吸 附機構從真空吸盤吸附到回拉所需的平均時間為 夾爪夾持所需平均時間為 末端電機旋擰 所需平均時間為 末端執(zhí)行器整體采摘平均時間 為 符合應用需求 結 論 針對設施番茄的高效無損采摘 設計了一款帶 有可伸縮吸盤的三爪設施番茄采摘機器人末端執(zhí) 行器 分析了設施番茄粉太郎品種的物理力學特性 進行了番茄果實受力分析 得出番茄的夾持力范圍為 之間 通過對末端執(zhí)行器運動學分析 得出末端執(zhí)行 器各關節(jié)的尺寸結構與運動學參數 通過對末端執(zhí)行 器夾爪與番茄的相互作用力學分析并通過仿真進行 驗證 表明該末端執(zhí)行器滿足夾持力設計要求 樣機試驗表明 利用該末端執(zhí)行器實現(xiàn)采摘番 茄成功率可達 采摘平均時間為 能夠有效 實現(xiàn)設施番茄的機械采摘 參考文獻 陶建平 陸岱鵬 呂曉蘭 等 江蘇地區(qū)設施茄果類蔬 菜高效機械化生產模式探索 農業(yè)工程技術 陳進熹 丁潔瑾 基于機器視覺的番茄采摘器紅外圖譜 識別研究 農機化研究 李興旭 陳雯柏 王一群 等 基于級聯(lián)視覺檢測的櫻桃 番茄自動采收系統(tǒng)設計與試驗 農業(yè)工程學報 第 期楊鑫宇等 設施番茄采摘機器人末端執(zhí)行器設計與試驗第 卷 劉繼展 溫室采摘機器人技術研究進展分析 農業(yè) 機械學報 鄭思思 王小花 基于圖像處理的視覺采摘機器人作業(yè) 控制研究 農機化研究 翟毅豪 鄧志恒 張俊雄 溫室采摘機器人末端執(zhí)行器 研究進展 農業(yè)工程技術 孟浩 胡軍 王妍偉 等 番茄采摘機械手的三維設計 與試驗研究 農機化研究 楊文亮 馮虎 韓亞麗 等 基于氣壓驅動的球狀果實 采摘機器人末端執(zhí)行器研制 農機化研究 徐麗明 劉旭東 張凱良 等 臍橙采摘機器人末端執(zhí) 行器設計與試驗 農業(yè)工程學報 尹建軍 陳永河 賀坤 等 抓持 旋切式欠驅動雙指 手葡萄采摘裝置設計與試驗 農業(yè)機械學報 王毅 許洪斌 張茂 等 仿蛇嘴咬合式柑橘采摘末端 執(zhí)行器設計與實驗 農業(yè)機械學報 王博文 張萬豪 馮青春 剪切式番茄整枝操作手爪設 計與試驗 農機化研究 嚴童杰 驅控一體的旋擰式果實采摘執(zhí)行器設計 鎮(zhèn)江 江蘇大學 呂輝 李立君 趙青 等 剪切式油茶花采摘末端執(zhí)行 器設計與實驗 農機化研究 劉凡 楊光友 楊康 農業(yè)采摘機器人柔性機械手研究 中國農機化學報 陳子文 楊明金 李云伍 等 基于氣動無損夾持控制 的番茄采摘末端執(zhí)行器設計與試驗 農業(yè)工程學 報 劉存祥 劉恩光 趙戩 等 缽苗移栽機取苗裝置的設 計與試驗 農機化研究 周科宏 番茄抓取機器人末端執(zhí)行器研究與設計 鎮(zhèn)江 江蘇大學 羅惠中 左平安 蔣小霞 等 基于 的剛柔耦 合玉米摘穗力學仿真試驗 農機化研究 周俊 孟一猛 張娜 等 機械手不同抓取控制方式對 番茄機械損傷的影響分析 農業(yè)機械學報 皮杰 柳軍 徐磊 等 三指柔性氣動夾爪結構設計與 實驗 農業(yè)機械學報 增刊 第 卷農機化研究第 期 上接第 頁