設(shè)施番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn).pdf

年 第 期 第 卷 農(nóng)機(jī)化研究 設(shè)施番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 楊鑫宇 楊啟志 劉 磊 鐘 霞 曲廣一 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 摘 要 針對(duì)設(shè)施番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器作業(yè)時(shí)存在采摘成功率不高 番茄夾損 枝葉遮擋等問(wèn)題 設(shè)計(jì)了一款帶有 可伸縮吸盤(pán)的三爪設(shè)施番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器 重點(diǎn)研究了該末端執(zhí)行器的夾持特性 首先以設(shè)施粉太郎品種的番 茄為研究對(duì)象 對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究 為末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和力學(xué)分析提供理論依據(jù) 然后 通過(guò)對(duì)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析確定末端執(zhí)行器各關(guān)節(jié)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù) 最后 通過(guò)夾爪與番茄相 互作用分析確定夾持番茄運(yùn)動(dòng)過(guò)程滿足力學(xué)設(shè)計(jì)要求 通過(guò) 仿真驗(yàn)證末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和力學(xué)參數(shù) 并進(jìn) 行實(shí)地試驗(yàn) 試驗(yàn)結(jié)果表明 單果采摘耗時(shí)約為 采摘成功率可達(dá) 滿足番茄機(jī)械化采摘的要求 關(guān)鍵詞 設(shè)施番茄 采摘機(jī)器人 末端執(zhí)行器 夾持力 運(yùn)動(dòng)學(xué) 仿真 中圖分類號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 文章編號(hào) 收稿日期 基金項(xiàng)目 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金 類重點(diǎn)項(xiàng)目 作者簡(jiǎn)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(dǎo)師 引 言 我國(guó)設(shè)施番茄種植面積世界第一 產(chǎn)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(jī)器人是實(shí)現(xiàn)番茄自動(dòng)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(shí)直接接觸的重要執(zhí)行元件 番茄果實(shí) 個(gè)成束生長(zhǎng) 生長(zhǎng)環(huán)境較為復(fù)雜 給果實(shí)采摘帶來(lái) 極大挑戰(zhàn) 傳統(tǒng)的末端執(zhí)行器抓取番茄果實(shí)時(shí)容 易造成番茄損傷 影響番茄的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 無(wú)助于提 高采摘機(jī)器人采摘效率和無(wú)損化收獲 日本與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)末端執(zhí)行器展開(kāi)了大量 研究 希臘 團(tuán)隊(duì) 設(shè)計(jì)了一款可夾持不同位 置草莓的采摘末端執(zhí)行器 韓國(guó)全南國(guó)立大學(xué) 等 研制了一種適用于番茄采摘的末端執(zhí)行器 通過(guò) 吸盤(pán)輔助定位實(shí)現(xiàn)了誤差補(bǔ)償 提高了切割果柄的成 功率 德國(guó) 公司設(shè)計(jì)了一款雙指夾持蘋(píng)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(shí)損傷 日本 的 團(tuán)隊(duì) 設(shè)計(jì)了一種柔性末端執(zhí)行器 通過(guò)不同 氣壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制 但存在夾持力不足的問(wèn)題 國(guó)內(nèi)雖然對(duì)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(xué)院楊文亮等 設(shè)計(jì)了 一款適用球形采摘末端執(zhí)行器 通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)與旋切 機(jī)構(gòu)完成球類果實(shí)的收獲 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)徐麗明團(tuán) 隊(duì) 設(shè)計(jì)了一種臍橙采摘末端執(zhí)行器 利用吸盤(pán)輔助 定位目標(biāo)并通過(guò) 形指穩(wěn)定果實(shí)實(shí)現(xiàn)采摘 江蘇大 學(xué)尹建軍等 針對(duì)葡萄的柔性無(wú)損采摘要求 設(shè)計(jì)了 一種欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置 通過(guò)壓力傳感器實(shí) 時(shí)反饋接觸力實(shí)現(xiàn)接觸力的控制 從而提高采摘成功 率 重慶大學(xué)王毅團(tuán)隊(duì) 設(shè)計(jì)了一款柑橘采摘末端執(zhí) 行器 模擬蛇嘴咬合動(dòng)作 通過(guò)吞入閉合動(dòng)作 刀片切 斷果柄實(shí)現(xiàn)采摘 針對(duì)江蘇設(shè)施番茄種植園設(shè)施農(nóng)藝要求 設(shè)計(jì)了 一種適用于設(shè)施番茄采摘帶有可伸縮吸盤(pán)的末端執(zhí)行 器 重點(diǎn)對(duì)末端執(zhí)行器夾持爪進(jìn)行設(shè)計(jì) 探究夾爪與 番茄的相互作用 驗(yàn)證夾持爪在夾持過(guò)程中夾持力是 否滿足設(shè)計(jì)要求 對(duì)末端執(zhí)行器夾持爪進(jìn)行 仿 真分析 并制作樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證 設(shè)施番茄末端執(zhí)行器 設(shè)施番茄物理特性 番茄的幾何形狀和質(zhì)量將會(huì)直接影響番茄采摘 末端執(zhí)行器的尺寸 本試驗(yàn)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(diǎn) 適合機(jī)械化采摘和運(yùn)輸 番茄的幾何參數(shù)如圖 所示 番茄的橫徑 為番茄兩 輪廓面之間的最大長(zhǎng)度 縱徑 為果梗基部到底部的 第 期楊鑫宇等 設(shè)施番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)第 卷 最長(zhǎng)處 圖 番茄幾何參數(shù) 隨機(jī)選取 個(gè)番茄 利用游標(biāo)卡尺測(cè)量番茄的 橫徑和縱徑 利用精度為 的電子天平進(jìn)行稱重 番茄的質(zhì)量范圍為 橫徑為 縱徑為 設(shè)計(jì)夾爪長(zhǎng)度應(yīng)不 小于 設(shè)施番茄力學(xué)特性 實(shí)際生產(chǎn)中 為方便儲(chǔ)存和運(yùn)輸 大多番茄是在 堅(jiān)熟期時(shí)進(jìn)行采摘 粉太郎番茄品種優(yōu)良 植株長(zhǎng)勢(shì) 旺盛 果實(shí)硬度好 耐儲(chǔ)存且貨架期長(zhǎng) 采用質(zhì)構(gòu) 儀研究該品種番茄擠壓特性 如圖 所示 質(zhì)構(gòu)儀 平板壓盤(pán) 番茄果實(shí) 硅膠墊 電腦 圖 質(zhì)構(gòu)儀 將番茄放置在厚 的硅膠墊上 采用平板壓 盤(pán)對(duì)番茄表面施加壓力 參照文獻(xiàn) 末端執(zhí)行器 優(yōu)先抓取橫向區(qū)域 因此 對(duì)番茄果實(shí)施加橫向壓力 載荷 直至果實(shí)產(chǎn)生裂紋 觀察番茄整個(gè)壓縮過(guò)程 并 且通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀連接電腦記錄壓力與形變量的變化關(guān) 系 曲線如圖 所示 由圖 可知 在番茄形變量到達(dá) 前 變形曲線逐漸升高 屬于彈性形變范圍內(nèi) 番茄內(nèi)部未受到破損 當(dāng)形變量超過(guò) 時(shí) 關(guān)系 曲線出現(xiàn)了第一個(gè)峰值 壓力載荷 壓力曲線開(kāi) 始震蕩下降 番茄發(fā)生明顯形變 表皮出現(xiàn)破損 當(dāng)形 變量超過(guò) 后 曲線呈上升趨勢(shì) 此時(shí)番茄發(fā)生 塑性形變 內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理 基于采摘需求 結(jié)合剛性?shī)A持和柔性吸附的優(yōu) 點(diǎn) 設(shè)計(jì)了一款適用于番茄采摘帶有可伸縮吸盤(pán)的 末端執(zhí)行器 其由夾持機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)組 成 整體結(jié)構(gòu)如圖 所示 其中 夾持機(jī)構(gòu)由 個(gè)剛性 夾爪組成 參考人手抓握番茄的方式 各個(gè)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(shí)對(duì)番茄的損傷 個(gè)夾爪由電機(jī)驅(qū)動(dòng) 通過(guò)絲桿螺 母的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿和搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng) 從而實(shí)現(xiàn)夾爪 的張開(kāi)和閉合 真空吸盤(pán) 立柱固定件 氣缸 電機(jī) 滾珠絲桿 絲桿螺母 搖桿 連桿 四孔連接件 扭轉(zhuǎn)彈簧 夾爪 圖 末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu) 自然環(huán)境生長(zhǎng)的果實(shí) 通常存在枝葉遮擋 果實(shí) 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(nóng)機(jī)化研究第 期 時(shí)容易夾住旁邊枝葉或碰傷其他番茄 本設(shè)計(jì)的末 端執(zhí)行器通過(guò)真空吸盤(pán)先探出 將定位后的番茄吸住 并拉出 使其脫離原位置再進(jìn)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(shè)計(jì)和主要參數(shù)確定 番茄受力分析 末端執(zhí)行器的 個(gè)夾爪手指與番茄共有 個(gè)接觸 面 第 個(gè)接觸點(diǎn)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(pán)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(guò)程中 夾持爪與番茄果 實(shí)接觸 在吸盤(pán)停止工作后 吸附力消失 此時(shí)要使番 茄果實(shí)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(shí)與夾爪之間的最大靜摩擦力 由于該 末端執(zhí)行器三爪結(jié)構(gòu)均勻分布在 個(gè)圓周上且?jiàn)A角相 等 每個(gè)接觸點(diǎn)受到的正壓力 大小相等 要能夠穩(wěn) 定夾持最大番茄果實(shí) 最小正壓力 應(yīng)滿足 null nullnull null nullnull 式中 為番茄質(zhì)量的數(shù)值 單位 為番茄 最大質(zhì)量的數(shù)值 單位 為重力加速度的數(shù)值 單 位 取 為番茄果實(shí)與緩沖材料的 摩擦因數(shù) 夾爪上貼有緩沖材料 可以增大摩擦力 有效減 小夾爪對(duì)番茄表皮的夾持力 減小番茄的機(jī)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(shù) 均不相同 常見(jiàn)的緩沖材料有兩種 橡膠和硅膠 通 過(guò) 摩擦因數(shù)測(cè)試儀對(duì)番茄表皮與緩沖材料 進(jìn)行摩擦試驗(yàn) 來(lái)確定最佳緩沖材料 每種摩擦因數(shù) 分別在砝碼質(zhì)量 下重復(fù)測(cè)試 次取平均 值 得到摩擦因數(shù)如表 所示 由表 可知 硅膠與番 茄表皮的摩擦因數(shù)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(shù) 砝碼質(zhì)量 橡膠硅膠 已知夾爪夾持番茄果實(shí)時(shí) 臨界的番茄破損力為 最大番茄果實(shí)質(zhì)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(shè)施番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)第 卷 夾爪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)選型 建立末端執(zhí)行器單指結(jié)構(gòu)和工作空間圖如圖 所 示 建立笛卡爾坐標(biāo)系 其中水平線穿過(guò)固定鉸 鏈 點(diǎn) 垂直線通過(guò)中心滑塊的 點(diǎn) 工作空間指夾 爪在極限狀態(tài)下手爪的開(kāi)合程度能滿足橫徑 的番茄 末端執(zhí)行器的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)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(dòng)角度 圖 單指結(jié)構(gòu)尺寸和工作空間 由于番茄的形狀尺寸具有不確定性 對(duì)夾爪 閉合過(guò)程解耦 求解末端執(zhí)行器夾持過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)模 型 根據(jù)番茄的縱徑范圍為 設(shè)計(jì)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(shù)值 單位 為末端執(zhí)行器初始位 置直徑的數(shù)值 單位 當(dāng)搖桿水平時(shí) 夾爪開(kāi)口直徑最小 此時(shí)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(diǎn)位置 當(dāng)搖桿轉(zhuǎn)到極限位置時(shí) 夾爪開(kāi)口直徑最大 此 時(shí)末端執(zhí)行器處于張開(kāi)狀態(tài) 轉(zhuǎn)動(dòng)角 滑塊的 位置為 式中 為滑塊的最低點(diǎn)位置 受電機(jī) 氣缸的限制 要保證 式中 分別為番茄的縱徑最大值 氣缸 長(zhǎng)度和滑塊行程的數(shù)值 單位 分別取 滑塊的最 大位移 可得 末端執(zhí)行器的參數(shù)表如表 所示 表 末端執(zhí)行器參數(shù)表 關(guān)節(jié)尺寸運(yùn)動(dòng)參數(shù) 桿 桿 初始開(kāi)口直徑 桿 桿 滑塊行程 桿 桿 搖桿傳動(dòng)角 個(gè)夾爪各安裝有 壓力薄膜傳感器 用來(lái) 監(jiān)測(cè)壓力的變化 對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)選型 理想安裝 不考 慮沖擊 震動(dòng)和其他非常因素影響 取傳動(dòng)正效率 根據(jù)文獻(xiàn) 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(qiáng) 為 則可計(jì)算出單個(gè)夾爪指面受到的壓力 即 為步進(jìn)電機(jī)的推力為 式中 為夾爪指面壓力的數(shù)值 單位 為壓力 傳感器受到壓強(qiáng)的數(shù)值 單位 為單側(cè)夾爪指面面 積的數(shù)值 單位 求得單側(cè)夾爪受到壓力 步進(jìn)電機(jī)扭矩 計(jì)算公式為 式中 為導(dǎo)程的數(shù)值 單位 計(jì)算得 選用 公司生產(chǎn) 的 型號(hào)電機(jī) 額定轉(zhuǎn)矩 是計(jì)算轉(zhuǎn)矩的 倍 滿足要求 夾爪的受力分析 通過(guò)對(duì)末端執(zhí)行器在夾持過(guò)程中與番茄的相互 作用進(jìn)行探究 將夾爪抓取番茄的過(guò)程分為拉拽 分 離和預(yù)放置 個(gè)階段 見(jiàn)圖 以此為基礎(chǔ)展開(kāi)力學(xué) 分析 拉拽階段 番茄在被拉拽過(guò)程中 主要受到植 株對(duì)番茄的拉力 三爪對(duì)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(shí)與果柄分離的條 件為 null null null 第 卷農(nóng)機(jī)化研究第 期 式中 為夾爪與番茄接觸水平傾角的數(shù)值 單位 為番茄最大夾持力的數(shù)值 單位 根據(jù)文獻(xiàn) 可知 取 由于番茄表 面不規(guī)則 值不確定 而番茄橫徑為 當(dāng)番茄橫徑設(shè)置最大時(shí) 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(xué)分析 分離階段 在番茄果實(shí)和果柄分離過(guò)程中 番 茄主要受到 個(gè)夾爪對(duì)番茄的壓力 吸附機(jī)構(gòu)真空 吸盤(pán)對(duì)番茄的支持力 和番茄自身重力 如圖 所示 此時(shí)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(huì)造成番茄損傷 預(yù)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(nèi) 此時(shí) 番茄受到自身 的重力 夾爪對(duì)番茄的壓力 真空吸盤(pán)對(duì)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(yù)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(zhì)量 為 代入式 仍然成立 因此設(shè)計(jì)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(píng)估末端執(zhí)行器的抓取性能 通過(guò) 軟件 對(duì)末端執(zhí)行器的抓取過(guò)程進(jìn)行仿真 將 繪制的末端執(zhí)行器和番茄模型轉(zhuǎn)換成 模型導(dǎo)入軟件 并為末端執(zhí)行器的各個(gè)連桿等部件設(shè) 置適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)副 如轉(zhuǎn)動(dòng)副 移動(dòng)副 由于末端執(zhí)行器 是三爪結(jié)構(gòu) 在設(shè)置運(yùn)動(dòng)副要注意 個(gè)方向 并通 過(guò)調(diào)整絲桿的扭矩 控制末端執(zhí)行器夾爪的開(kāi)合速 度 仿真過(guò)程如圖 所示 圖 末端執(zhí)行器仿真模擬 末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析 對(duì)末端執(zhí)行器抓取橫向直徑為 的番茄果 實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬 根據(jù)文獻(xiàn) 可以得 到番茄的材料屬性如下 質(zhì)量為 彈性模量為 泊松比為 應(yīng)力強(qiáng)度為 密度為 夾爪運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 夾爪抓取過(guò)程的位移曲線如 圖 所示 個(gè)夾爪的位移過(guò)程基本相同 在 時(shí) 夾爪處于預(yù)抓取狀態(tài) 此時(shí)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(kāi)狀態(tài) 夾爪離中心距離約 夾爪 和夾爪 沿 軸 方向移動(dòng)了約 夾爪 移動(dòng)了約 在 時(shí) 夾爪逐步靠近番茄果實(shí) 在 時(shí) 夾爪 和 夾爪 移動(dòng)約 夾爪 移動(dòng)約 末端執(zhí)行 器處于抓取狀態(tài) 在第 時(shí) 由于夾爪與番茄果實(shí)接 觸 位移曲線出現(xiàn)了微小的波動(dòng) 在 時(shí) 夾爪處于平 第 期楊鑫宇等 設(shè)施番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)第 卷 穩(wěn)的抓取摘下?tīng)顟B(tài) 夾爪在張開(kāi)和閉合的運(yùn)動(dòng)過(guò)程 中 位移曲線整體光滑 整體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定 將仿真結(jié)果與 上文數(shù)學(xué)模型對(duì)比 驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài) 在末端執(zhí)行器抓取過(guò)程中 滑 塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖 所示 在 之間 滑塊沿 軸移動(dòng)距離約為 在 之間 滑塊沿 軸移 動(dòng)距離約為 均在規(guī)定行程范圍內(nèi)移動(dòng) 滿足設(shè) 計(jì)要求 圖 滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律 番茄果實(shí)受力情況分析 分別建立橫徑為 的番茄模型 質(zhì)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(duì)不同橫徑番茄果實(shí)的抓取夾持 力 橫徑 的番茄果實(shí)受力情況如圖 所示 橫 徑不同的番茄果實(shí)受力情況基本類似 圖 番茄果實(shí)受力情況 由圖 可知 當(dāng)夾爪與番茄果實(shí)接觸時(shí) 瞬時(shí)接 觸力達(dá)到 并在 內(nèi)迅速下降 當(dāng)末端執(zhí)行器 夾持番茄果實(shí)并且平穩(wěn)摘下過(guò)程中 番茄果實(shí)受力在 的無(wú)損夾持范圍內(nèi)波動(dòng) 番茄在抓取過(guò)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(shí)不會(huì)造成番茄受損 同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和 保護(hù)性 滿足設(shè)計(jì)要求 樣機(jī)試驗(yàn) 試驗(yàn)方案 為了驗(yàn)證番茄采摘末端執(zhí)行器的抓取效果和采 摘性能 試驗(yàn)地點(diǎn)選取連云港番茄莊園智慧展示館 試驗(yàn)方案如圖 所示 圖 試驗(yàn)方案 通過(guò)機(jī)械加工制作夾爪與內(nèi)部連桿機(jī)構(gòu) 選用鋁 合金 材料 保證夾爪在抓取過(guò)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(guò)導(dǎo)向軸支座固定在套筒上 實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的吸附功能 試驗(yàn)方案為將末端執(zhí) 行器通過(guò)法蘭盤(pán)安裝在六自由度機(jī)械臂上 視覺(jué)系統(tǒng)識(shí) 第 卷農(nóng)機(jī)化研究第 期 別到番茄果實(shí)后 上位機(jī)引導(dǎo)末端執(zhí)行器到預(yù)采摘位 置 對(duì)目標(biāo)果實(shí)進(jìn)行采摘作業(yè) 對(duì)設(shè)施溫室大棚內(nèi) 組不同位置的番茄進(jìn)行采摘 對(duì)采摘時(shí)間和果實(shí)的各 項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄 探究影響采摘成功率的因素 試驗(yàn)結(jié)果與分析 對(duì)采摘成功的番茄果實(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì) 采摘結(jié)果如表 所示 由負(fù)壓吸持試驗(yàn)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(pán) 對(duì)目標(biāo)果實(shí)的吸取成功率和末端執(zhí)行器的采摘果實(shí) 的成功率 表 末端執(zhí)行器采摘結(jié)果 個(gè) 序號(hào)采摘數(shù)量吸取成功數(shù)量采摘成功數(shù)量 由表 可知 組不同位置的植株共采摘番茄 個(gè) 吸取成功數(shù)量為 個(gè) 吸取成功率為 采摘成 功數(shù)量為 個(gè) 采摘成功率為 并且當(dāng)伸縮式吸 附機(jī)構(gòu)成功吸取番茄果實(shí)后 夾持機(jī)構(gòu)都能夠?qū)崿F(xiàn)成 功采摘 吸附機(jī)構(gòu)吸取失敗的原因有多種可能 其中 番茄果實(shí)的大小 直徑 是影響吸取成功率的重要因 素 對(duì)采摘的 個(gè)番茄進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì) 結(jié)果如表 所示 表 不同大小果實(shí)采摘成功率 果實(shí)類型采摘數(shù) 個(gè)成功數(shù) 個(gè)成功率 大果 續(xù)表 果實(shí)類型采摘數(shù) 個(gè)成功數(shù) 個(gè)成功率 中果 小果 由表 可知 末端執(zhí)行器對(duì)中果的采摘成功率較 高 這是因?yàn)樾」姆压麑?shí)較小 曲面曲率較高 吸 盤(pán)與果實(shí)接觸面積小 吸附力分布不均 導(dǎo)致吸盤(pán)吸取 后容易出現(xiàn)脫落 大果果實(shí)直徑增大 質(zhì)量也相應(yīng)增 加 真空吸盤(pán)出現(xiàn)吸附力不足 導(dǎo)致果實(shí)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(shí) 末端執(zhí)行器的采摘工作主要分為吸盤(pán)吸附 夾爪 夾持和旋擰拉拽 個(gè)動(dòng)作 每個(gè)動(dòng)作間隔會(huì)有 的 響應(yīng)時(shí)間 以便下個(gè)動(dòng)作連貫進(jìn)行 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 氣動(dòng)吸 附機(jī)構(gòu)從真空吸盤(pán)吸附到回拉所需的平均時(shí)間為 夾爪夾持所需平均時(shí)間為 末端電機(jī)旋擰 所需平均時(shí)間為 末端執(zhí)行器整體采摘平均時(shí)間 為 符合應(yīng)用需求 結(jié) 論 針對(duì)設(shè)施番茄的高效無(wú)損采摘 設(shè)計(jì)了一款帶 有可伸縮吸盤(pán)的三爪設(shè)施番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí) 行器 分析了設(shè)施番茄粉太郎品種的物理力學(xué)特性 進(jìn)行了番茄果實(shí)受力分析 得出番茄的夾持力范圍為 之間 通過(guò)對(duì)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 得出末端執(zhí)行 器各關(guān)節(jié)的尺寸結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù) 通過(guò)對(duì)末端執(zhí)行 器夾爪與番茄的相互作用力學(xué)分析并通過(guò)仿真進(jìn)行 驗(yàn)證 表明該末端執(zhí)行器滿足夾持力設(shè)計(jì)要求 樣機(jī)試驗(yàn)表明 利用該末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)采摘番 茄成功率可達(dá) 采摘平均時(shí)間為 能夠有效 實(shí)現(xiàn)設(shè)施番茄的機(jī)械采摘 參考文獻(xiàn) 陶建平 陸岱鵬 呂曉蘭 等 江蘇地區(qū)設(shè)施茄果類蔬 菜高效機(jī)械化生產(chǎn)模式探索 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 陳進(jìn)熹 丁潔瑾 基于機(jī)器視覺(jué)的番茄采摘器紅外圖譜 識(shí)別研究 農(nóng)機(jī)化研究 李興旭 陳雯柏 王一群 等 基于級(jí)聯(lián)視覺(jué)檢測(cè)的櫻桃 番茄自動(dòng)采收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 第 期楊鑫宇等 設(shè)施番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)第 卷 劉繼展 溫室采摘機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展分析 農(nóng)業(yè) 機(jī)械學(xué)報(bào) 鄭思思 王小花 基于圖像處理的視覺(jué)采摘機(jī)器人作業(yè) 控制研究 農(nóng)機(jī)化研究 翟毅豪 鄧志恒 張俊雄 溫室采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器 研究進(jìn)展 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 孟浩 胡軍 王妍偉 等 番茄采摘機(jī)械手的三維設(shè)計(jì) 與試驗(yàn)研究 農(nóng)機(jī)化研究 楊文亮 馮虎 韓亞麗 等 基于氣壓驅(qū)動(dòng)的球狀果實(shí) 采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研制 農(nóng)機(jī)化研究 徐麗明 劉旭東 張凱良 等 臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí) 行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 尹建軍 陳永河 賀坤 等 抓持 旋切式欠驅(qū)動(dòng)雙指 手葡萄采摘裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 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(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn) 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 王博文 張萬(wàn)豪 馮青春 剪切式番茄整枝操作手爪設(shè) 計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)機(jī)化研究 嚴(yán)童杰 驅(qū)控一體的旋擰式果實(shí)采摘執(zhí)行器設(shè)計(jì) 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué) 呂輝 李立君 趙青 等 剪切式油茶花采摘末端執(zhí)行 器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn) 農(nóng)機(jī)化研究 劉凡 楊光友 楊康 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人柔性機(jī)械手研究 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 陳子文 楊明金 李云伍 等 基于氣動(dòng)無(wú)損夾持控制 的番茄采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報(bào) 劉存祥 劉恩光 趙戩 等 缽苗移栽機(jī)取苗裝置的設(shè) 計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)機(jī)化研究 周科宏 番茄抓取機(jī)器人末端執(zhí)行器研究與設(shè)計(jì) 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué) 羅惠中 左平安 蔣小霞 等 基于 的剛?cè)狁?合玉米摘穗力學(xué)仿真試驗(yàn) 農(nóng)機(jī)化研究 周俊 孟一猛 張娜 等 機(jī)械手不同抓取控制方式對(duì) 番茄機(jī)械損傷的影響分析 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 皮杰 柳軍 徐磊 等 三指柔性氣動(dòng)夾爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與 實(shí)驗(yàn) 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 增刊 第 卷農(nóng)機(jī)化研究第 期 上接第 頁(yè)