设施番茄采摘机器人末端执行器设计与试验.pdf

年 第 期 第 卷 农机化研究 设施番茄采摘机器人末端执行器设计与试验 杨鑫宇 杨启志 刘 磊 钟 霞 曲广一 江苏大学农业工程学院 江苏镇江 摘 要 针对设施番茄采摘机器人末端执行器作业时存在采摘成功率不高 番茄夹损 枝叶遮挡等问题 设计了一款带有 可伸缩吸盘的三爪设施番茄采摘机器人末端执行器 重点研究了该末端执行器的夹持特性 首先以设施粉太郎品种的番 茄为研究对象 对其力学特性进行试验研究 为末端执行器的设计和力学分析提供理论依据 然后 通过对番茄受力分析 得出夹持力的范围 基于末端执行器夹爪运动学分析确定末端执行器各关节参数和运动学参数 最后 通过夹爪与番茄相 互作用分析确定夹持番茄运动过程满足力学设计要求 通过 仿真验证末端执行器的运动学参数和力学参数 并进 行实地试验 试验结果表明 单果采摘耗时约为 采摘成功率可达 满足番茄机械化采摘的要求 关键词 设施番茄 采摘机器人 末端执行器 夹持力 运动学 仿真 中图分类号 文献标识码 文章编号 收稿日期 基金项目 江苏省农业科技自主创新资金 类重点项目 作者简介 杨鑫宇 男 江苏泰州人 硕士研究生 通信作者 杨启志 男 江苏徐州人 教授 博士生导师 引 言 我国设施番茄种植面积世界第一 产量大 采摘环 境恶劣 采收人力成本高 为提高番茄采摘效率 降 低人工成本 采摘机器人是实现番茄自动化采摘 提高 采摘效率 降低人力成本的重要手段 而末端执行器 是与番茄果实直接接触的重要执行元件 番茄果实 个成束生长 生长环境较为复杂 给果实采摘带来 极大挑战 传统的末端执行器抓取番茄果实时容 易造成番茄损伤 影响番茄的市场竞争力 无助于提 高采摘机器人采摘效率和无损化收获 日本与欧美等发达国家对末端执行器展开了大量 研究 希腊 团队 设计了一款可夹持不同位 置草莓的采摘末端执行器 韩国全南国立大学 等 研制了一种适用于番茄采摘的末端执行器 通过 吸盘辅助定位实现了误差补偿 提高了切割果柄的成 功率 德国 公司设计了一款双指夹持苹果采摘末 端执行器 该执行器双指由填充陶瓷的薄膜夹片组成 减小了果实损伤 日本 的 团队 设计了一种柔性末端执行器 通过不同 气压驱动实现控制 但存在夹持力不足的问题 国内虽然对末端执行器的研究起步较晚 但也取 得了一定的成就 南京工程学院杨文亮等 设计了 一款适用球形采摘末端执行器 通过夹持机构与旋切 机构完成球类果实的收获 中国农业大学徐丽明团 队 设计了一种脐橙采摘末端执行器 利用吸盘辅助 定位目标并通过 形指稳定果实实现采摘 江苏大 学尹建军等 针对葡萄的柔性无损采摘要求 设计了 一种欠驱动双指手葡萄采摘装置 通过压力传感器实 时反馈接触力实现接触力的控制 从而提高采摘成功 率 重庆大学王毅团队 设计了一款柑橘采摘末端执 行器 模拟蛇嘴咬合动作 通过吞入闭合动作 刀片切 断果柄实现采摘 针对江苏设施番茄种植园设施农艺要求 设计了 一种适用于设施番茄采摘带有可伸缩吸盘的末端执行 器 重点对末端执行器夹持爪进行设计 探究夹爪与 番茄的相互作用 验证夹持爪在夹持过程中夹持力是 否满足设计要求 对末端执行器夹持爪进行 仿 真分析 并制作样机进行了试验验证 设施番茄末端执行器 设施番茄物理特性 番茄的几何形状和质量将会直接影响番茄采摘 末端执行器的尺寸 本试验的样品采自江苏省连云 港海州区草舍村番茄智慧展示馆的粉太郎 该品种具 有果大 皮厚 抗病等特点 适合机械化采摘和运输 番茄的几何参数如图 所示 番茄的横径 为番茄两 轮廓面之间的最大长度 纵径 为果梗基部到底部的 第 期杨鑫宇等 设施番茄采摘机器人末端执行器设计与试验第 卷 最长处 图 番茄几何参数 随机选取 个番茄 利用游标卡尺测量番茄的 横径和纵径 利用精度为 的电子天平进行称重 番茄的质量范围为 横径为 纵径为 设计夹爪长度应不 小于 设施番茄力学特性 实际生产中 为方便储存和运输 大多番茄是在 坚熟期时进行采摘 粉太郎番茄品种优良 植株长势 旺盛 果实硬度好 耐储存且货架期长 采用质构 仪研究该品种番茄挤压特性 如图 所示 质构仪 平板压盘 番茄果实 硅胶垫 电脑 图 质构仪 将番茄放置在厚 的硅胶垫上 采用平板压 盘对番茄表面施加压力 参照文献 末端执行器 优先抓取横向区域 因此 对番茄果实施加横向压力 载荷 直至果实产生裂纹 观察番茄整个压缩过程 并 且通过质构仪连接电脑记录压力与形变量的变化关 系 曲线如图 所示 由图 可知 在番茄形变量到达 前 变形曲线逐渐升高 属于弹性形变范围内 番茄内部未受到破损 当形变量超过 时 关系 曲线出现了第一个峰值 压力载荷 压力曲线开 始震荡下降 番茄发生明显形变 表皮出现破损 当形 变量超过 后 曲线呈上升趋势 此时番茄发生 塑性形变 内部结构和组织被彻底破坏 由此可知 番茄最大夹持力阈值为 图 压力 形变曲线 整体机构设计与工作原理 基于采摘需求 结合刚性夹持和柔性吸附的优 点 设计了一款适用于番茄采摘带有可伸缩吸盘的 末端执行器 其由夹持机构 驱动机构和吸附机构组 成 整体结构如图 所示 其中 夹持机构由 个刚性 夹爪组成 参考人手抓握番茄的方式 各个夹爪之间 相隔 夹爪表面贴有一层硅胶缓冲垫 以降低采 摘时对番茄的损伤 个夹爪由电机驱动 通过丝杆螺 母的直线运动带动连杆和摇杆的转动 从而实现夹爪 的张开和闭合 真空吸盘 立柱固定件 气缸 电机 滚珠丝杆 丝杆螺母 摇杆 连杆 四孔连接件 扭转弹簧 夹爪 图 末端执行器整体结构 自然环境生长的果实 通常存在枝叶遮挡 果实 重叠等干扰因素 传统的末端执行器 直接夹取番茄 第 卷农机化研究第 期 时容易夹住旁边枝叶或碰伤其他番茄 本设计的末 端执行器通过真空吸盘先探出 将定位后的番茄吸住 并拉出 使其脱离原位置再进行夹持 避免了枝叶或 其他番茄的干扰 工作流程图如图 所示 图 工作流程图 夹持爪的设计和主要参数确定 番茄受力分析 末端执行器的 个夹爪手指与番茄共有 个接触 面 第 个接触点主要受力有正压力 水平方向摩擦 力 竖直方向摩擦力 和吸盘的吸附力 其受力 分析如图 所示 图 番茄受力分析 末端执行器采摘番茄的过程中 夹持爪与番茄果 实接触 在吸盘停止工作后 吸附力消失 此时要使番 茄果实能被夹爪稳定夹持而不滑落 临界条件是番茄 重力等于果实与夹爪之间的最大静摩擦力 由于该 末端执行器三爪结构均匀分布在 个圆周上且夹角相 等 每个接触点受到的正压力 大小相等 要能够稳 定夹持最大番茄果实 最小正压力 应满足 null nullnull null nullnull 式中 为番茄质量的数值 单位 为番茄 最大质量的数值 单位 为重力加速度的数值 单 位 取 为番茄果实与缓冲材料的 摩擦因数 夹爪上贴有缓冲材料 可以增大摩擦力 有效减 小夹爪对番茄表皮的夹持力 减小番茄的机械损伤 由于番茄表面凹凸不平 与不同缓冲材料的摩擦因数 均不相同 常见的缓冲材料有两种 橡胶和硅胶 通 过 摩擦因数测试仪对番茄表皮与缓冲材料 进行摩擦试验 来确定最佳缓冲材料 每种摩擦因数 分别在砝码质量 下重复测试 次取平均 值 得到摩擦因数如表 所示 由表 可知 硅胶与番 茄表皮的摩擦因数较大 故选硅胶作为缓冲材料 取 表 不同材料与番茄表面摩擦因数 砝码质量 橡胶硅胶 已知夹爪夹持番茄果实时 临界的番茄破损力为 最大番茄果实质量为 有 故末端执行器夹爪的临界夹持力为 第 期杨鑫宇等 设施番茄采摘机器人末端执行器设计与试验第 卷 夹爪的运动学分析和关键结构选型 建立末端执行器单指结构和工作空间图如图 所 示 建立笛卡尔坐标系 其中水平线穿过固定铰 链 点 垂直线通过中心滑块的 点 工作空间指夹 爪在极限状态下手爪的开合程度能满足横径 的番茄 末端执行器的主要运动参数为 null null 式中 分别为末端执行器夹爪的初始位 置 滑块的行程和摇杆传动角度 图 单指结构尺寸和工作空间 由于番茄的形状尺寸具有不确定性 对夹爪 闭合过程解耦 求解末端执行器夹持过程的运动学模 型 根据番茄的纵径范围为 设计夹 爪 取末端执行器的初始位置为 式中 分别为夹爪能够夹持番茄的最大 和最小直径的数值 单位 为末端执行器初始位 置直径的数值 单位 当摇杆水平时 夹爪开口直径最小 此时末端执 行器处于夹持状态 滑块的位置为 式中 为滑块的最高点位置 当摇杆转到极限位置时 夹爪开口直径最大 此 时末端执行器处于张开状态 转动角 滑块的 位置为 式中 为滑块的最低点位置 受电机 气缸的限制 要保证 式中 分别为番茄的纵径最大值 气缸 长度和滑块行程的数值 单位 分别取 滑块的最 大位移 可得 末端执行器的参数表如表 所示 表 末端执行器参数表 关节尺寸运动参数 杆 杆 初始开口直径 杆 杆 滑块行程 杆 杆 摇杆传动角 个夹爪各安装有 压力薄膜传感器 用来 监测压力的变化 对于电机设计选型 理想安装 不考 虑冲击 震动和其他非常因素影响 取传动正效率 根据文献 取力传感器的压力阈值为 传 感器的接触面积为 则压力传感器受到的压强 为 则可计算出单个夹爪指面受到的压力 即 为步进电机的推力为 式中 为夹爪指面压力的数值 单位 为压力 传感器受到压强的数值 单位 为单侧夹爪指面面 积的数值 单位 求得单侧夹爪受到压力 步进电机扭矩 计算公式为 式中 为导程的数值 单位 计算得 选用 公司生产 的 型号电机 额定转矩 是计算转矩的 倍 满足要求 夹爪的受力分析 通过对末端执行器在夹持过程中与番茄的相互 作用进行探究 将夹爪抓取番茄的过程分为拉拽 分 离和预放置 个阶段 见图 以此为基础展开力学 分析 拉拽阶段 番茄在被拉拽过程中 主要受到植 株对番茄的拉力 三爪对番茄的正压力 番茄自 身的重力和夹爪与番茄间的摩擦力 如图 所示 拉拽阶段末端执行器成功将果实与果柄分离的条 件为 null null null 第 卷农机化研究第 期 式中 为夹爪与番茄接触水平倾角的数值 单位 为番茄最大夹持力的数值 单位 根据文献 可知 取 由于番茄表 面不规则 值不确定 而番茄横径为 当番茄横径设置最大时 基于 末 端执行器中的模型 取 取 代入式 求得 满足番茄的临界最 小夹持力 的条件 图 末端执行器力学分析 分离阶段 在番茄果实和果柄分离过程中 番 茄主要受到 个夹爪对番茄的压力 吸附机构真空 吸盘对番茄的支持力 和番茄自身重力 如图 所示 此时番茄处于受力平衡状态 则 将 代入式 求得 由于番茄表皮的最小破裂力为 因此分离阶段 不会造成番茄损伤 预放置阶段 采摘番茄后 末端执行器方向朝 下 以便将番茄置于采摘框内 此时 番茄受到自身 的重力 夹爪对番茄的压力 真空吸盘对番茄的支持 力 和番茄表面与夹爪的摩擦力 如图 所示 由于预放置阶段夹爪的位置与番茄分离植株位置一 致 为了保证番茄不脱落 则有 null null 由三维模型可知 夹爪与番茄接触面的倾角 为 番茄的质量 为 代入式 仍然成立 因此设计的末端执行器能够满足采摘 作业要求 末端执行器模拟抓取仿真分析 为了评估末端执行器的抓取性能 通过 软件 对末端执行器的抓取过程进行仿真 将 绘制的末端执行器和番茄模型转换成 模型导入软件 并为末端执行器的各个连杆等部件设 置适当的运动副 如转动副 移动副 由于末端执行器 是三爪结构 在设置运动副要注意 个方向 并通 过调整丝杆的扭矩 控制末端执行器夹爪的开合速 度 仿真过程如图 所示 图 末端执行器仿真模拟 末端执行器运动状态分析 对末端执行器抓取横向直径为 的番茄果 实的运动状态进行模拟 根据文献 可以得 到番茄的材料属性如下 质量为 弹性模量为 泊松比为 应力强度为 密度为 夹爪运动状态 夹爪抓取过程的位移曲线如 图 所示 个夹爪的位移过程基本相同 在 时 夹爪处于预抓取状态 此时末端执行器夹爪由初 始状态 夹爪离中心距离约 到完全张开状态 夹爪离中心距离约 夹爪 和夹爪 沿 轴 方向移动了约 夹爪 移动了约 在 时 夹爪逐步靠近番茄果实 在 时 夹爪 和 夹爪 移动约 夹爪 移动约 末端执行 器处于抓取状态 在第 时 由于夹爪与番茄果实接 触 位移曲线出现了微小的波动 在 时 夹爪处于平 第 期杨鑫宇等 设施番茄采摘机器人末端执行器设计与试验第 卷 稳的抓取摘下状态 夹爪在张开和闭合的运动过程 中 位移曲线整体光滑 整体运动稳定 将仿真结果与 上文数学模型对比 验证了设计满足要求 夹爪 和夹爪 的位移曲线 夹爪 的位移曲线 图 夹爪位移曲线 滑块运动状态 在末端执行器抓取过程中 滑 块的运动状态如图 所示 在 之间 滑块沿 轴移动距离约为 在 之间 滑块沿 轴移 动距离约为 均在规定行程范围内移动 满足设 计要求 图 滑块运动规律 番茄果实受力情况分析 分别建立横径为 的番茄模型 质量 分别为 其他材料属性与上文相同 分 别模拟末端执行器对不同横径番茄果实的抓取夹持 力 横径 的番茄果实受力情况如图 所示 横 径不同的番茄果实受力情况基本类似 图 番茄果实受力情况 由图 可知 当夹爪与番茄果实接触时 瞬时接 触力达到 并在 内迅速下降 当末端执行器 夹持番茄果实并且平稳摘下过程中 番茄果实受力在 的无损夹持范围内波动 番茄在抓取过程中 均未 发生脱落现象 因此 该末端执行器能够确保在夹持 番茄时不会造成番茄受损 同时具有良好的稳定性和 保护性 满足设计要求 样机试验 试验方案 为了验证番茄采摘末端执行器的抓取效果和采 摘性能 试验地点选取连云港番茄庄园智慧展示馆 试验方案如图 所示 图 试验方案 通过机械加工制作夹爪与内部连杆机构 选用铝 合金 材料 保证夹爪在抓取过程中的稳定性 套 筒采用 打印制作 选用 材料 具有良好的耐热 性和耐冲击性 气缸通过导向轴支座固定在套筒上 实现末端执行器的吸附功能 试验方案为将末端执 行器通过法兰盘安装在六自由度机械臂上 视觉系统识 第 卷农机化研究第 期 别到番茄果实后 上位机引导末端执行器到预采摘位 置 对目标果实进行采摘作业 对设施温室大棚内 组不同位置的番茄进行采摘 对采摘时间和果实的各 项数据进行记录 探究影响采摘成功率的因素 试验结果与分析 对采摘成功的番茄果实进行统计 采摘结果如表 所示 由负压吸持试验可得出稳定吸附气压为 末端执行器采摘成功率主要为真空吸盘 对目标果实的吸取成功率和末端执行器的采摘果实 的成功率 表 末端执行器采摘结果 个 序号采摘数量吸取成功数量采摘成功数量 由表 可知 组不同位置的植株共采摘番茄 个 吸取成功数量为 个 吸取成功率为 采摘成 功数量为 个 采摘成功率为 并且当伸缩式吸 附机构成功吸取番茄果实后 夹持机构都能够实现成 功采摘 吸附机构吸取失败的原因有多种可能 其中 番茄果实的大小 直径 是影响吸取成功率的重要因 素 对采摘的 个番茄进行分类统计 结果如表 所示 表 不同大小果实采摘成功率 果实类型采摘数 个成功数 个成功率 大果 续表 果实类型采摘数 个成功数 个成功率 中果 小果 由表 可知 末端执行器对中果的采摘成功率较 高 这是因为小果的番茄果实较小 曲面曲率较高 吸 盘与果实接触面积小 吸附力分布不均 导致吸盘吸取 后容易出现脱落 大果果实直径增大 质量也相应增 加 真空吸盘出现吸附力不足 导致果实吸取后掉落 因此 该末端执行器更适用于番茄直径 的 果实 末端执行器的采摘工作主要分为吸盘吸附 夹爪 夹持和旋拧拉拽 个动作 每个动作间隔会有 的 响应时间 以便下个动作连贯进行 试验发现 气动吸 附机构从真空吸盘吸附到回拉所需的平均时间为 夹爪夹持所需平均时间为 末端电机旋拧 所需平均时间为 末端执行器整体采摘平均时间 为 符合应用需求 结 论 针对设施番茄的高效无损采摘 设计了一款带 有可伸缩吸盘的三爪设施番茄采摘机器人末端执 行器 分析了设施番茄粉太郎品种的物理力学特性 进行了番茄果实受力分析 得出番茄的夹持力范围为 之间 通过对末端执行器运动学分析 得出末端执行 器各关节的尺寸结构与运动学参数 通过对末端执行 器夹爪与番茄的相互作用力学分析并通过仿真进行 验证 表明该末端执行器满足夹持力设计要求 样机试验表明 利用该末端执行器实现采摘番 茄成功率可达 采摘平均时间为 能够有效 实现设施番茄的机械采摘 参考文献 陶建平 陆岱鹏 吕晓兰 等 江苏地区设施茄果类蔬 菜高效机械化生产模式探索 农业工程技术 陈进熹 丁洁瑾 基于机器视觉的番茄采摘器红外图谱 识别研究 农机化研究 李兴旭 陈雯柏 王一群 等 基于级联视觉检测的樱桃 番茄自动采收系统设计与试验 农业工程学报 第 期杨鑫宇等 设施番茄采摘机器人末端执行器设计与试验第 卷 刘继展 温室采摘机器人技术研究进展分析 农业 机械学报 郑思思 王小花 基于图像处理的视觉采摘机器人作业 控制研究 农机化研究 翟毅豪 邓志恒 张俊雄 温室采摘机器人末端执行器 研究进展 农业工程技术 孟浩 胡军 王妍伟 等 番茄采摘机械手的三维设计 与试验研究 农机化研究 杨文亮 冯虎 韩亚丽 等 基于气压驱动的球状果实 采摘机器人末端执行器研制 农机化研究 徐丽明 刘旭东 张凯良 等 脐橙采摘机器人末端执 行器设计与试验 农业工程学报 尹建军 陈永河 贺坤 等 抓持 旋切式欠驱动双指 手葡萄采摘装置设计与试验 农业机械学报 王毅 许洪斌 张茂 等 仿蛇嘴咬合式柑橘采摘末端 执行器设计与实验 农业机械学报 王博文 张万豪 冯青春 剪切式番茄整枝操作手爪设 计与试验 农机化研究 严童杰 驱控一体的旋拧式果实采摘执行器设计 镇江 江苏大学 吕辉 李立君 赵青 等 剪切式油茶花采摘末端执行 器设计与实验 农机化研究 刘凡 杨光友 杨康 农业采摘机器人柔性机械手研究 中国农机化学报 陈子文 杨明金 李云伍 等 基于气动无损夹持控制 的番茄采摘末端执行器设计与试验 农业工程学 报 刘存祥 刘恩光 赵戬 等 钵苗移栽机取苗装置的设 计与试验 农机化研究 周科宏 番茄抓取机器人末端执行器研究与设计 镇江 江苏大学 罗惠中 左平安 蒋小霞 等 基于 的刚柔耦 合玉米摘穗力学仿真试验 农机化研究 周俊 孟一猛 张娜 等 机械手不同抓取控制方式对 番茄机械损伤的影响分析 农业机械学报 皮杰 柳军 徐磊 等 三指柔性气动夹爪结构设计与 实验 农业机械学报 增刊 第 卷农机化研究第 期 上接第 页