一種自適應(yīng)多功能水果采摘裝置

成亮，王立杰，張國慶

(南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，南京210037)

我國水果采摘方式普遍都是人工采摘，人工成本占果蔬總成本的50%～70%[1]，該采摘方式成本高、效率低、難以實現(xiàn)高空作業(yè)。水果采摘裝置是一種代替人工、可以自動化采摘水果的裝置。目前，國內(nèi)水果采摘裝置還處于發(fā)展的初期，絕大多數(shù)水果采摘裝置還不能滿足果農(nóng)對于采摘水果的要求。水果采摘裝置主要存在以下問題：1)抓取自適應(yīng)性差[1-2]。水果形狀存在差異性，全驅(qū)動機械手[3]難以適應(yīng)水果形狀，容易夾壞水果。2)采摘柔順性差[4-5]。目前，水果采摘裝置末端執(zhí)行器[6]大部分采用的是剛性結(jié)構(gòu)，在夾持水果時沒有緩沖階段，而水果較為嬌嫩，容易碰傷果實。3)缺少采摘通用性[2,7]。不同種類的水果形狀存在很大的區(qū)別，不同大小的果實需要的末端執(zhí)行器的尺寸也不同，目前大部分的水果采摘裝置[8]只能采摘特定的某一種水果，不具備采摘的通用性。

為解決上述自適應(yīng)及通用性問題，筆者研制了一種自適應(yīng)多功能水果采摘裝置，該裝置通用性強、采摘范圍廣、自適應(yīng)能力強、結(jié)構(gòu)簡單、動作易于自鎖，能實現(xiàn)對水果的無損采摘。

1 水果采摘裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

水果采摘裝置由3個手指、手指轉(zhuǎn)動機構(gòu)、手爪抓取機構(gòu)、手爪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，其機構(gòu)簡圖如圖1所示。該水果采摘裝置有3個手指，依靠3個驅(qū)動元件實現(xiàn)對整個裝置11個自由度的控制。手指轉(zhuǎn)動機構(gòu)可實現(xiàn)2個活動手指的轉(zhuǎn)動，手爪抓取機構(gòu)可實現(xiàn)水果的抓取與松開動作，手爪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可實現(xiàn)手爪整體旋轉(zhuǎn)。

1. 伺服電機；2. 氣缸；3. 氣缸連接板；4. 從動軸；5. 小平臺；6. 主動桿；7. 從動齒輪；8. 第一活動手指；9. 固定手指；10. 手掌；11. 第二活動手指；12. 主動齒輪；13. 主動桿；14. 主動軸；15. 蝸桿；16. 蝸輪。圖1 水果采摘裝置機構(gòu)簡圖Fig. 1 General assembly drawing of the fruit picking device

為了更好地包絡(luò)及更穩(wěn)定地抓取水果，水果采摘裝置設(shè)計成3個手指，每個手指有3個指節(jié)，3個手指中有1個固定手指和2個活動手指。當氣缸無桿腔進氣、有桿腔排氣時，活塞桿通過小平臺推動主動桿沿主動軸、從動軸向上移動，同時固定手指上的主動桿直接隨小平臺移動。接觸水果前，扭簧約束手指各桿件；接觸水果后，扭簧的約束被釋放，手指的近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)依次接觸水果直至手爪完全抓緊水果。之后，伺服電機帶動氣缸連接板上的整個手爪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)水果與果梗的分離。當氣缸有桿腔進氣、無桿腔排氣時，小平臺向下移動，由于扭簧的恢復(fù)作用，手指的遠指節(jié)、中指節(jié)、近指節(jié)依次脫離水果直至手爪完全松開水果，水果落入水果收集袋。

微型直流伺服電機通過蝸桿、蝸輪帶動主動軸轉(zhuǎn)動，主動軸上裝有第二活動手指，由主動軸帶動第二活動手指轉(zhuǎn)動。主動軸通過主動齒輪、從動齒輪帶動從動軸轉(zhuǎn)動。第一活動手指裝在從動軸上，由從動軸帶動第一活動手指轉(zhuǎn)動，2根活動手指分別隨著主動軸與從動軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，固定手指不動，達到三手指120°分布或三手指平行分布。手指120°分布時，可實現(xiàn)對類球形水果(如蘋果等水果)的采摘；手指平行分布時，可實現(xiàn)對類圓柱形水果(如香瓜等水果)的采摘。手指120°與平行分布如圖2所示，水果采摘裝置總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 手指分布圖Fig. 2 Fingers distribution map

圖3 水果采摘裝置總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 General structure of fruit picking device

2 水果采摘裝置主要尺寸的確定

2.1 手指接觸力分析

a1、a2為桿AG、BE的長度；b1、b2為桿FG、DE的長度；c1、c2為桿BF、CD的長度；γ1、γ2、γ3、γ4分別為桿AG與FG的夾角、桿BF與FG的夾角、桿BE與DE的夾角、桿CD與DE的夾角。圖4 手指接觸力分析Fig. 4 Diagram of finger contact force analysis

手指接觸力分析如圖4所示。采摘水果時，3個指節(jié)從近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)依次與水果接觸，與水果接觸時指節(jié)與水果間會產(chǎn)生接觸力，分別為F1、F2、F3。接觸力過大會對水果造成損傷，接觸力過小則手指抓不穩(wěn)水果，甚至發(fā)生彈射現(xiàn)象[9-11]。因此，在進行水果裝置尺寸設(shè)計時，首先需要對手指與水果間的接觸力進行分析。

由虛功原理可知：

TTω=FTv

(1)

式中：T為手指各指節(jié)輸入力矩；ω為3個指節(jié)與力矩相關(guān)連桿對應(yīng)的角速度；F為3個指節(jié)與水果間的接觸力；v為各指節(jié)與水果接觸點處沿著指節(jié)所受外力方向的速度矢量。此外，定義T1、T2、T3分別為近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)的輸入力矩；F1、F2、F3分別為近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)與蘋果間的接觸力；v1、v2、v3分別為近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)與水果接觸點處沿著指節(jié)所受外力方向的速度矢量。

(2)

Jv=

(3)

式中：d1、d2、d3分別為近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)的指節(jié)長度；k1、k2、k3分別為近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)與蘋果接觸點到轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的距離；α1、α2、α3分別為近指節(jié)與水平線的夾角、中指節(jié)與近指節(jié)反向延長線的夾角、遠指節(jié)與中指節(jié)反向延長線的夾角。

再創(chuàng)建一個傳遞函數(shù)(J)，使：

(4)

則由式(1)～(3)可得：

(5)

(6)

(7)

合并式(6)與(7)可得：

(8)

因此：

(9)

將上述結(jié)果代入式(5)可得：

(10)

(11)

(12)

式(10)中：

U=k2k3r3+k2k3d2-r2k3d2cosα2+r2r3d2cosα2

cosα3-r2r3k2cos(α2+α3)

(13)

V=d2cosα2cosα3+k3cosα2-k2cos(α2+α3)

(14)

2.2 手指尺寸設(shè)計

以采摘蘋果作為手指尺寸的設(shè)計基準，根據(jù)蘋果尺寸確定手指3個指節(jié)的長度。根據(jù)NY/T 268—1995《綠色食品 蘋果》，除三級蘋果外，果實橫切面最大直徑需大于70 mm[10]。本研究中所采摘的蘋果直徑為80～100 mm。因此，根據(jù)蘋果尺寸，確定3個指節(jié)的長度分別為d1=50 mm、d2=25 mm、d3=16 mm。

理想的抓取狀態(tài)是若手指有n個指節(jié)，則在完全抓緊的狀態(tài)下，應(yīng)當有n個接觸點，如果手指各連桿尺寸設(shè)計不合理，則會發(fā)生彈射現(xiàn)象[4,7]，即在完全抓緊狀態(tài)下，接觸點小于n，一般為近指節(jié)或中指節(jié)脫離水果。一般情況下，即使發(fā)生彈射現(xiàn)象，整個機構(gòu)也能達到靜平衡狀態(tài)，但是不利于后續(xù)的水果采摘，尤其是旋轉(zhuǎn)扭斷果梗時，由于手指未能抓穩(wěn)水果，可能會導(dǎo)致水果脫落。為了保證在完全抓緊狀態(tài)下不發(fā)生彈射現(xiàn)象，如圖4b，應(yīng)當保證Ri=ai/ci在穩(wěn)定的范圍內(nèi)[12-13]，取R1=R2=2，同時，為使整體手指結(jié)構(gòu)緊湊，取a1=30 mm、c1=15 mm；a2=20 mm、c2=10 mm。

手指的抓取和松開過程需要依靠扭簧來控制各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，它既解決了機構(gòu)的不確定運動，又能傳遞力及運動[14]。因此，扭簧在整個采摘過程中起到了關(guān)鍵的作用。這里選用三類圓柱螺旋彈簧[15]，彈簧剛度K=4.5 N·mm/(°)，初始扭矩τ=60 N·mm。

以橫徑90 mm蘋果為例，根據(jù)式(10)～(12)可得各指節(jié)接觸力F1=6.0 N、F2=10.6 N、F3=15.0 N。

2.3 手指轉(zhuǎn)動機構(gòu)參數(shù)確定

微型直流伺服電機選用maxon公司的DC-max16電機，其額定功率2 W，工作轉(zhuǎn)速n=930 r/min，直齒輪工作轉(zhuǎn)速n2=30 r/min。

2個活動手指調(diào)整一次位置需要2個活動手指分別隨著主動軸與從動軸轉(zhuǎn)動φ=60°，則2個活動手指調(diào)整一次位置所用時間(t)為：

(15)

2.4 手爪抓取機構(gòu)參數(shù)確定

根據(jù)式(12)可確定氣缸理論輸出力，在抓取水果時，由于通過傳感器控制各個指節(jié)接觸力小于等于15 N，因此，F(xiàn)3≤15 N。

在抓取橫徑90 mm蘋果時，T3=-(k×α3+τ)=-(4.5×0.18π+60)=-62.54 N·mm、k3=5.4 mm、r2=63 mm、r3=25 mm，代入式(12)可得T1=514.9 N·mm。此時，對近指節(jié)連桿進行受力分析，如圖5所示。

圖5 近指節(jié)連桿受力分析圖Fig. 5 Force analysis diagram of proximal interphalangeal joints

Fa=T1/a1=514.9/30=17.16 N

(16)

Fc=Fa/(cosθ1cosθ2)

(17)

在抓取橫徑90 mm蘋果時，手爪完全抓緊蘋果的狀態(tài)下，θ1=29.1°、θ2=5.4°，代入式(17)可得Fc=19.7 N。由于手爪共有3根手指，氣缸理論輸出力F0=3×Fc=3×19.7=59.1 N。

同理可求得當蘋果橫徑為80 mm時，氣缸理論輸出力為87.6 N；橫徑為100 mm時，氣缸理論輸出力為75.3 N。

取最大理論輸出力87.6 N作為設(shè)計的理論輸出力，同時取氣缸效率η=0.6，則氣缸負載力(Fq)為：

Fq=F0/η=87.6/0.6=146 N

(18)

取氣源供氣壓力P=0.3 MPa，則氣缸內(nèi)徑(D)為：

(19)

提高20%并圓整到標準系列值[16]，D取32 mm。

在實際工作過程中，工作壓力(Pg):

(20)

為了保證手爪能夠完全包絡(luò)住水果，同時保證零件間不會發(fā)生相互碰撞，小平臺移動行程設(shè)計為38 mm。氣缸行程應(yīng)當大于小平臺行程，本研究將氣缸行程設(shè)計為40 mm，活塞桿直徑設(shè)計為8 mm。氣缸工作時，活塞移動速度為v=10 mm/s，則氣缸流量(Q)：

Q=vA

(21)

式中，A為活塞的有效面積。求得氣缸流量Q=8 038 mm3/s。

2.5 手爪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)參數(shù)確定

在手爪完全抓住水果后，伺服電機通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動整個手爪扭斷水果果梗。為了節(jié)省空間，本研究采用直流伺服電機。直流伺服電機啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制簡單。選用杰美康機電公司的電機，其型號為60JSF4030DF，該電機額定轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min，最低轉(zhuǎn)速可達1 r/min，能夠滿足扭斷果梗時間的要求。同時，該電機額定力矩為1.3 N·m，力矩較大，能夠滿足整個裝置旋轉(zhuǎn)對于力矩的要求。

3 仿真驗證

本研究采用ADAMS軟件對橫徑為80 mm的較小蘋果、橫徑為90 mm的普通蘋果、橫徑為100 mm的較大蘋果進行仿真；同時，對橫徑為65，75，85 mm的3種香瓜進行仿真。

通過UG仿真軟件對水果采摘裝置及水果進行三維建模，在UG中建完模型后導(dǎo)入ADAMS仿真軟件。在ADAMS中，重力加速度設(shè)置為z方向，零件按照自身屬性添加材料。水果與地面間施加固定約束，手指各個關(guān)節(jié)處施加轉(zhuǎn)動副，活塞桿與缸體施加移動副，對于仿真中不起實際作用且固定不動的零件與地面施加固定約束，相鄰且沒有相對運動的2個零件間添加相對固定副。當手指呈120°分布時，對活塞桿的移動副施加8 mm/sz方向的速度；當手指呈平行分布時，對活塞桿的移動副施加10 mm/sz方向的速度。水果采摘裝置的每個手指都有2個扭簧，仿真時，在扭簧處添加扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器，并在扭簧與水果間添加接觸力。通過推拉力計對香瓜、蘋果進行壓力測試，試驗表明，香瓜屈服力約為25 N，蘋果屈服力約為28 N。仿真時，在每個手指上安裝力傳感器[17]，為了保護水果不受損傷，當3個指節(jié)中任意一個指節(jié)受力達到15 N時，整個裝置便停止工作。同時，為了保證抓取穩(wěn)定，3個指節(jié)接觸力應(yīng)大于3 N[10]。抓取蘋果和抓取香瓜的抓緊狀態(tài)如圖6所示。

圖6 手指抓緊狀態(tài)Fig. 6 The grasping state of fingers

對于蘋果抓取接觸力仿真結(jié)果如圖7及表1所示。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當手指間呈120°分布且完全抓緊蘋果時，遠指節(jié)的受力最大，近指節(jié)受力最小，所以應(yīng)當保證近指節(jié)受力大于3 N，以便抓穩(wěn)蘋果。仿真結(jié)果中，在抓取橫徑100 mm的蘋果時，近指節(jié)受到的接觸力最小，僅為3.9 N，能夠滿足抓穩(wěn)水果的要求。在抓取過程中，3個指節(jié)接觸力變化平緩，未出現(xiàn)力突變的情況，且在抓取不同橫徑蘋果時，3個指節(jié)對應(yīng)的接觸力變化趨勢一致，表明該裝置采摘蘋果較穩(wěn)定。仿真結(jié)果還表明：蘋果橫徑越小，3個指節(jié)所受接觸力越大，抓取得更加穩(wěn)定；同時，蘋果橫徑越小，抓取所花時間越長。以橫徑90 mm蘋果為例，理論計算接觸力F1=6.0 N、F2=10.6 N、F3=15.0 N，與仿真數(shù)值接近，進一步驗證了仿真的合理性。

圖7 蘋果仿真結(jié)果Fig. 7 Apple simulation results

表1 抓取蘋果時三指節(jié)的接觸力結(jié)果Table 1 The contact force results of three fingers in grabbing apple

對于橫徑65，75，85 mm的香瓜接觸力的仿真結(jié)果如圖8及表2所示。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當采摘香瓜時，完全抓緊香瓜時近指節(jié)的受力較大，遠指節(jié)受到的接觸力隨香瓜橫徑的增大而增大，中指節(jié)受到的接觸力隨香瓜橫徑的增大而減小，且在橫徑為85 mm時受力最小，此時中指節(jié)受力為3.2 N，能夠滿足抓穩(wěn)香瓜的要求。在抓取過程中，3個指節(jié)接觸力變化平緩，未出現(xiàn)力突變的情況，且在抓取不同橫徑香瓜時，3個指節(jié)對應(yīng)的接觸力變化趨勢一致，表明當手指間呈平行分布且抓取不同橫徑香瓜時，裝置采摘水果依然較穩(wěn)定。仿真結(jié)果還表明，香瓜橫徑越小，抓取所花時間越長。

表2 抓取香瓜時三指節(jié)的接觸力結(jié)果Table 2 The contact force results of three fingers in grabbing muskmelon

圖8 香瓜仿真結(jié)果Fig. 8 Muskmelon simulation results

4 結(jié) 論

經(jīng)過理論計算與仿真分析，水果采摘裝置能夠通過自動調(diào)整手指方位，實現(xiàn)80～100 mm橫徑的蘋果采摘，以及65～85 mm的香瓜采摘，同時可以將采摘接觸力控制在3～15 N，抓取水果的時間控制在1.6～2.6 s。

基于欠驅(qū)動原理，采用蝸輪蝸桿機構(gòu)及直齒輪機構(gòu)設(shè)計了一種能夠代替人工的新型水果采摘裝置，通過2個活動手指間的轉(zhuǎn)動，可以調(diào)整手指間的角度，實現(xiàn)手指120°分布和平行分布，從而不僅實現(xiàn)了類球型水果的采摘，還可以實現(xiàn)類圓柱形水果的采摘，滿足了水果采摘裝置的通用性要求，實現(xiàn)了一機多用的功能。本研究設(shè)計的裝置結(jié)構(gòu)較簡單，動作易實現(xiàn)自鎖，既能穩(wěn)定抓取水果，又不會對水果造成損傷，能夠滿足果農(nóng)對于采摘水果的要求。