夾持式末端執(zhí)行器在水果采摘中的可行性研究

杜帥

摘? 要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)水果采摘機(jī)械化程度低、采摘困難等問(wèn)題，該文對(duì)現(xiàn)有的夾持式末端執(zhí)行器應(yīng)用于水果采摘中的可行性進(jìn)行研究。首先，通過(guò)建立夾持水果枝干的靜力學(xué)模型，推導(dǎo)了一種夾持力計(jì)算公式。然后，借助ANSYS對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行有限元分析，確定了典型夾指應(yīng)力和應(yīng)變最大值，可針對(duì)不同采摘對(duì)象對(duì)末端執(zhí)行器的材質(zhì)和強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。最后，利用Adams軟件建立虛擬樣機(jī)模型，驗(yàn)證了夾持式末端執(zhí)行器在水果采摘中的合理性和可行性，為進(jìn)一步研究水果機(jī)械化采摘提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：末端執(zhí)行器;水果采摘;靜力學(xué)模型;ANSYS有限元分析

中圖分類號(hào)：TP24? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)水果采摘多采用人工采摘的方式，機(jī)械化程度低、采摘難度大。近幾年人們開(kāi)始研究借助末端執(zhí)行器采摘水果。由于末端執(zhí)行器夾持果實(shí)表面的夾持力大小不好控制，且容易造成果實(shí)損傷，因此如何無(wú)損采收成為機(jī)械化采收果實(shí)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。如果將末端執(zhí)行器夾持水果表面改為夾持水果母枝，就能減少夾持力的控制難度，而夾持穩(wěn)定性和夾持力的大小就成為衡量夾持機(jī)構(gòu)性能的重要指標(biāo)。該文從末端執(zhí)行器和母枝之間的夾持力關(guān)系入手，建立兩者的靜力學(xué)模型，推導(dǎo)出一種適用于末端執(zhí)行器和水果母枝的夾持力計(jì)算方法。然后通過(guò)ANSYS有限元分析確定末端執(zhí)行器的夾持應(yīng)力和應(yīng)變量大小，以適應(yīng)不同夾持對(duì)象。最后借助Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證末端執(zhí)行器應(yīng)用于水果采摘中的可行性和合理性。

1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)原理

夾持式末端執(zhí)行器為雙四連桿結(jié)構(gòu)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪連桿向中間運(yùn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)左右?jiàn)A指同時(shí)向中間運(yùn)動(dòng)，最終完成夾指的夾持動(dòng)作[1]。其中，左右?jiàn)A指的末端設(shè)計(jì)成“V”型結(jié)構(gòu)，利于水果母枝嵌入其中，其夾角為2α。末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 夾持靜力學(xué)模型

2.1 夾持力封閉性分析

末端執(zhí)行器夾指的夾持位置和夾持角度直接影響夾持力的封閉性。因此將水果母枝截面簡(jiǎn)化成圓形，左右?jiàn)A指“V”型面對(duì)接形成的菱形輪廓與母枝的接觸點(diǎn)為4個(gè)，可以根據(jù)多指抓取的力封閉條件判斷該模型是否符合力封閉性[2]。

如圖2所示，A1、A2、A3、A4分別為左夾指和右?jiàn)A指與母枝的接觸點(diǎn)。n11和n12，n21和n22，n31和n32，n41和n42分別為A1、A2、A3、A4接觸點(diǎn)摩擦錐的矢量，S為矢量交集區(qū)域，o為夾持力矢量交點(diǎn)，β為接觸點(diǎn)摩擦錐角。

由圖2可以看出夾持力矢量的交點(diǎn)位于摩擦錐角的交集區(qū)域內(nèi)，滿足夾持力封閉條件，末端執(zhí)行器夾持水果母枝時(shí)比較平穩(wěn)。

2.2 夾持靜力學(xué)分析

末端執(zhí)行器夾持母枝的靜力學(xué)模型如圖3所示。以?shī)A持方向?yàn)閄軸，垂直于夾指夾持方向的為Y軸，母枝軸向?yàn)閆軸，建立如圖3所示的坐標(biāo)系。其中A和B為夾指與母枝的接觸點(diǎn)。由于在實(shí)際的采摘過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生干擾因素，比如自然風(fēng)會(huì)影響模型的受力，該文假定末端執(zhí)行器在采摘水果過(guò)程中會(huì)遇到垂直于夾持方向的干擾力，即Y軸負(fù)方向的Fd，如圖3（b）所示。

當(dāng)末端執(zhí)行器夾指完全夾住母枝時(shí)，可以完成采摘。根據(jù)夾持靜力學(xué)模型，分別過(guò)A、B兩點(diǎn)做垂直于YOZ面的旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)兩點(diǎn)建立力矩方程

（1）

式中：d—2個(gè)接觸點(diǎn)之間的距離;L1—干擾點(diǎn)與Y軸的距離;G—夾持對(duì)象重力;L2—同一夾指上下接觸點(diǎn)的間距;θ—夾指邊緣夾角;FBy、FBz—B點(diǎn)在Y、Z方向的壓力分量;FAy、FAz—A點(diǎn)在Y、Z方向的壓力分量;Fd—采摘過(guò)程中干擾力;FNy—夾指抵抗擾動(dòng)產(chǎn)生的壓緊力。

解得

夾指預(yù)緊力

夾指A側(cè)正壓力

夾指預(yù)緊力FB在x方向上的分力

正壓力FR在x方向上的分力

當(dāng)采摘對(duì)象受到干擾力Fd時(shí)，夾指所提供的的夾持力

通過(guò)靜力學(xué)模型推導(dǎo)出的夾持力計(jì)算公式，可以應(yīng)用于以后采摘末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力計(jì)算與驅(qū)動(dòng)元件的選型中。該計(jì)算方法適用于多種夾持模型。

3 末端執(zhí)行器仿真分析與驗(yàn)證

末端執(zhí)行器在完成夾持母枝動(dòng)作時(shí)，除了要考慮所需要的夾持力大小，還要考慮末端執(zhí)行器前端本身的材料特性和夾持能力。為分析末端執(zhí)行器在夾持母枝時(shí)本身所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變量，該文借助ANSYS的Workbench模塊對(duì)末端執(zhí)行器完成夾持動(dòng)作時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析，并通過(guò)Adams虛擬樣機(jī)驗(yàn)證其夾持動(dòng)作的合理性。

3.1 末端執(zhí)行器有限元分析

3.1.1 建立有限元模型

在有限元分析中，為保證仿真結(jié)果的真實(shí)性和可靠性，需要將大的模型劃分為許多細(xì)小的單元進(jìn)行分析[3]。要盡可能地將網(wǎng)格畫(huà)小一些，提高仿真分析的真實(shí)度。對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的有限元模型如圖4所示?？紤]到末端執(zhí)行器在夾持母枝時(shí)的真實(shí)情況，在夾持住母枝的一瞬間，末端執(zhí)行器沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，因此將其合并成一個(gè)整體來(lái)分析，只在夾指的末端施加載荷。分析末端執(zhí)行器在夾持母枝時(shí)各部位的應(yīng)力和應(yīng)變大小。

3.1.2 仿真結(jié)果分析

該文選擇的末端執(zhí)行器材料為6061鋁合金，具有輕便、加工性能好、韌性高的特點(diǎn)。具體施加載荷情況可以根據(jù)夾持對(duì)象，通過(guò)夾持力計(jì)算公式計(jì)算出所需的夾持力，然后在有限元分析中對(duì)夾持部位施加相同的載荷，分析應(yīng)力和應(yīng)變情況。通過(guò)仿真結(jié)果可以分析末端執(zhí)行器材質(zhì)的選擇是否合適，以及應(yīng)力集中點(diǎn)是否需要加強(qiáng)材料強(qiáng)度。設(shè)置材料屬性為鋁合金，將典型荔枝采摘夾持力15 N作為載荷，以此來(lái)分析末端執(zhí)行器的應(yīng)變和各部分的應(yīng)力情況，其應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D如圖5（a）、圖5（b）所示。

通過(guò)圖5（a）應(yīng)力云圖可以看出末端執(zhí)行器左右?jiàn)A指的受力最大，其最大應(yīng)力為13.6 MPa，同時(shí)左右連桿和齒輪連桿的齒輪嚙合處所受應(yīng)力也比較大。這些部位在以后的實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該進(jìn)行加固處理，或者增強(qiáng)材料特性。通過(guò)圖5（b）可以分析出左右?jiàn)A指指端的應(yīng)變量最大，然后由指端向中間遞減，齒輪連桿的前端應(yīng)變量最小。其夾指指端的最大應(yīng)變量可以達(dá)到0.019 mm，這個(gè)應(yīng)變量的大小跟選用的材質(zhì)有很大關(guān)系，6061鋁合金具有韌性高的特點(diǎn)。由于夾持對(duì)象為水果的母枝，因此應(yīng)盡量選擇韌性高一點(diǎn)的材質(zhì)，在保持合理夾持力的同時(shí)也會(huì)減少對(duì)母枝的破壞，做到無(wú)損采摘。

通過(guò)對(duì)末端執(zhí)行器應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D的分析，可以為以后末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)提供一定的理論支持，尤其是在材質(zhì)選擇和夾指強(qiáng)度設(shè)計(jì)上。

3.2 末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3.2.1 建立虛擬樣機(jī)模型

借助Adams虛擬樣機(jī)可以分析末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的平順性和合理性，判定該結(jié)構(gòu)是否在采摘工作中存在干涉問(wèn)題[4]。將SolidWorks模型另存為parasolid（*.X_T）格式，導(dǎo)入Adams中進(jìn)行質(zhì)量屬性等的設(shè)置。由于模型導(dǎo)入后為了方便運(yùn)算，需要將部分零件進(jìn)行布爾加運(yùn)算。給末端執(zhí)行器關(guān)節(jié)部位添加旋轉(zhuǎn)副，非動(dòng)作部位添加固定副。確保各部分之間有著約束又不影響相對(duì)運(yùn)動(dòng)。添加完的約束模型如圖6所示。在虛擬樣機(jī)中對(duì)齒輪連桿添加正反2個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)設(shè)置時(shí)間（time）和步長(zhǎng)（step）實(shí)現(xiàn)夾指的夾持和松開(kāi)動(dòng)作。

3.2.2 仿真結(jié)果分析

在虛擬樣機(jī)模型中標(biāo)記夾指前端，并在后處理模塊導(dǎo)出該部位的速度、角速度以及位置曲線，如圖7（a）和圖7（b）所示。

通過(guò)圖7（a）速度、角速度時(shí)間曲線圖可以看出，末端執(zhí)行器在虛擬樣機(jī)中運(yùn)行比較平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng)。從圖7（b）位置時(shí)間曲線圖中的也可以看出，其基本與假定的夾指運(yùn)動(dòng)軌跡一樣，能夠平穩(wěn)完成母枝的夾持動(dòng)作。進(jìn)一步驗(yàn)證了末端執(zhí)行器運(yùn)用于水果采摘中的合理性與可行性。

4 結(jié)論

該文對(duì)夾持式末端執(zhí)行器應(yīng)用于水果采摘中的可行性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了一種夾持力的計(jì)算方法，借助有限元分析確定了該結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變最大的部位，為末端執(zhí)行器以后的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。最后通過(guò)Admas虛擬樣機(jī)驗(yàn)證了末端執(zhí)行器在完成夾持動(dòng)作時(shí)的連貫性和平順性。通過(guò)以上分析可以看出，該末端執(zhí)行器應(yīng)用于水果采摘中是切實(shí)可行的，具有一定的合理性和可行性。

參考文獻(xiàn)

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