采摘機器人切割式末端執(zhí)行器設計與分析

張希峰 鞏彬 梁剛 侯心愛 張義勝

(淄博市農(nóng)業(yè)機械研究所，山東淄博 255086)

采摘是蘋果種植過程中的核心環(huán)節(jié)，目前我國蘋果采摘機械化使用率很低，傳統(tǒng)的作業(yè)方式主要是手工采摘，高處蘋果利用梯子和爬到樹上采摘，采摘效率低、危險性大、易造成蘋果跌落、勞動強度大、成本高[1-3]。

蘋果采摘機器人是蘋果種植業(yè)智能化發(fā)展的重要組成部分，采摘機器人很好地解決了上述不足。采摘執(zhí)行器是機器人的關鍵組成機構(gòu)，尤其是蘋果采摘末端執(zhí)行器，要求不能損傷蘋果，它很大程度上影響著蘋果采摘的質(zhì)量和效率[1][4]。目前蘋果采摘執(zhí)行器主要是夾住或吸住蘋果，再切斷果柄或旋轉(zhuǎn)扭下蘋果。楊慶華、金寅德等研究了一種基于氣動柔性驅(qū)動的執(zhí)行器，利用氣壓驅(qū)動三指夾持機構(gòu)夾緊蘋果，切斷分離果柄[4-5]。楊文亮等人研究了一種雙弧面夾持機構(gòu)夾緊蘋果，氣動驅(qū)動切割刀片切斷果柄的執(zhí)行器[6]。以上兩種末端執(zhí)行器都能完成采摘，但結(jié)構(gòu)較復雜，夾持蘋果需要嚴格控制夾持力的大小，易損傷蘋果。鄧小雷等人仿照人手和章魚吸盤研究了一種仿生吸取式執(zhí)行器。用吸盤吸住蘋果，扭下蘋果[7]。但氣吸式夾持對環(huán)境要求較高，樹葉等雜物會堵住吸盤影響采摘。低損是蘋果采摘的重要要求，執(zhí)行器的設計要考慮擠壓、擰扭等造成的損傷。針對這些問題，利用理論設計和仿真分析的方法，從無損采摘和簡化結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用電機、齒輪傳動、刀片切割，設計無需夾持、結(jié)構(gòu)簡單的切割式末端執(zhí)行器。

1 總體方案設計

1.1 采摘機器人及工作流程

蘋果采摘機器人結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：行走底盤、機械手臂、末端執(zhí)行器、收集裝置、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等組成。

1-果樹；2-末端執(zhí)行器；3-視覺系統(tǒng)；4-機械手臂；5-行走底盤(含收集裝置、動力系統(tǒng)等)圖1 蘋果采摘機器人示意圖

蘋果采摘機器人工作流程：視覺系統(tǒng)接收到蘋果位置和姿態(tài)，機械手臂動作，使執(zhí)行器運動到指定位置達到合適姿態(tài)，執(zhí)行器完成采摘，蘋果通過收集管被收集起來[8]，然后重復前面動作進行下一次采摘。單次采摘流程如圖2所示。

圖2 采摘機器人工作流程圖

1.2 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

基于切割果柄的機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖3所示，由切割機構(gòu)、傳動機構(gòu)、與機械手臂連接的本體等組成。

末端執(zhí)行器僅需要機械手臂運動到位后，本體將蘋果包住，切割完成后蘋果直接進入收集通道，不需要夾緊蘋果，減少了損傷。為保護蘋果不被執(zhí)行器損傷，執(zhí)行器內(nèi)腔有軟的保護層，切割刀片下部有鋸齒狀保護裝置。

1-切割機構(gòu)；2-本體；3-機械臂腕關節(jié)；4-機械臂小臂；5-收集管；6-傳動機構(gòu)圖3 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

1)切割機構(gòu)由切割刀片、刀片連桿、連桿齒輪、扇形齒輪等組成。

兩切割刀片分別固定在兩組與連桿齒輪、扇形齒輪固定在一起的連桿上，扇形齒輪與連桿齒輪同心且旋轉(zhuǎn)軸固定在本體上。刀片連桿和齒輪等左右對稱各一組。

2)傳動機構(gòu)由傳動軸、傳動齒輪、電機齒輪、電機等組成，左右兩個傳動齒輪通過傳動軸連接在一起傳遞運動和力矩。

3)本體是容納蘋果、與機械手臂連接、固定傳動機構(gòu)和切割機構(gòu)的部件。

1.3 采摘執(zhí)行器原理

末端執(zhí)行器工作分切割和復位兩個過程。工作流程如圖4所示。

圖4 末端執(zhí)行器工作流程圖

切割動作：電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，電機齒輪通過傳動齒輪、扇形齒輪、連桿齒輪帶動連桿擺動，刀片切割果柄。

復位動作：傳感器接收到刀片到位置信號，電機反轉(zhuǎn)，切割刀片運動到指定位置時傳感器接收到信號，電機停轉(zhuǎn)刀片復位完成。

2 參數(shù)計算

2.1 傳動系統(tǒng)設計計算

蘋果物理特性是執(zhí)行器設計的根據(jù)和來源。根據(jù)文獻[9]，蘋果直徑一般為60～100 mm，所以設計采摘執(zhí)行器內(nèi)徑D=120 mm，左右連桿距離S=145 mm。切割刀片到連桿轉(zhuǎn)軸中心距L=70 mm。切割刀片寬15 mm，連桿寬8 mm。

刀片完成切割時連桿處于垂直狀態(tài)附近，同時為保證果柄完全切割，兩刀片要有2～3 mm交叉。此時兩連桿中心距約19～20 mm，因此連桿齒輪的分度圓直徑約為19～20 mm。又因齒輪的最小齒數(shù)Zmin≥17，初步選取連桿齒輪齒數(shù)Z1=20，中心距20 mm。計算得到齒輪模數(shù)m=1。

初步選擇直流電機的輸出功率為8 W，輸出轉(zhuǎn)速n0=52 r/min，最大扭矩5 400 N·mm。

末端執(zhí)行器的采摘速度決定著采摘機器人的工作效率。為提高采摘效率，要求末端執(zhí)行器一次完整切割的時間t≤1 s，設計的連桿擺動角度為θ=55°。

得到連桿齒輪轉(zhuǎn)速為

(1)

計算得到n1=18.3 r/min，電機到連桿齒輪(扇形齒輪)的傳動比為2.84。

為了分散和減小齒輪制造誤差對傳動的影響，取電機齒輪和傳動齒輪齒數(shù)相等。為使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳動齒輪中心位于本體邊緣外側(cè)，所以傳動齒輪與連桿齒輪中心距約為a1=57 mm=m·(Z3+Z2)/2，得到Z3=29.7，取整得到Z3=Z4=30，Z2=80，其中傳動齒輪齒數(shù)為Z3， 電機齒輪齒數(shù)為Z4。

2.2 扭矩計算

根據(jù)文獻[10]，果柄的切割力隨著蘋果直徑增大而增大，大多數(shù)蘋果直徑在75 mm左右，取蘋果直徑d=75 mm，果柄切割力F=30 N作為計算參數(shù)。

當蘋果在末端執(zhí)行器內(nèi)偏到一側(cè)壁時，離果柄近的一側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)矩大。此時果柄切割位置如圖5所示。

圖5 切割位置圖

蘋果偏到一側(cè)壁時，切割機構(gòu)受力分析如圖6所示。

圖6 切割機構(gòu)受力分析圖

根據(jù)設計的傳動系統(tǒng)計算各齒輪轉(zhuǎn)矩。

連桿齒輪轉(zhuǎn)矩:

(2)

傳動齒輪轉(zhuǎn)矩：

(3)

電機齒輪轉(zhuǎn)矩：

(4)

齒輪傳動的計算要考慮載荷系數(shù)K：

K=KAKvKαKβ,

(5)

式中：KA：使用系數(shù)取1.0，Kv：動載系數(shù)取1.05，Kα：齒間載荷分配系數(shù)取1，Kβ：齒向載荷分布系數(shù)取1.2。

根據(jù)上面的參數(shù)和公式，得到：K=1.26，取1.3。連桿齒輪轉(zhuǎn)矩M1=1 788.6 N·mm，離果柄近一側(cè)傳動齒輪轉(zhuǎn)矩M2=1 341.4 N·mm，電機齒輪轉(zhuǎn)矩M3=2 047.5 N·mm。選取的電機扭矩滿足切割力的需要。

3 運動仿真

用Solidworks建立末端執(zhí)行器傳動機構(gòu)和切割機構(gòu)的實體模型，將模型導入到ADMAS中仿真分析，模擬剪切動作的運動狀態(tài)，驗證設計的合理性[11-12]。

3.1 添加約束和載荷

在ADAMS中將各零件添加相應材料，切割刀片、傳動軸、連桿等設置為鋼，齒輪設置為尼龍。然后將相互固定的零件添加固定約束，旋轉(zhuǎn)的齒輪添加轉(zhuǎn)動副。分別給相互配合的齒輪添加接觸力。給電機齒輪添加轉(zhuǎn)速為52 r/min的驅(qū)動。傳動軸在傳遞力和運動時會有變形，將其轉(zhuǎn)化為柔性體零件，仿真結(jié)果將更加準確。仿真模型如圖7所示。

圖7 仿真模型圖

3.2 仿真分析

在兩切割刀片刀刃處分別添加點Marker102和Marker104。設置仿真時間5.2 s，仿真步數(shù)1 000步。仿真結(jié)束后，查看兩個Marker點位移變化和角速度。

Marker點的Y向位移結(jié)果如圖8所示。

由上面分析結(jié)果得到，兩刀片刀刃在0.46 s時相對位移為零，刀片相交實現(xiàn)對果柄的切割，與設計和要求相符。

Marker點104的角速度結(jié)果如圖9所示。

由角速度仿真結(jié)果得到，刀片的轉(zhuǎn)動速度在117 d/s上下波動，與設計相吻合。角速度在平均速度附近周期性小幅波動，是由齒輪嚙合時嚙入和嚙出時會發(fā)生沖擊產(chǎn)生的。

圖8 Marker點Y向位移圖

圖9 Marker 104角速度圖

4 結(jié)語

1)根據(jù)蘋果的外徑和果柄的剪切力，設計了一種結(jié)構(gòu)簡單、無需夾持蘋果的切割式末端執(zhí)行器，包括連接機械手臂和容納蘋果的本體、切割機構(gòu)、傳動機構(gòu)等。齒輪和連桿將力傳遞到切割刀片，切斷果柄，完成蘋果的快速采摘。

2)進行參數(shù)計算，設計、計算出各齒輪參數(shù)，并計算得到各齒輪轉(zhuǎn)矩，得到電機需要提供至少2 047.5 N·mm扭矩和48.9 r/min的轉(zhuǎn)速。選擇電機的扭矩和轉(zhuǎn)速符合設計要求。

3)Adams仿真結(jié)果得到，兩刀片可以實現(xiàn)對果柄的切割，刀片轉(zhuǎn)動角速度與電機轉(zhuǎn)速與設計相吻合，證明設計合理可行，能夠達到要求。

4)采摘機器人末端執(zhí)行器的設計對蘋果和其他水果采摘器的研究、制作提供了參考和依據(jù)。