臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

徐麗明，劉旭東，張凱良，邢潔潔，袁全春，陳俊威，段壯壯，馬 帥，于暢暢

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

臍橙營養(yǎng)豐富，具有很高的食用、藥用價(jià)值，廣受大家的喜愛。根據(jù)贛州市果業(yè)局統(tǒng)計(jì)，截止到2016年底贛南市臍橙種植面積33.33萬hm2，總產(chǎn)量300萬t，是全世界種植面積最大，全國第一的臍橙產(chǎn)區(qū)[1]。隨著臍橙種植面積和產(chǎn)量的增加，贛南臍橙已經(jīng)發(fā)展成為集種植生產(chǎn)、倉儲(chǔ)物流、精深加工于一體的產(chǎn)業(yè)集群，臍橙無損采摘向機(jī)械化、智能化發(fā)展是必然趨勢。而末端執(zhí)行器作為采摘機(jī)器人的重要裝置之一，其工作效率直接影響到采摘作業(yè)的成功率、速度和損傷率[2]。

國外對于果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行的研究起步較早，研究領(lǐng)域較廣[3-6]。其中，Bac等[7]設(shè)計(jì)了一種甜椒采摘末端執(zhí)行器，采用真空吸盤吸附與氣動(dòng)唇形切刀切割果梗相結(jié)合的采摘方式；Silwal等[8]設(shè)計(jì)了一種蘋果采摘末端執(zhí)行器，采用繩驅(qū)動(dòng)3指包絡(luò)夾持果實(shí)的采摘方式；而國內(nèi)對于果蔬采摘末端執(zhí)行器的研究相對較晚[9]，近年來發(fā)展較快，在黃瓜、草莓以及番茄等[10-14]領(lǐng)域都取得一定的進(jìn)展，傅隆生等[15]設(shè)計(jì)了一種獼猴桃采摘末端執(zhí)行器，采用3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（吸附、夾持、旋轉(zhuǎn)分離）的采摘方式，單果采摘時(shí)間為22 s，采摘速度較低；葉敏等[16]設(shè)計(jì)了一種荔枝采摘末端執(zhí)行器，采用擬人指夾持果梗并結(jié)合旋轉(zhuǎn)切刀切割果梗的方式，不適合類球簇生型果蔬的采摘；張水波[17]設(shè)計(jì)了一種柑橘采摘末端執(zhí)行器，采用氣動(dòng)柔性三指抓握與氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)割刀切割果梗的采摘方式，結(jié)構(gòu)尺寸較大。國內(nèi)學(xué)者設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)普遍是基于單片機(jī)獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)，與機(jī)械臂的集成度較低。

由于臍橙的生長特性和生物特性與其他果蔬具有一定的差異性，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案無法直接運(yùn)用。因此，本文在臍橙生物力學(xué)特性與靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，利用氣動(dòng)機(jī)構(gòu)速度快、電動(dòng)機(jī)構(gòu)精度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種采摘速度高、控制難度低、與機(jī)械臂集成度高的臍橙采摘末端執(zhí)行器。研制試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行臍橙采摘試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理性，以期為后期臍橙采摘機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 末端執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)組成與工作原理

所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器主要由機(jī)械部分、控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)組成，本文主要進(jìn)行機(jī)械部分和控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，視覺系統(tǒng)采用現(xiàn)有的研究技術(shù)。

1.1 末端執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)組成

如圖1所示，末端執(zhí)行器主要包括：與自主設(shè)計(jì)的機(jī)械臂相連接的連接架、吸附機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、旋切機(jī)構(gòu)等，以及搭載的視覺系統(tǒng)（不涉及其研究開發(fā)），其中夾持機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。

吸附機(jī)構(gòu)主要由下氣缸（型號(hào)XC10×60）、真空吸盤(型號(hào)ZP25DS)、吸盤支座等部分組成。旋切機(jī)構(gòu)主要由上氣缸(型號(hào)TD10×40)、鋸齒圓盤切刀、切刀護(hù)罩、切刀連接架、強(qiáng)磁高速直流電機(jī)（型號(hào)RS550，24 V）等部分組成。由于末端執(zhí)行器手指的自由度越多，抓取動(dòng)作越為靈活，抓取效果也越好，但其系統(tǒng)的復(fù)雜程度、成本和控制難度也都會(huì)因此而增加[18]。因此，本文基于欠驅(qū)動(dòng)原理，采用兩指式夾持機(jī)構(gòu)，以一個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力輸出即可，此機(jī)構(gòu)由V型手指、緩沖材料（硅膠）、電阻式薄膜壓力傳感器（型號(hào)FSR402，量程10 kg，精度±5%～±25%）、提供動(dòng)力的步進(jìn)電機(jī)（型號(hào)42HS4817A4，靜力矩0.52 N?M，步距角1.8°）、連接電機(jī)軸和滾珠絲杠的梅花聯(lián)軸器（BF系列）、將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為推力的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)（型號(hào)SFU1204-3）、安裝于絲杠螺母上的螺母座、連接手指底座和螺母座的連桿、導(dǎo)向軸等部分組成。

圖1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of end-effector

1.2 工作原理

臍橙采摘流程如圖2所示，視覺系統(tǒng)不斷獲取目標(biāo)果實(shí)和果梗的位姿，機(jī)械臂進(jìn)行位姿調(diào)整，定位完成后末端執(zhí)行器開始工作。為了避免果簇中其它果實(shí)對采摘作業(yè)的干擾以及末端執(zhí)行器對果簇的損傷，除了需要機(jī)械臂的避障和軌跡規(guī)劃之外，還需要末端執(zhí)行器進(jìn)一步將臍橙單果從果簇中分離。本文利用下氣缸推動(dòng)真空吸盤作為吸附機(jī)構(gòu)接近并吸附果實(shí)，下氣缸推桿復(fù)位后，果實(shí)可被吸盤拉拽遠(yuǎn)離果簇且果梗位于2個(gè)V型手指所在的中心平面。之后，夾持機(jī)構(gòu)開始工作，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)螺母座（滑塊）向前移動(dòng)，從而推動(dòng)連桿拉動(dòng)安裝于手指底座（曲柄）上的2個(gè)V型手指對果實(shí)進(jìn)行包絡(luò)夾持，當(dāng)手指表面的電阻式薄膜壓力傳感器所受正壓力達(dá)到設(shè)定的安全閾值之后，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)吸盤關(guān)閉。然后，旋切機(jī)構(gòu)開始工作，上氣缸推桿推動(dòng)由強(qiáng)磁高速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)的切刀實(shí)現(xiàn)對果梗的旋切，果實(shí)與果梗的分離后，上氣缸推桿復(fù)位同時(shí)強(qiáng)磁高速直流電機(jī)停止工作。最后，末端執(zhí)行器夾持臍橙跟隨機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到果實(shí)收集區(qū)，夾持機(jī)構(gòu)復(fù)位卸果從而完成單果采摘作業(yè)。

圖2 臍橙采摘流程圖Fig.2 Flow diagram of navel orange picking

2 臍橙受力分析與夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 臍橙數(shù)學(xué)模型與采摘手指工作空間

贛南臍橙標(biāo)準(zhǔn)[19]中，三級(jí)果到特級(jí)果的橫徑范圍為60～95 mm。而實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，果實(shí)最大外形尺寸（r×c）為109.38 mm×102.45 mm，最小外形尺寸（r×c）為51.36 mm×51 mm，有部分果實(shí)橫徑不滿足級(jí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，故本文將橫徑超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍的果實(shí)定義為畸形果。由于畸形果數(shù)量較少，本文只考慮采摘橫徑范圍為50～100 mm的臍橙，其他特例不在本文考慮范圍中。

選取紐荷爾臍橙為研究對象，選取30個(gè)成熟果實(shí)對其形狀尺寸進(jìn)行測量計(jì)算，得到臍橙果形指數(shù)（果實(shí)縱徑與橫徑的比值）為1～1.1。由此定義臍橙模型為標(biāo)準(zhǔn)長橢球體，果實(shí)表面任意一點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y，z）滿足方程（1）。

式中r為臍橙橫徑，mm；c為臍橙縱徑，mm。

以臍橙橫徑范圍為指標(biāo)，以臍橙赤道面為基準(zhǔn)進(jìn)行夾持機(jī)構(gòu)建模（圖3）。為保證手指指節(jié)內(nèi)表面與可采橫徑范圍的任意臍橙在夾持時(shí)都有4個(gè)相切點(diǎn)，以保證4個(gè)傳感器都能實(shí)時(shí)反饋壓力值，本文利用CAD對手指相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，最終得到理想?yún)?shù)：遠(yuǎn)指指節(jié)長度l1為35 mm，近指指節(jié)長度l2為35 mm，兩者夾角θ為140°，手指底座長度l4為31 mm、連桿長度l5為60 mm。為防止手指指根與吸盤外徑干涉，取手指指根長度l3為38 mm。當(dāng)手指底座（曲柄）處于水平極限位置時(shí)夾持范圍最小，此時(shí)夾持直徑Dmin為50 mm，當(dāng)手指底座（曲柄）相對支點(diǎn)O的轉(zhuǎn)角δ為20°時(shí)，手指有效夾持范圍達(dá)到最大，此時(shí)夾持直徑Dmax為100 mm。為保證機(jī)構(gòu)不存在死點(diǎn)同時(shí)減小機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，本文采用對心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[19]，在轉(zhuǎn)動(dòng)角0°≤δ<20°的范圍，若正壓力設(shè)計(jì)合理，可實(shí)現(xiàn)兩V型手指對臍橙的穩(wěn)定包絡(luò)夾持。

圖3 手指關(guān)節(jié)尺寸及工作空間Fig.3 Size of finger joints and work space

2.2 臍橙受力分析

由于2個(gè)V型手指與臍橙赤道面共有4個(gè)接觸點(diǎn)，第i個(gè)接觸點(diǎn)的受力主要為正壓力Ni、豎直方向摩擦力fi、水平方向摩擦力fi'。另外，臍橙還受吸盤吸附時(shí)的支持力Nq，其主要受力分析如圖4所示。

圖4 臍橙數(shù)學(xué)模型與受力分析Fig.4 Mathematical model and stress analysis of navel orange

臍橙與手指的接觸類型為有摩擦的點(diǎn)接觸，當(dāng)吸盤停止工作后吸附力消失，此時(shí)臍橙能被穩(wěn)定夾持而不滑落的臨界條件為果實(shí)重力等于果實(shí)與手指之間的最大靜摩擦力[20]，見式（2）。設(shè)最小正壓力為Nmin，其值應(yīng)滿足式（3）。由于兩手指對臍橙的作用點(diǎn)和作用力是關(guān)于Z軸對稱，每個(gè)接觸點(diǎn)所受的正壓力Ni大小相等。在此條件下，要達(dá)到穩(wěn)定夾持質(zhì)量最大的果實(shí)，最小正壓力Nmin應(yīng)滿足條件式（4）。

式中mmax為臍橙果實(shí)最大質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；μ為臍橙果皮與緩沖材料的摩擦系數(shù)。

在V型手指上壓力傳感器表面粘貼一定的緩沖材料[9]可以增大摩擦系數(shù)，提高手指表面柔順度，進(jìn)而可以減小所需輸出的正壓力，同時(shí)可以減小夾持過程中可能會(huì)產(chǎn)生的機(jī)械損傷，有利于實(shí)現(xiàn)柔順抓取。不同緩沖材料與臍橙果皮的摩擦系數(shù)不同，常見的緩沖材料有3種：橡膠、硅膠和珍珠棉，為確定其中最佳的緩沖材料。利用MXD-02摩擦系數(shù)儀對臍橙果皮與不同緩沖材料進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)速度為100 mm/min，每種摩擦材料分別在200和500 g的不同加載質(zhì)量下進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，然后對摩擦系數(shù)取平均值，得到平均摩擦系數(shù)表（表1）。由表可知：3種試驗(yàn)材料中，硅膠與臍橙表皮的摩擦系數(shù)最大，故選硅膠作為緩沖材料，取μ為1.275。

表1 不同材料與臍橙表皮的平均靜摩擦系數(shù)Table 1 Average static friction coefficient of different materials and navel orange skin

為確定最小正壓力Nmin，需根據(jù)式（4）對不同橫徑果實(shí)測量質(zhì)量，經(jīng)測得，果實(shí)最大質(zhì)量約為360 g?？紤]到臍橙的變異性，取果實(shí)質(zhì)量400 g，即增大11.11%的裕量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到最小正壓力Nmin為0.77 N。另外，若正壓力過大會(huì)對臍橙造成生物組織破壞，因此需對臍橙進(jìn)行壓縮試驗(yàn)[21-28]以確定臍橙無損采摘的最大正壓力Nmax。本文取不同果形的臍橙10個(gè)，均分2組（每組5個(gè)），采用平板壓頭（45 mm×70 mm），分別以 100和200 mm/min的加載速度進(jìn)行加載，得到載荷位移曲線如圖5所示。

由圖5可知，無論是相同加載速度還是不同加載速度，臍橙的生物屈服點(diǎn)都位于位移量為10～20 mm之間，且破裂點(diǎn)位于生物屈服點(diǎn)之后約10 mm處。在位移量小于5 mm時(shí)，其載荷/位移曲線成同一線性關(guān)系。因此，位移量5 mm處可視為彈性變形極限點(diǎn)，為了有效防止位移量過大出現(xiàn)生物組織損傷，同時(shí)減小輸出動(dòng)力以降低能耗，本研究取最大位移量Dmax為5 mm，此時(shí)無損傷最大正壓力Nmax約為25.57 N。由以上分析可確立正壓力的范圍為0.77～25.57 N。

圖5 不同加載速度載荷位移曲線Fig.5 Displacement curves for different loading speed loads

在吸附機(jī)構(gòu)與夾持機(jī)構(gòu)同時(shí)作用于臍橙時(shí)，在赤道平面內(nèi)對臍橙進(jìn)行水平方向受力分析，如圖6所示，臍橙受到的外力有：第i個(gè)接觸點(diǎn)所受的正壓力Ni、相對于手指向外側(cè)移動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力fi'和吸盤對其產(chǎn)生的支撐力Nq。根據(jù)力平衡原理、工作空間中設(shè)計(jì)的指節(jié)夾角θ（140°）、摩擦系數(shù)μ（1.275），并聯(lián)立式（6）～式（12），可得吸盤支撐力的Nq的計(jì)算方程式（13）。在此方程中Nq與N成正比例關(guān)系，因此，應(yīng)取Nmax進(jìn)行設(shè)計(jì)。

式中N為正壓力，N。Nyi為第i個(gè)接觸點(diǎn)所受的正壓力在y方向的分力，N；fyi'為第i個(gè)接觸點(diǎn)所受的靜摩擦力在y方向的分力，N；i=1，2，3，4。

圖6 臍橙水平方向受力分析Fig.6 Horizontal force analysis of navel orange

在x方向的平衡力系為式（14），由于結(jié)構(gòu)的對稱性，兩側(cè)手指的受力在水平方向x的分力始終對稱，即大小相等，方向相反。所以水平方向x上，合力Fx始終為0。

式中Nxi為第i個(gè)接觸點(diǎn)所受的正壓力在x方向的分力，N；fxi為第i個(gè)接觸點(diǎn)所受的摩擦力在x方向的分力，N；i=1，2，3，4。

2.3 夾持機(jī)構(gòu)受力分析與關(guān)鍵部件選型

由于手指工作時(shí)速度較低，因此靜力學(xué)分析可具有代表性[29-33]。并且由于V型手指和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是沿滾珠絲杠對稱布置，故取一側(cè)進(jìn)行分析，如圖7所示，步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩通過滾珠絲杠轉(zhuǎn)化滑塊推力F，2個(gè)正壓力N3，N4的合力為Na，其作用線通過a點(diǎn)，由于N3，N4大小相等且關(guān)于a點(diǎn)對稱，合力矩Ma為0，則點(diǎn)a只受合力Na。假設(shè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為理想機(jī)構(gòu)（即不考慮摩擦、慣性力、配合間隙和彈性變形）將手指機(jī)構(gòu)所受力向O點(diǎn)簡化，根據(jù)合力矩平衡，見式（17），來推導(dǎo)所需推動(dòng)力F的方程，見式（27）。

式中Mq為合力Na對O點(diǎn)的合力矩，N·m；Mp為推動(dòng)力F對O點(diǎn)的合力矩，N·m。

其中，

圖7 手指受力分析Fig.7 Force analysis of finger

式中R為點(diǎn)b到點(diǎn)O距離，mm；F為推動(dòng)力，N；λ為連桿比；L為連桿長度，mm；α為機(jī)械手指底座（曲柄）與豎直方向的夾角，（°）；β為連桿與豎直方向的夾角，（°）；ld′為手指近指節(jié)長度l2在力臂方向的投影，mm；S為螺母座（滑塊）行程，mm。

其中l(wèi)2、l3，θ，λ為已知設(shè)計(jì)參數(shù)，因此滑塊的推力F主要由角度參數(shù)α和正壓力N決定，其中，正壓力N依據(jù)最大正壓力Nmax設(shè)計(jì)。根據(jù)工作空間中運(yùn)動(dòng)角度參數(shù)70°≤α<90°，可計(jì)算出 222.15 N≤F≤227.97 N。根據(jù)式（28）推導(dǎo)計(jì)算滑塊行程S為5.38 mm，根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系可計(jì)算絲杠長度應(yīng)大于63.47 mm，本研究對絲杠長度圓整取值為70 mm.

滾珠絲杠機(jī)構(gòu)選用標(biāo)準(zhǔn)件SFU1204，絲杠的垂直方向無負(fù)載，根據(jù)式（29）進(jìn)行設(shè)計(jì)選型（理想安裝，不考慮沖擊、震動(dòng)以及其他非常因素影響），取傳動(dòng)正效率為0.94，計(jì)算電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩0.31 N?m。選用SUMTOR步進(jìn)電機(jī)（型號(hào)42HS4817A4），額定轉(zhuǎn)矩為0.52 N?m，是計(jì)算轉(zhuǎn)矩的1.7倍，滿足要求。

式中T為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N?m；Fa為軸向載荷，大小為2F，N；I為絲杠導(dǎo)程，mm；n為進(jìn)給絲杠的正效率。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)組成

本文控制系統(tǒng)的硬件[34-36]主要包括：嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器（品牌為固高，型號(hào) GUC-400-TPV-M23-L2-F4G）、I/O端子板（品牌為固高，型號(hào)GT-400-ACC2）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（品牌為SUMTOR，型號(hào)M415B）、模擬量轉(zhuǎn)換模塊（品牌為威科，型號(hào)FSR400系列）、脈沖發(fā)生器（品牌Makerbase，型號(hào)OSC）、24V電磁繼電器（品牌為Risym，型號(hào)SRD-24VDC-SL-C）、5V電磁繼電器（品牌為Risym，型號(hào)SRD-05VDC-SL-C）、電磁閥（品牌為KMTC，型號(hào)4V110-06，DC24V）、真空器（品牌為Convum，型號(hào)CV-10）、光電傳感器（品牌為Risym，型號(hào)FC-03）等組成，系統(tǒng)原理圖如圖8所示。上位機(jī)軟件采用VC++6.0中的MFC開發(fā)，下位機(jī)控制程序采用C語言開發(fā)。

圖8 臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)硬件原理圖Fig.8 Hardware structure of control system for end-effector of navel orange robotics picking

以嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器作為主控制器，不僅可以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的實(shí)時(shí)控制運(yùn)算，而且有效地實(shí)現(xiàn)了與機(jī)械臂控制系統(tǒng)的集成，利于之后機(jī)器人整體的開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)的工作原理如下：首先，主控制器通過I/O輸出低電平控制常開24 V電磁繼電器3吸合，電磁閥3通電工作，使得下氣缸推桿推出；之后，常開24 V電磁繼電器1通電吸合，電磁閥1通電工作使得真空器產(chǎn)生負(fù)壓，此時(shí)，系統(tǒng)延時(shí)以保證穩(wěn)定吸附果實(shí)；之后，常開24 V電磁繼電器3斷電，下氣缸推桿復(fù)位，吸附動(dòng)作完成。吸附動(dòng)作完成之后，夾持動(dòng)作開始，I/O端口控制脈沖發(fā)生器給驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，夾持過程中V型手指的壓力傳感器反饋的電壓不斷升高，其值通過模擬量輸入端口反饋到主控制器，與設(shè)定的安全閾值不斷進(jìn)行比較，當(dāng)超過安全閾值后，脈沖發(fā)生器停止輸出脈沖信號(hào)，且常開24 V電磁繼電器1斷電，真空器關(guān)閉。最后，旋切動(dòng)作開始，常開24 V電磁繼電器4吸合，強(qiáng)磁高速直流電機(jī)以10 000 r/min的轉(zhuǎn)速對果梗進(jìn)行高速旋切，在旋切過程中，系統(tǒng)延時(shí)以保證果梗順利剪切，延時(shí)完成之后，常開24 V電磁繼電器4斷電，電機(jī)停止工作；之后，常開24 V電磁繼電器2斷電，實(shí)現(xiàn)上氣缸復(fù)位。最后，機(jī)械臂到達(dá)卸果區(qū)，控制器控制末端執(zhí)行器開始卸果動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)器方向信號(hào)變化，電機(jī)反轉(zhuǎn)，光電傳感器檢測到信號(hào)之后，電機(jī)停止反轉(zhuǎn)，完成復(fù)位的同時(shí)實(shí)現(xiàn)卸果動(dòng)作。

3.2 正壓力閾值與氣缸速度確定

本文采用的電阻式薄膜壓力傳感器，通過壓力的變化控制阻值變化從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的的變化，推導(dǎo)壓力與電壓之間的函數(shù)關(guān)系式為式（30），電源供電電壓Vcc設(shè)定為5 V，壓力依據(jù)最大的接觸力為25.57 N，輸出電壓最大應(yīng)小于4.45 V。因此嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的模擬電壓輸入的采樣反饋電壓最大為4.45 V。

式中V0為輸出電壓，V；Vcc為電源電壓，V。

理論上，提高氣缸推桿速度可以減小吸附和旋切2個(gè)動(dòng)作的耗時(shí)，因此氣缸推桿速度越快越好。但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，下氣缸推桿速度過快時(shí)，吸盤會(huì)撞走果實(shí)而未與果實(shí)充分接觸，且復(fù)位速度過快會(huì)造成果實(shí)與吸盤脫落，吸附失敗。上氣缸推桿推出速度過快時(shí)，果梗會(huì)被刀片嚴(yán)重頂斜。為了在提高機(jī)構(gòu)的采摘速度的同時(shí)避免上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，本文通過調(diào)節(jié)氣缸閥門控制下氣缸推桿的速度為240 mm/s時(shí)（伸出速度和復(fù)位速度相同），吸附效果最優(yōu)。上氣缸推桿推出速度為80 mm/s，而復(fù)位速度400 mm/s，效果最優(yōu)。

4 采摘試驗(yàn)

本試驗(yàn)于2017年10月于江西省吉安市井岡山農(nóng)業(yè)科技園進(jìn)行，搭建末端執(zhí)行器實(shí)體樣機(jī)安裝于自主設(shè)計(jì)的機(jī)械臂上，采摘試驗(yàn)如圖9所示。由于本文不涉及視覺系統(tǒng)的研究，假設(shè)果實(shí)的位姿信息已知：將果實(shí)的中心點(diǎn)和果梗與手抓中心面（2個(gè)V型手指的中心對稱面）布置在同一平面內(nèi)，果梗距離吸盤55 mm。然后通過上位機(jī)軟件控制末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘試驗(yàn)。

夾持機(jī)構(gòu)是末端執(zhí)行器的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速對夾持機(jī)構(gòu)的工作效果影響很大，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過300 r/min時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)對果實(shí)的慣性沖擊較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，容易造成采摘失敗，且會(huì)損傷果實(shí)；在50～300 r/min時(shí)系統(tǒng)都具有較好的穩(wěn)定性，且可以實(shí)現(xiàn)無損采摘，其中無損采摘的定義為：在末端執(zhí)行器的吸附果實(shí)、穩(wěn)定夾持、果梗剪切、卸果復(fù)位的整個(gè)過程中果實(shí)表面未與除硅膠之外的末端執(zhí)行器的任何部位發(fā)生接觸。

本文以步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為因素，以單果采摘時(shí)間、采摘成功率和損傷率為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。選步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)范圍為200～300 r/min，以橫徑范圍為60～95 mm的成熟臍橙作為試驗(yàn)樣本，橫徑梯度5 mm，每個(gè)梯度5個(gè)樣本，共計(jì)105個(gè)。統(tǒng)計(jì)其單果采摘時(shí)間、采摘成功率和損傷率，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速下各項(xiàng)采摘指標(biāo)Table 2 Various indexes of navel orange picking at different speed of stepper motor

由表2可知，單果采摘時(shí)間隨著步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而減小，在轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)單果采摘時(shí)間最低，可達(dá)1.64 s。而在轉(zhuǎn)速250 r/min時(shí)采摘成功率最高，可達(dá)94.28%。損傷率不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，始終為0。在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為250、300 r/min時(shí)，采摘成功率相差2.86%，而單果采摘時(shí)間僅相差0.12 s，此差值對末端執(zhí)行器整體的采摘速度的提高影響較小，為了保證較高的采摘成功率，可將250 r/min作為最佳步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)，單果采摘時(shí)間為1.76 s，采摘成功率為94.28%。通過對試驗(yàn)中沒有成功采摘的臍橙進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)造成采摘失敗的主要原因?yàn)椋簜€(gè)別臍橙的果梗長度過短，果實(shí)被吸附后果梗與切刀的角度過小，導(dǎo)致切刀無法完全切斷果梗。

5 結(jié)論

1）基于臍橙的生物特性與欠驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一種臍橙采摘末端執(zhí)行器，可以實(shí)現(xiàn)對臍橙的無損采摘，該執(zhí)行器包括吸附機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)和旋切機(jī)構(gòu)3部分，其中吸附機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果簇快速分離，夾持機(jī)構(gòu)用于對果實(shí)進(jìn)行無損穩(wěn)定夾持，旋切機(jī)構(gòu)用于將果實(shí)與果梗快速分離。

2）搭建末端執(zhí)行器實(shí)體樣機(jī)，以步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為因素，以單果采摘時(shí)間、采摘成功率和損傷率為指標(biāo)，進(jìn)行了105次采摘試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選取250 r/min作為最佳步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)單果采摘時(shí)間為1.76 s，采摘成功率為94.28%，損傷率為0。

3）本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)簡易輕巧，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡單可靠，選用了嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器作為主控制器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂控制系統(tǒng)與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)的集成，可為后續(xù)臍橙采摘機(jī)器人的整體研發(fā)提供技術(shù)支持。

[1]彭婷，黃鶴.贛南臍橙供應(yīng)鏈管理研究[J].合作經(jīng)濟(jì)與科技，2017(17):118－120.

[2]李秦川，胡挺，武傳宇，等.果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究綜述[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(3):175－179.Li Qinchuan,Hu Ting,Wu Chuanyu,et al.Review of end-effectors in fruit and vegetable harvesting robot[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39(3):175－179.(in Chinese with English abstract)

[3]李國利，姬長英，翟力欣.果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究進(jìn)展與分析[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35(5):231－236.Li Guoli,Ji Changying,Zhai Lixin.Research progress and analysis of end-effector for fruits and vegetables picking robot[J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization,2014,35(5):231－236.(in Chinese with English abstract)

[4]Muscato G,Prestifilippo M,Abbate N,et al.A prototype of an orange picking robot:Past history,the new robot and experimental results[J].Industrial Robot:An International Journal,2005,32(2):128－138.

[5]Ceres R,Pons J L,Jiménez A R,et al.Design and implementation of an aided fruit-harvesting robot[J].Industrial Robot:An International Journal,1998,25(5):337－346.

[6]Monta M,Kondo N,Ting K C.End-effectors for tomato harvesting robot[J].Artificial Intelligence Review,1998,12(1):11－25.

[7]Bac C W,Hemming J,van Tuijl B A J,et al.Performance evaluation of a harvesting robot for sweet pepper[J].Journal of Field Robotics,2017,34(6):1123－1139.

[8]Silwal A,Davidson J R,Karkee M,et al.Design,integration,and field evaluation of a robotic apple harvester[J].Journal of Field Robotics,2017,34(6):1140－1159.

[9]宋健，張鐵中，徐麗明，等.果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(5):158－162.Song Jian,Zhang Tiezhong,Xu Liming,et al.Research actuality and prospect of picking robot for fruits and vegetables[J].Transactions ofthe Chinese Society of Agricultural Machinery,2006,37(5):158－162.(in Chinese with English abstract)

[10]Zhao Yuanshen,Gong Liang,Liu Chengliang,etal.Dual-arm robot design and testing for harvesting tomato in greenhouse[J].IFAC-Papers Online,2016,49(16):161－165.

[11]WangGuohua,YuYabo,FengQingchun.Designof end-effector for tomato robotic harvesting[J].IFAC-Papers Online,2016,49(16):190－193.

[12]劉繼展，李萍萍，李智國.番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(3):109－112.Liu Jizhan,Li Pingping,Li Zhiguo.Hardware design of the end-effector for tomato-harvesting robot[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39(3):109－112.(in Chinese with English abstract)

[13]錢少明，楊慶華，王志恒，等.黃瓜抓持特性與末端采摘執(zhí)行器研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(7):107－112.Qian Shaoming,Yang Qinghua,Wang Zhiheng,et al.Research on holding characteristics of cucumber and end-effector of cucumber-picking[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2010,26(7):107－112.(in Chinese with English abstract)

[14]張凱良，楊麗，張鐵中.草莓收獲機(jī)器人采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(9):155－161.Zhang Kailiang,Yang Li,Zhang Teizhong.Design and experiment of picking mechanism for strawberry harvesting robot[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(9):155－161.(in Chinese with English abstract)

[15]傅隆生，張發(fā)年，槐島芳德，等.獼猴桃采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(3):1－8.Fu Longsheng,Zhang Fanian,Gejima Yoshinori,et al.Development and experiment of end-effector for kiwifruit harvesting robot[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2015,46(3):1－8.(in Chinese with English abstract)

[16]葉敏，鄒湘軍，楊洲，等.荔枝采摘機(jī)器人擬人指受力分析與夾持試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(9):1－8.Ye Min,Zou Xiangjun,Yang Zhou,et al.Clamping experiment on humanoid fingers of litchi harvesting robot[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2015,46(9):1－8.(in Chinese with English abstract)

[17]張水波.柑橘采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2011.Zhang Shuibo.Research on End-effector of Cirtrus Harvesting Robot[D].Hangzhou:Zhejiang University of Technology,2011.(in Chinese with English abstract)

[18]黃浩乾.采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其控制研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.HuangHaoqian.Research on Design and Controlof Harvesting Manipulator[D].Nanjing:Nanjing Agriculture University,2010.(in Chinese with English abstract)

[19]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).地理標(biāo)志產(chǎn)品贛南臍橙： GB/T 20355-2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006:5.

[20]陳勝軍，賈方，韓偉.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)誤差分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015(3):73－75.Chen Shengjun,Jia Fang,Han Wei.Analysis on motion error of slider-crank mechanism[J]. Machinery Design &Manufacture,2015(3):73－75.(in Chinese with English abstract)

[21]姬偉，羅大偉，李俊樂，等.果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的柔順抓取力控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(9):19－26.Ji Wei,Luo Dawei,Li Junle,et al.Compliance grasp force control for end-effector of fruit-vegetable picking robot[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(9):19－26.(in Chinese with English abstract)

[22]姬偉，李俊樂，楊俊，等.機(jī)器手采摘蘋果抓取損傷機(jī)理有限元分析及驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(5):17－22.Ji Wei,Li Junle,Yang Jun,et al.Analysis and validation for mechanical damage of apple by gripper in harvesting robot based on finite element method[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31(5):17－22.(in Chinese with English abstract)

[23]陳燕，談建豪，蔣志林，等.柑橘機(jī)器人夾持損傷有限元預(yù)測及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37(5):98－102.Chen Yan,Tan Jianhao,Jiang Zhilin,et al.Finite element prediction and experimental verification for damage on citrus fruitfrom robotclamping[J].JournalofSouth China Agricultural University,2016,37(5):98－102.(in Chinese with English abstract)

[24]周俊，張娜，孟一猛，等.番茄粘彈性參數(shù)機(jī)器人抓取在線估計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(8):26－32.Zhou Jun,Zhang Na,Meng Yimeng,et al.Online estimation of tomato viscoelastic parameters during robot grasping[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2017,48(8):26－32.(in Chinese with English abstract)

[25]張水波，鮑官軍，楊慶華，等.基于機(jī)器人采摘的柑橘機(jī)械特性研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40(3):340－344.Zhang Shuibo,Bao Guanjun,Yang Qinghua,et al.Study on mechanical properties of citrus bases on robotic harvesting[J].Journal of Zhejiang University of technology,2012,40(3):340－344.(in Chinese with English abstract)

[26]李智國，劉繼展，李萍萍.機(jī)器人采摘中番茄力學(xué)特性與機(jī)械損傷的關(guān)系[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(5):112－116.Li Zhiguo,Liu Jizhan,Li Pingping.Relationship between mechanical property and damage of tomato during robot harvesting[J].Transactions ofthe Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2010,26(5):112－116.(in Chinese with English abstract)

[27]孟煒，丁羽，劉媛媛，等.新疆無核白葡萄力學(xué)特性研究[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2016(1):10－12.Meng Wei,Ding Yu,Liu Yuanyuan,et al.Study on the mechanical properties of Xinjiang seedless grape[J].Agricultural Mechanization in Xinjiang,2016(1):10－12.(in Chinese with English abstract)

[28]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)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2017，48(11):1－11.Yin Jianjun,Chen Yonghe,He Kun,et al.Design and experiment of grape-picking device with a grasping and rotary-cut type of underactuated double fingered hand[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2017,48(11):1－11.(in Chinese with English abstract)

[29]鄧云，吳穎，李云飛.果蔬在貯運(yùn)過程中的生物力學(xué)特性及質(zhì)地檢測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005，21(4):1－6.Deng Yun,Wu Ying,Li Yunfei.Biomechanical properties and texture detection of fruits and vegetables during storage and transportation[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2005,21(4):1－6.(in Chinese with English abstract)

[30]吳立成，孔巖萱，李霞麗.全轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，53(1):47－54.Wu Licheng,Kong Yanxuan,Li Xiali.Fully rotational joint underactuated finger mechanism and its kinematics analysis[J].Journal of Mechanical Engineering,2017,53(1):47－54.(in Chinese with English abstract)

[31]王通，尹建軍.一種抓取果實(shí)的欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜力學(xué)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016(3):110－114.Wang Tong,Yin Jianjun.A type of underactuated finger mechanism design and statics analysis for picking fruit[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2016(3):110－114.(in Chinese with English abstract)

[32]馬學(xué)思，戴建生.基于抓持矩陣的二指多關(guān)節(jié)手抓持規(guī)劃和絲傳動(dòng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51(1):17－23.Ma Xuesi,Dai Jiansheng.Grasp planning and tendon-driven design of two-fingered hand based on grasp matrix[J].Journal of Mechanical Engineering,2015,51(1):17－23.(in Chinese with English abstract)

[33]何競飛，潘祺，鄧華.一種新型欠驅(qū)動(dòng)三指節(jié)手指機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2014，30(6):18－21.He Jingfei,Pan Qi,Deng Hua.Structural design and optimization ofa new type under-actuated 3-knuckle finger[J].Mechanism Machine Design and Research,2014,30(6):18－21.(in Chinese with English abstract)

[34]張文增，陳強(qiáng)，孫振國，等.高欠驅(qū)動(dòng)的擬人機(jī)器人多指手[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，44(5):597－600.Zhang Wenzeng,Chen Qiang,Sun Zhenguo,et al.Super under-actuated humanoid robot multi-fingered hand[J].Journal of Tsinghua University:Sic&Tech,2004,44(5):597－600.(in Chinese with English abstract)

[35]王殿君，嵇鐘輝，劉淑晶，等.六自由度模塊化機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37(12):107－109.Wang Dianjun,Ji Zhonghui,Liu Shujing,et al.Designed control system of 6-DOF modular robot[J].Automation of Manufacturing,2015,37(12):107－109.(in Chinese with English abstract)

[36]周青松，張鐵.基于PMAC的機(jī)器人控制器調(diào)試系統(tǒng)的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(8):245－247.Zhou Qingsong,Zhang Tie.Development of adjusting system of robot controller based on PMAC[J].Microcomputer Information,2009,25(8):245－247.(in Chinese with English abstract)