三爪聯(lián)動式油茶花采摘執(zhí)行末端設計研究

吳澤超，趙 青，李立君，郭 鑫，李 駿

（中南林業(yè)科技大學機電工程學院，湖南 長沙 410004）

油茶（Camellia oleifera Abel）屬灌木或喬木，主產(chǎn)于中國，為我國南方重要木本食用油料樹種之一。其籽榨取的茶油營養(yǎng)豐富，不飽和脂肪酸含量高，脂肪酸組成合理，是一種優(yōu)質、保健、適宜人體吸收的高級植物食用油，同時也是一種重要的醫(yī)藥、化工等工業(yè)的原材料。油茶樹生長相對緩慢，生命周期長。每年的秋季開花，次年的秋季結果，民間稱之為“抱子懷胎”，這是油茶生殖過程的一大特征［1］。掌握油茶各品種的開花授粉習性，對合理調控花果生長、提高產(chǎn)量意義十分重大［2］。油茶花自交不親和，摘取油茶花取粉，再進行人工授粉能夠提高產(chǎn)量。目前油茶花的收集具有較大的難度，市場上未出現(xiàn)相應的采摘花朵的機械設備，基本全靠人工收集，效率極低。智能機器人的發(fā)展順應農林機械發(fā)展的潮流，智能采粉機器人也將是農林機械發(fā)展的重要方向，因此智能采摘機器人執(zhí)行末端的研究有著重要價值。

目前，我國農業(yè)應用機械手基本處于試驗階段，因為機械手的體積過大，動作相對緩慢，沒有辦法實現(xiàn)完全智能作業(yè)。馬興灶等［3］提出效仿果農的采摘方式與自行車的剎車結構，研制出菠蘿采摘機械手。孟彩茹等［4］研制了一種應用于配藥機器人的機械手爪，利用雙滑塊機構原理，從而實現(xiàn)機械手爪的抓緊與松開。左斌等［5］研制了多功能蘋果采摘機，通過連桿實現(xiàn)卡爪的閉合，通過電機擰斷果莖，采摘果實。穆龍濤等［6］研發(fā)了一種機器人采摘獼猴桃的一體化末端執(zhí)行器來進行采摘。相對國內而言，國外對于機械手的研發(fā)應用技術更成熟些。美國研究者Uppalapati 等［7］研制了一種具有紅外反射傳感系統(tǒng)的柔性手爪，并應用于漿果的采摘。美國研究人員Ishige等［8］提出了一種柔性機械手，通過簡單的控制實現(xiàn)類似于人的指尖表面滑動運動，進行物體抓取。

油茶花花朵采摘機械手要實現(xiàn)花朵采摘目標，必須完成2個主要動作：首先是包絡花朵，其次要精準將花朵從枝頭采摘下來［9］。油茶花如圖1所示。

圖1 油茶花Fig.1 Camellia

1 總體設計

1.1 方案選擇

考慮油茶花的形狀以及采摘后的輸送、收集方式，共提出以下3種末端執(zhí)行裝置的設計方案。

方案1兩爪剪夾式末端執(zhí)行裝置，如圖2所示。

圖2 兩爪剪夾式末端執(zhí)行裝置Fig.2 Two-jaw scissor-type end effector

方案2四爪夾持式末端執(zhí)行裝置，如圖3所示。

圖3 四爪夾持式末端執(zhí)行裝置Fig.3 Four-jaw gripping end effector

方案3三爪聯(lián)動式末端執(zhí)行裝置，如圖4所示。

圖4 三爪聯(lián)動式末端執(zhí)行裝置Fig.4 Three-jaw linkage end effector

通過方案對比，該3類方案均可在機械臂的扭轉拉力下達到油茶花的采摘需要。但是，方案1 的夾持力會使油茶花產(chǎn)生損傷，夾持力過大還會導致油茶花粉脫落丟失。除此之外，方案1與方案2的末端執(zhí)行裝置在采摘結束后，需將機械臂移動到收集箱上方才能收集到油茶花。為防止手爪卡塞油茶花，方案2 還需要使手爪豎直向下打開。相比之下，方案3 的設計滿足完整采摘與及時運輸?shù)脑O計目的。

1.2 設計要求

對于方案3 設計一款三爪聯(lián)動式執(zhí)行末端，要求研制能夠將整朵花包含于夾爪機構內，內部通風管道直徑能夠順利通過油茶花朵，并研究手爪閉合加持力與同步環(huán)的運動關系。設計手爪應考慮以下幾個因素：油茶花朵最大直徑為6 cm，手爪的開合極限應滿足花朵的最大直徑，確保在抓取過程中能夠將花朵全部包絡在手爪內；手爪機構必須具有確定的運動條件；手爪閉合過程中，應在手爪完全閉合時所受夾持力最大；手爪機架氣道孔徑不能低于2.5 cm，應滿足在氣力輸送過程中花朵能夠順利通過管道。

1.3 工作原理與過程

基于以上設計要求，在穩(wěn)定性和靈活性的多方面因素上考慮，確定手爪指數(shù)為3 指［10］。采用了電推桿帶動同步環(huán)，通過曲柄滑塊機構來實現(xiàn)手爪的開合，如圖5 所示。手爪抓取時。給連接在靜平臺6的電推桿7輸入一個高頻電信號，電推桿7伸長，推動同步環(huán)3沿機架8外壁向上運動，通過鏈接的C形連桿2推動L形手指1做逆時針旋轉，使得手爪閉。L型手爪1頂部夾緊花朵底部，使花朵能夠從枝頭脫落，達到采摘目的。掉落的花朵通過利用支桿5 與鎖止環(huán)4 固定在靜平臺6 的機架8 內部氣道輸送運輸?shù)绞占b置中。手爪張開時。給電推桿7輸入一個低頻電信號，使得推動同步環(huán)3 向下運動，拉動C形連桿2推動L形手指1做順時針旋轉，使得手爪打開。經(jīng)過設計，手爪閉合內部直徑為6.5 cm 滿足油茶花朵最大直徑，能夠完全抓取。內部管道測量為3 cm，滿足花房最大直徑，能夠順利運輸。

圖5 3指聯(lián)動油茶花朵采摘機械手Fig.5 Three-finger linkage camellia flower picking robot

2 主要參數(shù)設計計算

2.1 手爪自由度分析

根據(jù)自由度的計算公式：

式中：F為裝置的自由度；n為活動構件；pl為低副個數(shù)；ph為高副個數(shù)。

活動構件為3 個，旋轉副有3 個，移動副有1個，高副個數(shù)為0 個。計算可知，裝置的自由度個數(shù)為1，原動件的個數(shù)等于裝置的自由度個數(shù)，裝置運動具有確定性［11］。

2.2 手爪力傳動比分析

手爪尺寸小巧，質量輕巧，采摘對象為花朵，故對手爪的受力要求不大，但最后手爪末端的夾持力大小是設計的重要指標。因此，機械手爪的力傳動比是手爪靜力學分析重要指標。根據(jù)設計方案繪制手爪機構結構簡圖，如圖6所示。

圖6 手爪機構運動簡圖Fig.6 Schematic diagram of the movement of the claw mechanism

根據(jù)圖2 結構簡圖，選取同步環(huán)3、C 形連桿4、L 形手指5 作為分析對象，忽略各構件所承受的重力，其受力如圖7所示。

圖7 手爪受力圖Fig.7 Force diagram of the paw

由圖7建立的手爪受力圖得到靜力方程為

式中：FA為電推桿給同步環(huán)的推力；FB為同步環(huán)給連桿的壓力；FC為連桿給手爪的壓力；FE為手爪加緊后樹枝給手爪的反作用力；α為電推桿在同步環(huán)上與水平方向的夾角；β為連桿與桶壁之間的夾角；γ為連桿與手爪的夾角；lCD為手爪CD之間的距離；lDE為手爪DE之間的距離。

通過整理式（2）中的關系方程式得到傳力比表達式為

余弦定理的關系式為

式中：同步環(huán)B到鉸鏈A的垂直距離為HAB；lBD為滑塊B與C點之間的距離。

由式（4）得到電推桿的長度與同步環(huán)B的位移關系表達式為

式中：LAB為電推桿在地面的投影；HAD為A點到D點的垂直距離；HAB為電推桿AB在垂直方向的距離。

因為連桿尺寸已知，所將根據(jù)式（3）～式（5）將連桿之間的夾角問題轉化為連桿的尺寸問題，并得到連桿之間表達式為

將式（8）～式（10）帶入式（3），得到傳力比與連桿之間的關系式為

整理得

根據(jù)得到的關系式可知，手爪的傳力比與同步環(huán)的位移距離lBD呈一次線性比例關系，得到同步環(huán)在移動距離最大值時，達到手爪夾緊力傳遞最大值。

3 手爪運動效果仿真

3.1 ADAMS運動仿真

軟件ADAMS 在專業(yè)建模功能中相對較弱，結構復雜的仿真模型通常由專業(yè)建模軟件導入ADAMS 中進行仿真。本次仿真的機械爪模型由inventor 軟件進行建模，并將模型文件保存為.stp格式文件，然后啟動ADAMS軟件新建模型，進入工作界面，在File 工具欄選擇Import 將所選擇的stp格式模型文件導入ADAMS中，如圖8所示［12-14］。

圖8 ADAMS中三維模型Fig.8 3D model in ADAMS

模型導入后，在ADAMS 中，對機械手爪的各個構件的材料進行定義，因為底盤、支撐細桿、鎖止環(huán)、運輸筒是剛性鏈接，通過布爾操作將其合并成一個實體。模型中各個部件的名字與自身材料如表1所示［15］。

表1 模型部件命名Tab.1 Model Part Naming

選擇好機構的材料后，根據(jù)各個部件之間運動關系和受力情況，再用ADAMS 軟件建立相對應的轉動副與移動副，約束情況如圖9 所示，模型的詳細約束表達信息如表2 所示。由于該機械手爪為3個手指單元間隔120°分布構成，且結構相同，3組機械手指所受約束也相同。表2 所表示的約束數(shù)為一組機械手指所受約束［16］。

圖9 ADAMS運動副建立Fig.9 ADAMS sports vice establishment

表2 模型約束表Tab.2 Model Constraint Table

由式（1）得到該機構的自由度為1，所以只要增加一個驅動力即可，對電推桿進行階躍函數(shù)驅動，對電推桿的運動做速度驅動，施加驅動函數(shù)STEP（time，0，0，1，-7）+STEP（time，1，0，2，13）+STEP（time，2，0，3，-13）+STEP（time，3，0，4，7）手爪便可以做出唯一的確定運動。電推桿的函數(shù)驅動曲線與手爪質心速度變化曲線如圖10所示。

該裝置的3 指為間隔120°均勻分布，所以檢測其中一指的運動變換即可，選擇與電推桿在統(tǒng)一坐標系下的手爪進行監(jiān)測，因為電推桿的推動使得手指進行開合抓取，所以檢測手指在x坐標軸下的質心速度變化。在建造的模型中，參考工作的實際情況，手爪初始工作位置并未設置為機構極限位置。在電推桿運動過程中，首先將同步環(huán)推至極限全開位，再將同步環(huán)推到極限閉合位，工作結束，手爪回初始位置。所以STEP 速度函數(shù)曲線與手爪質心的速度變化曲線的變化曲線成鏡像。由圖10 可得手爪的運動變化曲線與STEP 的驅動函數(shù)變化曲線規(guī)律相符合，符合機械手運動過程中的動作特征。在同步環(huán)的推動下，手爪進行工作，手爪的質心運動軌跡曲線如圖11所示。

圖10 電推桿驅動函數(shù)與手爪質心變化曲線Fig.10 Electric push rod driving function and the change curve of the center of mass of the gripper

圖11 手爪的空間軌跡曲線Fig.11 The space trajectory curve of the paw

由圖11 可知，在裝置運動過程中，手爪的質心軌跡曲線呈現(xiàn)圓滑弧線狀，使得在采摘過程中，油茶花會被緩慢包絡進曲線內部，現(xiàn)在呈現(xiàn)圓滑曲線以保證在夾持過程不會因為剛性沖擊，蹭落花瓣，損失花藥。在機械手運動過程中，機械手質心的加速度變化曲線與同步環(huán)位移變化曲線如圖12所示。

如圖12 所示，當電推桿啟動與停止時會產(chǎn)生慣性沖擊，加速度在0 s與4 s的時候產(chǎn)生加速度突變。加速度在1 s、4 s 處發(fā)生加速度突變的原因是手爪在運動過程中，機械手爪、連桿、同步環(huán)本身具有質量，當同步環(huán)位于最低端極限位置時，會產(chǎn)生極限位置沖擊力與慣性力，因此使得此時的加速度發(fā)生突變。由圖12 可知，同步環(huán)的位移距離與加速的變化趨勢相同，同步環(huán)的位移變化與機械手爪的夾緊力趨勢相同。

圖12 手爪質心加速度與聯(lián)動環(huán)質心位移曲線Fig.12 Gripper centroid acceleration and linkage ring centroid displacement curve

4 樣機實驗

通過3D 打印技術加工出手爪樣機，配合控制機構進行采摘試驗，如圖13 所示。觀察手爪的運動情況，手爪在運動過程中能夠實現(xiàn)平穩(wěn)運動，手爪在閉合時夾爪的末端夾緊力最大，手爪運動軌跡呈現(xiàn)能夠包裹花朵的包絡線。手爪設計滿足設計要求，也能夠滿足采摘要求。

圖13 手爪實物圖Fig.13 Real picture of hand claw

5 結論

本文以油茶花花朵為研究對象，設計了一種智能采摘機器人的末端執(zhí)行裝置，該裝置為一種由電推桿推動的三爪單節(jié)聯(lián)動機械手爪。該機械手爪的開合極限滿足了花朵的最大直徑，能夠確保在抓取過程中能夠將花朵全部包絡在手爪內。該機械手爪的運動符合運動規(guī)律，且具有電推桿驅動的唯一的運動方式，在機械手爪閉合過程中，機械手爪完全閉合時所受夾持力最大。通過靜力學分析與ADAMS軟件運動仿真試驗對機械手的虛擬樣機進行了測試，以及加工出實驗樣機進行實驗，能夠測試達到預期效果。機械手爪的內部運輸管道為3 cm，滿足在氣力輸送過程中花朵的要求的直徑。因此，研究結果表明了該末端執(zhí)行器設計的合理性，證明了采用機械手爪采摘油茶花朵動作的可行性。