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

胡利軍

（江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，341000，江西贛州）

臍橙作為一種廣受公眾喜愛的水果，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，不僅可以食用，同時(shí)還可以藥用，因此近些年來種植面積不斷擴(kuò)大。隨著臍橙種植面積與產(chǎn)量的不斷增加，如何更好地對(duì)臍橙進(jìn)行無損采摘、提高臍橙采摘機(jī)器人的智能化與自動(dòng)化程度是該領(lǐng)域的重難點(diǎn)問題。在采摘機(jī)器人中，末端執(zhí)行器是其重要組成部分，提高其工作效率有利于提升采摘機(jī)器人的工作速度與采摘成功率。鑒于臍橙具有較為特殊的生長(zhǎng)特性與生物特性，因此本研究基于其獨(dú)特性質(zhì)與相關(guān)理論創(chuàng)新性提出一種新型采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，具體工作流程圖如圖1 所示。

圖1 臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器工作流程圖

1 臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的構(gòu)成與技術(shù)原理

1.1 末端執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)組成

本研究中所提出的新型末端執(zhí)行器主要由三大機(jī)構(gòu)構(gòu)成，分別為吸附機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)與旋切機(jī)構(gòu)，核心部分為夾持機(jī)構(gòu)。其中吸附機(jī)構(gòu)主要包括真空吸盤、下氣缸與吸盤支座等組成部分；旋切機(jī)構(gòu)主要包括鋸齒圓盤切刀、上氣缸、切刀連接架、切刀護(hù)罩、強(qiáng)磁高速直流電機(jī)等組成部分。在末端執(zhí)行器的作業(yè)過程中，如果其手指部分的自由度相對(duì)較高，抓取動(dòng)作的靈活度就會(huì)隨之提升，從而體現(xiàn)出更為優(yōu)良的抓取效果；但由于末端執(zhí)行器的系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此在提高其性能的同時(shí)控制難度與經(jīng)濟(jì)成本都有所提升?；诖?，本研究以前驅(qū)動(dòng)原理為基礎(chǔ)，對(duì)夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定應(yīng)用兩指式夾持機(jī)構(gòu)，并且應(yīng)用一個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力的主要提供源。

具體而言，夾持機(jī)構(gòu)主要包括V 型手指、利用硅膠作為主要原材料的緩沖材料、壓力傳感器、步進(jìn)電機(jī)、梅花聯(lián)軸器、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)、螺母座、連桿、導(dǎo)向軸等組成部分。其中壓力傳感器為電阻式，量程為10 kg，精度為5%～25%；步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后可為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，步距角為1.8°；梅花聯(lián)軸器可將電機(jī)軸與滾珠絲杠有效連接，為BF 系列；滾珠絲杠機(jī)構(gòu)可將轉(zhuǎn)矩有效轉(zhuǎn)換為推力；連桿可將手指底座與螺母座有效連接，其中螺母座的安裝位置為絲杠螺母處。

1.2 工作技術(shù)原理

在臍橙機(jī)器人采摘作業(yè)過程中，其主要通過視覺系統(tǒng)獲得目標(biāo)果實(shí)的具體位置并對(duì)果梗位置加以分析，與此同時(shí)利用機(jī)械臂對(duì)果實(shí)的具體位置加以調(diào)節(jié)，在完成準(zhǔn)確定位后末端執(zhí)行器進(jìn)行作業(yè)。在工作過程中，為了有效避免因其他果實(shí)對(duì)目標(biāo)果實(shí)所造成的干擾影響以及末端執(zhí)行器在工作過程中對(duì)其他果實(shí)的傷害，機(jī)械臂會(huì)自主完成避障操作并規(guī)劃設(shè)定較為清晰的軌跡，而末端執(zhí)行器會(huì)將目標(biāo)果實(shí)與其他果實(shí)分離開來。

本研究所研發(fā)的末端執(zhí)行器以上述內(nèi)容為基礎(chǔ)，應(yīng)用下氣缸將作為吸附機(jī)構(gòu)的真空吸盤推動(dòng)至目標(biāo)果實(shí)附近并開始吸附果實(shí)，在實(shí)施下氣缸推桿復(fù)位操作后，在真空吸盤的吸附下目標(biāo)臍橙果實(shí)可被拽出，此時(shí)的果梗位于采摘機(jī)器人V 型手指的中心平面。在這一環(huán)節(jié)后，末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)會(huì)開始作業(yè)，其內(nèi)部的步進(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)，由此可促進(jìn)拉桿向前移動(dòng)，從而拉動(dòng)V 型手指對(duì)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。在這一環(huán)節(jié)后，旋切機(jī)構(gòu)開始發(fā)揮作用，其內(nèi)部的上氣缸推桿會(huì)作用于處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的切刀，利用切刀完成旋切果梗操作，從而將目標(biāo)臍橙果實(shí)與果梗相分離。在確定二者相分離后，上氣缸推桿會(huì)自主完成復(fù)位操作，此時(shí)控制切刀的強(qiáng)磁高速直流電機(jī)也會(huì)停止運(yùn)行。最后，在末端執(zhí)行器機(jī)械臂的帶動(dòng)下，目標(biāo)臍橙果實(shí)會(huì)被夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)送至果實(shí)收集區(qū)域。

2 臍橙果實(shí)的數(shù)學(xué)模型與采摘手指工作空間

據(jù)相關(guān)贛南臍橙標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)可知，臍橙可根據(jù)大小的不同分為不同的等級(jí)，其中頗受公眾喜愛的三級(jí)臍橙果與特級(jí)臍橙果橫徑為＞60～＜95 mm；但是據(jù)相關(guān)實(shí)際調(diào)研可知，部分臍橙果實(shí)的橫徑與上述等級(jí)要求不符，因此被歸屬于畸形果。在實(shí)際臍橙產(chǎn)區(qū)中屬于畸形果的數(shù)量相對(duì)較少，因此本研究將臍橙果實(shí)的橫徑范圍設(shè)置為＞50～＜100 mm，橫徑超出上述范圍的臍橙果實(shí)不在本研究的研發(fā)考慮范圍內(nèi)。

在研發(fā)過程中以上述臍橙果實(shí)的橫徑范圍為主要指標(biāo)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，利用CAD 建模的方法對(duì)末端執(zhí)行器的采摘手指空間加以明確，通過不斷的模擬與優(yōu)化形成較為優(yōu)良的手指相關(guān)參數(shù)，采摘手指工作空間具體理想?yún)?shù)為：遠(yuǎn)指指節(jié)長(zhǎng)度l1為35 mm，近指指節(jié)長(zhǎng)度l2為35 mm，二者的夾角為140°，手指底座長(zhǎng)度l4為31 mm，連桿長(zhǎng)度l5為60 mm。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)臍橙果實(shí)的有效夾持與穩(wěn)定夾持，本研究在研發(fā)過程中應(yīng)用最新式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為關(guān)鍵性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。除此之外，本研究通過大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)角為0°～20°內(nèi)時(shí)，正壓力的設(shè)計(jì)若為理想狀態(tài)，則可利用V 型手指對(duì)臍橙果實(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確且穩(wěn)定的夾持。

3 臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)組成

本研究所提出的末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)的主要組成部分有：嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器、電磁閥、I/O 端子板、模擬量轉(zhuǎn)換模塊、24 V 電磁繼電器、脈沖發(fā)生器、5 V 電磁繼電器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、真空器、光電傳感器等。所包含的固態(tài)24 V 電磁繼電器共有4 部分，其中：固態(tài)24 V 電磁繼電器1 作用于電磁閥1，并有效控制真空器和吸盤；固態(tài)24 V 電磁繼電器2 作用于電磁閥2，并有效控制上氣缸；固態(tài)24 V 電磁繼電器3 作用于電磁閥3，并有效控制下氣缸；固態(tài)24 V 電磁繼電器4 作用于直流強(qiáng)磁高速電機(jī)，并有效控制切刀。具體而言，在完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器作為系統(tǒng)的主控制器可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)末端執(zhí)行器的控制與實(shí)時(shí)計(jì)算，并且還可以有效達(dá)成主控制器對(duì)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的有機(jī)集成，對(duì)后續(xù)的機(jī)器人其他方面的研發(fā)與整體開發(fā)具有基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)。具體控制系統(tǒng)硬件原理如圖2 所示。

圖2 臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)硬件原理圖

上述控制系統(tǒng)的主要工作原理如下。

吸附果實(shí)：首先，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器即主控制器應(yīng)用I/O 輸出低電平對(duì)固態(tài)24 V 電磁繼電器3 進(jìn)行有效控制，使其保持吸合狀態(tài)，此時(shí)會(huì)使電磁閥3 通電并處于工作狀態(tài)，由此可推出下氣缸推桿；其次，有效控制固態(tài)24 V 電磁繼電器1 保持通電吸合，此時(shí)會(huì)使電磁閥1 保持通電工作狀態(tài)，從而使真空器開始形成負(fù)壓，同時(shí)由控制系統(tǒng)通過延時(shí)保證可以有效吸附果實(shí)，并始終保持穩(wěn)定狀態(tài)；最后，固態(tài)24 V 電磁繼電器3斷電停止工作，導(dǎo)致下氣缸推桿停止工作和復(fù)位，完成整個(gè)吸附工作流程。

夾持果實(shí)：在吸附果實(shí)完成后，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入夾持流程。主控制器在完成夾持動(dòng)作時(shí)I/O 端口會(huì)通過脈沖發(fā)生器控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)，從而使得步進(jìn)電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，與此同時(shí)，負(fù)責(zé)夾持果實(shí)的微型手指會(huì)通過壓力傳感器對(duì)電壓進(jìn)行反饋，當(dāng)電壓不斷升高時(shí)，其與主控制器所設(shè)定的安全閾值會(huì)進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)壓力傳感器所反饋的電壓值已經(jīng)高于安全閾值時(shí)，脈沖發(fā)生器會(huì)停止脈沖信號(hào)的輸出工作。這時(shí)主控制器會(huì)控制固態(tài)24 V 電磁繼電器1 斷電停止工作并關(guān)閉真空器。

旋切流程：主控制器在開始旋切動(dòng)作時(shí)會(huì)控制固態(tài)24 V 電磁繼電器4 開始工作，通過吸合作用控制強(qiáng)磁高速直流電機(jī)以固定的轉(zhuǎn)速高速旋切果梗。在旋切過程中，控制系統(tǒng)會(huì)通過延時(shí)確保旋切過程的順利完成。在提示旋切結(jié)束后，主控制器會(huì)將固態(tài)24 V 電磁繼電器4 斷電，從而使得電機(jī)斷電停止工作。

3.2 正壓力閾值與氣缸速度確定

本研究所提出的末端執(zhí)行器應(yīng)用電阻式薄膜壓力傳感器，通過該裝置對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化調(diào)節(jié)。

據(jù)相關(guān)理論可知，如果進(jìn)一步提升氣缸推桿的運(yùn)行速度可以進(jìn)一步縮短采摘機(jī)器人的吸附動(dòng)作與旋切動(dòng)作的合并應(yīng)用時(shí)間，因此本研究在研發(fā)過程中希望提高氣缸推桿速度。但在研發(fā)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)下氣缸的推桿速度較快時(shí)，吸盤會(huì)因速度過快而與果實(shí)產(chǎn)生撞擊，導(dǎo)致無法與臍橙果實(shí)充分接觸，并且由于推桿的復(fù)位速度相對(duì)較快，使得臍橙果實(shí)存在掉落的可能，導(dǎo)致臍橙果實(shí)吸附失敗的幾率大大提升；當(dāng)上氣缸的推桿速度較快時(shí)，本就處于高速狀態(tài)的切刀在作業(yè)時(shí)一定程度上會(huì)將果梗嚴(yán)重頂斜。

以提高末端執(zhí)行器的運(yùn)行速度與避免上述運(yùn)行問題為研發(fā)目的，本研究所研發(fā)的末端執(zhí)行器將下氣缸推桿的速度調(diào)整為240 mm/s，并且伸出的速度與復(fù)位的速度完全一致，在由氣缸閥門控制的如此推桿速度下，末端執(zhí)行器具有最優(yōu)良的臍橙吸附效果。除此之外，為了使得工作效果最佳，將上氣缸推桿的推出速度設(shè)置為80 mm/s，復(fù)位速度為400 mm/s。

4 臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的采摘實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本研究所研發(fā)的臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的實(shí)際應(yīng)用效果，研發(fā)人員以某臍橙農(nóng)業(yè)科技園為實(shí)驗(yàn)基地開展實(shí)際采摘實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，在臍橙采摘機(jī)器人的機(jī)械臂上安裝本新型末端執(zhí)行器。在實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)定臍橙果實(shí)的位置已準(zhǔn)確定位，將單個(gè)臍橙果實(shí)的采摘總時(shí)間、平均采摘成功率、采摘損傷率作為試驗(yàn)指標(biāo)，將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為調(diào)節(jié)因素，其他實(shí)際采摘實(shí)驗(yàn)詳細(xì)信息如下：

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速：200～300 r/min；

臍橙果實(shí)樣本要求：果實(shí)必須處于成熟狀態(tài)，橫徑需大于60 mm、小于95 mm；

橫徑梯度要求：在本次實(shí)驗(yàn)中設(shè)置橫徑梯度為5 mm，每個(gè)橫徑梯度選擇5 個(gè)臍橙樣本，總共選取30個(gè)臍橙果實(shí)作為樣本對(duì)象。

在實(shí)驗(yàn)過程中統(tǒng)計(jì)并整理單個(gè)臍橙果實(shí)的采摘用時(shí)、30 個(gè)臍橙果實(shí)的采摘成功率及損傷率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單個(gè)臍橙果實(shí)的采摘時(shí)間與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系，二者之間成反比。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為最高限值時(shí)，單顆臍橙果實(shí)的采摘時(shí)間最短，可達(dá)到1.7 s 以下；步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為250 r/min 時(shí)，該末端執(zhí)行器的采摘成功率達(dá)到頂峰，可達(dá)到94%以上。與此同時(shí)，采摘的果實(shí)損傷率與轉(zhuǎn)速無相關(guān)關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)過程中沒有臍橙果實(shí)損傷，因此損傷率為0。

除此之外，本研究結(jié)果顯示，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，此時(shí)間差對(duì)末端執(zhí)行器整體的采摘速度影響較小。由此可知，為了保證較高的采摘成功率，可將250 r/min 作為步進(jìn)電機(jī)最佳轉(zhuǎn)速，此時(shí)，單果采摘時(shí)間為1.76 s，采摘成功率為94.28%。

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中采摘失敗的原因深入剖析可知，末端執(zhí)行器采摘作業(yè)失敗的主要原因?yàn)椴糠帜毘裙麑?shí)的果梗長(zhǎng)度相對(duì)較短，因此臍橙果實(shí)處于吸附狀態(tài)時(shí)果梗與切刀之間的角度相對(duì)較小，由此導(dǎo)致切刀在切果梗時(shí)無法徹底切斷，最終造成采摘失敗。

5 結(jié)語

眾所周知，臍橙在眾多水果中屬于營(yíng)養(yǎng)較為豐富且具有較高食用價(jià)值與藥用價(jià)值的水果之一。贛州市是臍橙的重要種植產(chǎn)地之一，該地區(qū)每年的臍橙產(chǎn)量可達(dá)幾百萬噸，據(jù)贛州市果業(yè)局2016 年的研究報(bào)告顯示，2016 年當(dāng)?shù)氐哪毘裙麑?shí)年產(chǎn)量已達(dá)300 萬t，我國(guó)逐漸成為世界范圍內(nèi)種植面積最大且產(chǎn)量最高的臍橙生產(chǎn)區(qū)。與此同時(shí)，如何對(duì)臍橙進(jìn)行規(guī)?；N植、采摘和處理，是目前臍橙行業(yè)的重點(diǎn)研究方向，其中應(yīng)用臍橙采摘機(jī)器人是現(xiàn)階段采摘環(huán)節(jié)的主要手段。在臍橙采摘機(jī)器人中末端執(zhí)行器是重要組成裝置之一，末端執(zhí)行器的工作效率對(duì)最終臍橙采摘的成功率與工作效率起到重要影響。

綜上所述，為了對(duì)現(xiàn)有的臍橙采摘機(jī)器人加以改進(jìn)與優(yōu)化，提高采摘效率，本研究以臍橙果實(shí)的生物特性為基礎(chǔ)，結(jié)合前驅(qū)動(dòng)原理，提出一種創(chuàng)新性的臍橙采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，從而更好地實(shí)現(xiàn)臍橙無損采摘。該新型末端執(zhí)行器主要可分為三部分，包括吸附機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、旋切機(jī)構(gòu)。其中吸附機(jī)構(gòu)可以通過作業(yè)達(dá)到臍橙果實(shí)與生長(zhǎng)組織的有效區(qū)分；末端執(zhí)行器可以利用夾持機(jī)構(gòu)無損、穩(wěn)定地夾持目標(biāo)臍橙果實(shí)；旋切機(jī)構(gòu)可以將目標(biāo)臍橙果實(shí)與果梗迅速切開分離。在研發(fā)完成后，相關(guān)技術(shù)人員通過實(shí)踐研究，利用該末端執(zhí)行器的樣機(jī)完成30 個(gè)臍橙目標(biāo)果實(shí)的采摘，在采摘過程中將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為可調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)因素，將單個(gè)臍橙果實(shí)的采摘時(shí)間、總體果實(shí)采摘成功率、臍橙果實(shí)損傷率作為研究指標(biāo)加以分析。

研究結(jié)果顯示，該末端執(zhí)行器在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為250 r/min 時(shí)具有較好的采摘效果，此時(shí)每個(gè)臍橙果實(shí)的采摘時(shí)間為1.76 s，采摘成功率為94.28%，損傷率為0。采摘實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，本研究設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器具有較為確切的應(yīng)用價(jià)值，不僅機(jī)構(gòu)構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較高的可靠性，還可為臍橙采摘機(jī)器人的后續(xù)整體研發(fā)提供技術(shù)支持。