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    雙孢菇柔性仿形采摘末端執(zhí)行器設(shè)計與試驗(yàn)

    2023-03-07 07:20:16姬江濤李夢松趙凱旋
    關(guān)鍵詞:雙孢菇執(zhí)行器負(fù)壓

    姬江濤 李夢松 趙凱旋 馬 淏

    (1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院, 洛陽 471003;2.河南省機(jī)械裝備先進(jìn)制造協(xié)同創(chuàng)新中心, 洛陽 471003)

    0 引言

    雙孢菇是世界性栽培和消費(fèi)的菇類作物,具有生產(chǎn)成本低、生長周期短、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn),在我國種植非常普遍[1]。在日常生產(chǎn)中,為確保雙孢菇優(yōu)良的質(zhì)量和完好的外觀,90%以上的雙孢菇都要依靠人工收獲。而人工收獲勞動強(qiáng)度高,勞動成本占總生產(chǎn)成本的15%~30%[2]。因此,對于實(shí)現(xiàn)雙孢菇采摘機(jī)械化、自動化的需求十分迫切。末端執(zhí)行器作為采摘機(jī)器人的核心裝置[3-6],對于雙孢菇的質(zhì)量有至關(guān)重要的作用。

    近年來,隨著材料科學(xué)的快速發(fā)展,軟體機(jī)械手成為國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)[7-9],國內(nèi)外學(xué)者相繼對其開展了研究。魏博等[10]設(shè)計了雙連桿并聯(lián)式手指,在抓握直徑差異較大的柑橘時,手指能夠自動進(jìn)行抓取或捏取動作,并實(shí)現(xiàn)被動柔順。朱銀龍等[11]設(shè)計了一種內(nèi)嵌傳感器的四指軟體機(jī)械手,建立了軟體驅(qū)動器的彎曲特性和末端輸出力的數(shù)學(xué)模型,可預(yù)測施加不同氣壓時的軟體驅(qū)動器性能。劉曉敏等[12]設(shè)計了2自由度“剛-柔耦合”驅(qū)動器,施加氣壓后,驅(qū)動器在60°~120°范圍內(nèi)連續(xù)彎曲,最大彎曲角為277°,其彎曲變形類似圓弧狀,與球果表面很好地貼合。以上研究成果雖具有仿形能力和低損特性,但所需作業(yè)空間較大[13-15],而菇類作物生長較密集,因此難以應(yīng)用于菇類作物采摘。

    針對菇類作物采摘,盧偉等[16]設(shè)計了3指4指節(jié)的柔性手爪,并進(jìn)行褐菇采摘試驗(yàn),結(jié)果表明,與剛性手爪相比,柔性手爪抓持力減小,為(2.4±0.3)N。HUANG等[17]提出并測試了4種雙孢菇采摘方法,其中彎曲方法需要最少的采摘力和最少的采摘時間,所需的操作時間、分離角和峰值力分別為(0.9±0.5) s、13.6°±6.7°、(3.3±2.4) N。但雙孢菇與褐菇相比,菇蓋面積更小、作業(yè)空間也更小,因此褐菇的柔性手爪難以應(yīng)用于雙孢菇的采摘。而剛性采摘執(zhí)行器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活性差、適應(yīng)能力差等問題[18-21],在抓取過程中容易對雙孢菇表面造成破壞,難以實(shí)現(xiàn)無損采摘[22-24]。普通吸附類采摘執(zhí)行器存在與雙孢菇之間的密封性差的問題[25-27],在吸附過程中容易出現(xiàn)漏氣的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致雙孢菇脫落。

    針對上述問題,結(jié)合雙孢菇的外形參數(shù)和采摘需求,本文設(shè)計一種雙孢菇柔性仿形采摘末端執(zhí)行器,對末端執(zhí)行器進(jìn)行有限元仿真和分析,制作物理樣機(jī),對末端執(zhí)行器的性能指標(biāo)和采摘效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

    1 末端執(zhí)行器總體設(shè)計

    1.1 雙孢菇特性分析及采摘要求

    雙孢菇呈白色或棕色,菇蓋呈半球形,下方逐漸平展,表面光滑,目前常見的雙孢菇工廠化栽培生長情況如圖1所示,具有以下特點(diǎn):長勢較為密集,成熟雙孢菇通常簇?fù)碓谝黄穑慌c培養(yǎng)基質(zhì)的連接力較小,容易脫落;質(zhì)地柔軟,易被損傷,損傷后略變淡黃色。

    圖1 雙孢菇工廠化栽培生長情況Fig.1 Growth of Agaricus bisporus in factory cultivation

    市場上售賣的成熟雙孢菇直徑為25~50 mm,其分級標(biāo)準(zhǔn)為:一級雙孢菇直徑為25~35 mm,二級雙孢菇直徑為35~50 mm。根據(jù)DB34/T 1277—2010《雙孢蘑菇采收、分級和鹽漬技術(shù)規(guī)程》,雙孢菇采摘最佳菇蓋直徑為25~35 mm。由于雙孢菇長勢密集,長在同一區(qū)域的雙孢菇成熟時間不一致、質(zhì)地柔軟,使雙孢菇難以實(shí)現(xiàn)批量采摘,單體采摘仍是雙孢菇采摘的主流方法。在避免雙孢菇表面出現(xiàn)機(jī)械損傷前提下,實(shí)現(xiàn)對不同尺寸和橢圓度的雙孢菇采摘,是雙孢菇采摘末端執(zhí)行器研究的關(guān)鍵。

    1.2 末端執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)

    如圖2所示,設(shè)計的末端執(zhí)行器對單個雙孢菇的菇蓋進(jìn)行采摘作業(yè),通過吸附的方式完成雙孢菇的采摘。

    圖2 采摘方式示意圖Fig.2 Schematic of picking method

    該末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)由柔性仿形吸盤和金屬附件組成,其機(jī)械結(jié)構(gòu)三維剖視圖如圖3所示。

    圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.3 Section view of mechanical structure1.端蓋 2.密封圈 3.支撐件 4.卡箍 5.連接套 6.通氣芯 7.通氣螺釘 8.墊片 9.顆粒 10.柔性膜

    其中柔性仿形吸盤由顆粒和柔性膜組成,附件包括端蓋、支撐件、連接套、通氣芯、卡箍、通氣螺釘和墊片,附件的主要作用是將吸盤部分固定并向柔性仿形吸盤傳輸氣壓。端蓋內(nèi)設(shè)有兩條通氣管道,分別用于柔性膜內(nèi)部的通氣和吸盤的吸附。為防止顆粒泄漏,在端蓋和支撐件之間設(shè)有密封圈,在通氣芯的外側(cè)設(shè)有過濾網(wǎng)。卡箍將柔性仿形吸盤固定在支撐件上,通氣螺釘將柔性仿形吸盤的下表面固定在通氣芯上。

    柔性仿形吸盤的工作原理為:標(biāo)準(zhǔn)氣壓下,顆粒在柔性膜內(nèi)具有類流體特性,當(dāng)柔性膜和雙孢菇表面接觸后,會根據(jù)雙孢菇的表面輪廓進(jìn)行仿形,從而和雙孢菇之間進(jìn)行充分接觸,使兩者之間具有良好的密封性,并在密閉空腔內(nèi)形成一定的負(fù)壓,使后續(xù)的吸附更加穩(wěn)定。

    1.3 末端執(zhí)行器控制原理

    末端執(zhí)行器控制原理如圖4所示,采用氣壓反饋控制,能夠?qū)崿F(xiàn)力與負(fù)壓的精確轉(zhuǎn)換。具體工作路線為:輸入吸附力后,系統(tǒng)能夠根據(jù)公式將吸附力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的負(fù)壓,此負(fù)壓即為控制系統(tǒng)的給定負(fù)壓,給定負(fù)壓與氣壓傳感器所測得的負(fù)壓對比,當(dāng)兩者存在偏差時,調(diào)節(jié)負(fù)壓調(diào)壓閥,使柔性仿形吸盤與雙孢菇之間的密閉空腔內(nèi)的負(fù)壓達(dá)到給定負(fù)壓,從而完成對吸附力的調(diào)節(jié)。

    圖4 控制系統(tǒng)原理圖Fig.4 Control system schematic

    2 柔性仿形吸盤設(shè)計

    2.1 柔性仿形吸盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

    吸盤與接觸物體之間的密封程度直接影響吸盤密閉空腔內(nèi)外真空負(fù)壓的強(qiáng)度,從而影響吸盤吸附力的強(qiáng)弱[28]。不同雙孢菇的橢圓度和表面曲率不同,標(biāo)準(zhǔn)吸盤在采摘時存在與雙孢菇密封程度偏低,導(dǎo)致抓不緊或掉落的問題。針對以上問題,設(shè)計了柔性仿形采摘末端執(zhí)行器,利用柔性仿形吸盤的仿形能力和單體作業(yè)模式,能夠有效降低機(jī)械損傷并且不會對周圍的雙孢菇造成干擾。

    為了縮短作業(yè)時間,加快仿形速度,將吸盤開口形狀設(shè)計為圖5所示的“凹”形。結(jié)合菇蓋形狀試制開口角度為60°、90°、120°的吸盤,進(jìn)行了預(yù)試驗(yàn),使用3種開口角度的吸盤分別采摘了100個雙孢菇,采摘成功率分別為92.00%、88.00%、73.00%??芍_口角度為60°時,吸盤采摘成功率最高,故將吸盤開口角度取為60°。

    圖5 吸盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of sucker

    2.2 柔性仿形吸盤尺寸確定

    柔性仿形吸盤尺寸由實(shí)際作業(yè)空間和雙孢菇尺寸共同決定,吸盤外徑的取值應(yīng)在不影響實(shí)現(xiàn)仿形功能的前提下盡可能小,以減小對周圍雙孢菇造成干擾的可能性。成熟雙孢菇直徑為25~50 mm,為了預(yù)留吸盤的開口直徑并保證吸盤的仿形能力,取吸盤外徑為35 mm。

    吸盤吸力公式為

    (1)

    式中F1——吸盤吸力,N

    A——吸附有效面積,m2

    D——吸盤有效直徑,m

    p——相對壓力,Pa

    由公式(1)得知,吸盤吸力是由相對壓力和吸盤有效直徑共同決定的,相對壓力可以通過調(diào)壓閥進(jìn)行控制,吸盤有效直徑主要受吸盤開口直徑的影響,因此,選擇吸盤最佳開口直徑能夠使吸盤的有效直徑最大化,從而使同等吸附力所需負(fù)壓最低。本文將通過仿真的方式分析吸盤開口直徑和吸盤有效直徑之間的關(guān)系,從而確定吸盤最佳開口直徑。

    2.3 吸盤吸附力影響因素分析

    吸盤在采摘過程中,吸盤吸附力主要與負(fù)壓和直接接觸面有關(guān),其中負(fù)壓影響密閉空腔內(nèi)外的相對壓力,而直接接觸面對于吸附力的影響規(guī)律則需要結(jié)合受力分析才能得知。因此對柔性仿形吸盤吸附后的雙孢菇進(jìn)行受力分析。

    為簡化受力分析模型,將雙孢菇視為呈中心軸對稱的規(guī)則形狀,那么雙孢菇在沿中心軸切開的任意平面內(nèi)的受力情況都相同,當(dāng)雙孢菇被吸盤吸緊且有向下運(yùn)動的趨勢時,任取一平面進(jìn)行受力分析,雙孢菇受力包括向上的吸力F1,向下的重力G,左右兩側(cè)的支反力FN1和FN2,摩擦力FS1和FS2,其受力情況如圖6所示。

    圖6 吸附后雙孢菇受力分析Fig.6 Force analysis of Agaricus bisporus after adsorption

    此時吸盤的吸附力為

    F=F1+(FS1+FS2)sinα

    (2)

    其中

    (3)

    式中α——重力和支反力的夾角

    fS——接觸面之間的摩擦因數(shù)

    則吸附力為

    F=F1+fS(FN1+FN2)sinα

    (4)

    由公式(2)~(4)可知,吸盤的吸附力由吸盤吸力和摩擦力組成,而摩擦力和吸盤吸力都與接觸面相關(guān),接觸面的面積和接觸面之間的摩擦因數(shù)對摩擦力有直接影響,接觸面之間的密封性對吸附力有直接影響,因此選擇合適的柔性膜材料對于提升吸盤的吸附力至關(guān)重要。

    2.4 柔性仿形吸盤材料選取

    考慮到接觸面對于吸附力的重要性,對吸盤柔性膜材料進(jìn)行了選擇,對比了乳膠膜和硅膠膜的吸附性能,結(jié)果如表1所示,乳膠膜與硅膠膜相比,具有更高的彈力、更高的塑形能力、更高的表面硬度和更低的表面粘附性。乳膠膜更高的彈性和塑形能力使其擁有更強(qiáng)的仿形能力,能與雙孢菇進(jìn)行更充分的接觸,使接觸面變大,從而提高摩擦力;更高的表面硬度使其對雙孢菇完成仿形后,在接觸面之間產(chǎn)生更強(qiáng)的穩(wěn)定性和密封性,從而提高吸附力;更低的表面粘附性使其在吸附結(jié)束后更容易與雙孢菇分離。綜上所述,乳膠膜更適合于雙孢菇采摘,因此選擇乳膠作為吸盤柔性膜材料。

    表1 乳膠膜和硅膠膜性能對比Tab.1 Performance comparison of latex film and silica gel film

    考慮到柔性仿形吸盤中顆粒的流動性、可壓縮性、堆積密度以及獲取成本,選擇表面光滑的POM塑料球和兩種不同直徑的石英砂作為顆粒填充物(圖7)。

    3 柔性仿形吸盤有限元仿真

    3.1 有限元仿真模型建立

    本文采用ANSYS有限元軟件Workbench中的Static Structural模塊對柔性仿形吸盤的仿形過程和吸附過程進(jìn)行有限元仿真,通過吸盤仿形過程有限元仿真確定吸盤的最佳開口直徑,通過吸盤吸附過程有限元仿真得出吸盤受應(yīng)力情況,為吸盤尺寸的確定及吸附性能的研究提供理論依據(jù)。

    根據(jù)ANSYS Workbench工作平臺有限元模型設(shè)計的特點(diǎn),在SolidWorks三維建模軟件中對吸盤進(jìn)行三維建模,建模過程中,在不影響仿真數(shù)據(jù)的前提下,將與仿真無關(guān)的零部件刪除,盡可能的簡化模型以便于加快仿真速度。

    在實(shí)際吸附過程中,加載位置、加載速度、接觸面之間的摩擦因數(shù)等因素都會對吸盤的吸附性能和吸盤的應(yīng)力產(chǎn)生影響。若完全考慮上述影響因素并對仿真參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置,則會使吸盤有限元仿真分析過程十分復(fù)雜,甚至導(dǎo)致運(yùn)算過程終止,無法完成仿真。因此,在對分析結(jié)果影響不大的前提下,對吸盤的有限元模型進(jìn)行了簡化,并對吸盤有限元仿真分析過程做如下假設(shè):假設(shè)吸盤在初始位置與雙孢菇處于接觸狀態(tài)。假設(shè)吸盤在下壓過程中,作用力均勻作用在吸盤頂部表面。假設(shè)吸盤和雙孢菇表面光滑平整,材料均勻連續(xù)且具有通向性。假設(shè)顆粒直徑極小,填充之后為連續(xù)實(shí)體。

    柔性膜材料參數(shù):密度為1 000 kg/m3、材料常數(shù)C10為0.01 MPa、材料常數(shù)C20為0.001 MPa、不可壓縮性為1.21×10-9Pa-1。由于雙孢菇材料參數(shù)難以獲取,因此在分析受力情況時,選擇用聚乙烯材料代替。吸盤利用顆粒在柔性膜中的流動特性進(jìn)行仿形,仿真的主要目的是獲得應(yīng)力云圖,顆粒的流動軌跡不是仿真重點(diǎn),為降低仿真難度,將顆粒視為連續(xù)體,其材料選擇為石英。

    進(jìn)行吸盤仿形過程和吸附過程有限元仿真時,柔性膜和雙孢菇的接觸面作為主要研究對象,因此在網(wǎng)格劃分時對柔性膜下表面及雙孢菇上表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理,保證計算的準(zhǔn)確性。設(shè)定柔性膜和雙孢菇網(wǎng)格劃分類型為四面體網(wǎng)格類型,網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm,并對柔性膜下表面及雙孢菇上表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理,網(wǎng)格大小設(shè)置為1 mm。柔性膜下表面和雙孢菇上表面之間的接觸類型為不分離接觸類型。選擇柔性膜下表面為接觸面,雙孢菇上表面為目標(biāo)面。Formulation算法選項(xiàng)設(shè)置為增廣拉格朗日算法類型。

    3.2 吸盤仿形過程有限元仿真

    為了確定吸盤開口直徑和吸盤有效直徑之間的關(guān)系,選擇開口直徑為20、22.5、25、27.5 mm的吸盤對直徑為25 mm的雙孢菇進(jìn)行有限元仿真。

    對仿形過程進(jìn)行載荷設(shè)定,在菇蓋下表面添加固定支撐,在吸盤上表面均勻加載10 N作用力,模擬吸盤對雙孢菇的仿形過程,載荷設(shè)置完成后,打開大變形選項(xiàng),對有限元模型進(jìn)行求解。

    4種不同開口直徑的吸盤對直徑為25 mm的雙孢菇的仿形過程有限元仿真應(yīng)力云圖如圖8所示,菇蓋的形狀為半橢圓狀,吸盤開口直徑較小時,與雙孢菇接觸的位置處于菇蓋頂部,此時吸盤的有效直徑主要受到吸盤開口直徑的限制。隨著吸盤開口直徑的增大,吸盤和雙孢菇接觸的位置由菇蓋頂部逐漸向下,直到完全將菇蓋包裹,此時吸盤的有效直徑即為菇蓋直徑,吸盤的有效直徑主要受到菇蓋直徑的限制。

    圖8 不同開口直徑吸盤仿真應(yīng)力云圖Fig.8 Simulation stress cloud of suckers with different opening sizes

    如圖9所示,在ANSYS Workbench中測得開口直徑為20、22.5、25、27.5 mm的吸盤對直徑為25 mm的雙孢菇有效直徑分別為22.1、24.2、25.0、25.0 mm。結(jié)果表明:當(dāng)菇蓋直徑一定時,隨著吸盤開口直徑的增大,吸盤的有效直徑先逐漸增大,達(dá)到最大值之后不再變化,其最大值為菇蓋直徑。吸盤的有效直徑在吸盤開口直徑為25 mm時達(dá)到最大值,因此吸盤最佳開口直徑為25 mm。

    圖9 吸盤有效直徑變化曲線Fig.9 Variation curve of effective diameter of suction cup

    3.3 吸盤吸附過程有限元仿真

    在吸盤吸附過程有限元仿真中,為便于分析吸盤和雙孢菇應(yīng)力變化,將吸附過程分為兩步,即吸盤下壓過程和吸盤吸附過程,吸盤有限元載荷加載設(shè)置如圖10所示。吸盤下壓過程為吸盤頂部開始受到壓力作用且運(yùn)動到最低點(diǎn)與雙孢菇表面進(jìn)行接觸的加載過程。在軟件中的設(shè)置為:將菇蓋下表面添加固定支撐,在吸盤頂面均勻加載10 N作用力。下壓過程結(jié)束后,在吸盤容腔表面添加真空負(fù)壓載荷0.07 MPa,模擬吸盤貼附過程。載荷設(shè)置完成后,打開大變形選項(xiàng),對有限元模型進(jìn)行求解。

    圖10 有限元載荷加載設(shè)置Fig.10 Finite element load setting

    為更直觀地研究吸盤底面各點(diǎn)處的應(yīng)力變化,在等效應(yīng)力圖上,應(yīng)用有限元軟件探針沿吸盤直徑方向依次取11個點(diǎn)進(jìn)行Mises應(yīng)力取值,并繪出吸盤Mises應(yīng)力曲線。

    由圖11可知,柔性膜表面所受應(yīng)力小于內(nèi)部顆粒所受應(yīng)力,原因是柔性膜材質(zhì)柔軟,在受到應(yīng)力后會隨應(yīng)力方向變形,從而將應(yīng)力傳遞給顆粒,外層的顆粒為主要的受力對象。

    圖11 整體應(yīng)力圖Fig.11 Overall stress diagram

    由圖12可知,吸盤在吸附過程中,吸盤和雙孢菇的接觸部分應(yīng)力較大,吸盤中心應(yīng)力相對較小,且吸盤的應(yīng)力集中區(qū)域呈圓環(huán)狀。吸盤有效直徑為圓環(huán)外徑,在采摘不同直徑的雙孢菇時,吸盤的有效直徑會發(fā)生變化,當(dāng)吸盤的有效直徑達(dá)到最大值時,吸附效果最好。

    圖12 吸盤等效應(yīng)力圖Fig.12 Sucker equivalent effect diagram

    由圖13可知,應(yīng)力由邊緣位置到中心位置再到邊緣位置呈類拋物線分布特點(diǎn),中心位置的應(yīng)力較小且較為均衡,邊緣位置應(yīng)力較大且相對中心位置近似對稱分布,表明吸盤對橢圓度較高的雙孢菇的應(yīng)力分布為對稱的,且吸盤表面所受應(yīng)力較為集中。

    圖13 吸盤Mises應(yīng)力曲線Fig.13 Mises stress curve of sucker

    4 氣動回路和控制系統(tǒng)設(shè)計

    4.1 氣動回路設(shè)計

    由于雙孢菇所需采摘力較小,因此選用抽氣打氣兩用的微型真空泵,最大真空度為-70 kPa,選用最大流量為140 L/min、壓力調(diào)節(jié)范圍為1.3~-100 kPa的負(fù)壓調(diào)壓閥。氣動回路如圖14所示,左側(cè)回路為吸氣回路,右側(cè)回路為卸載回路,吸氣回路連接在真空泵的抽氣端,卸載回路連接在真空泵的打氣端。該回路與一般的真空發(fā)生器連接氣路相比,結(jié)構(gòu)更簡單,實(shí)用性更強(qiáng)。同時,對氣路中的電磁閥、氣壓表、過濾器等元件也進(jìn)行了精選,保證了氣路元件本身的密封要求。

    圖14 氣動回路Fig.14 Pneumatic circuit

    氣動回路的工作流程如圖15所示,當(dāng)吸盤到達(dá)指定位置后,電磁閥D1通電、D2斷電,吸氣回路連通,由真空泵產(chǎn)生的真空經(jīng)負(fù)壓調(diào)壓閥調(diào)整后,傳遞到吸盤吸嘴處,吸盤將雙孢菇進(jìn)行吸附。當(dāng)吸盤吸附雙孢菇移動至采集筐上方時,電磁閥D2通電、D1斷電,卸載回路連通,由真空泵打氣端產(chǎn)生的正壓傳遞到吸盤吸嘴處,雙孢菇在正壓作用下脫離吸盤。

    圖15 氣動回路工作流程圖Fig.15 Pneumatic circuit work flow chart

    4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

    末端執(zhí)行器作為采摘機(jī)器人的核心裝置,與采摘機(jī)器人配合完成采摘作業(yè),基于采摘機(jī)器人的控制邏輯為該末端執(zhí)行器開發(fā)了一個控制系統(tǒng),如圖16所示,該控制系統(tǒng)安裝在采摘機(jī)器人上,主要由硬件控制部分和氣動控制部分組成。控制系統(tǒng)有手動和自動兩種控制模式,在采摘作業(yè)中主要使用自動模式。其工作原理為:圖像采集裝置將圖像上傳到工控機(jī),工控機(jī)利用可視化控制軟件計算出雙孢菇的位置后,通過可編程邏輯控制器(PLC)發(fā)送電信號控制步進(jìn)電機(jī)和氣動回路執(zhí)行采摘和分揀動作。PLC發(fā)送第1次電信號,步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行定位程序,將吸盤移動到待采摘的雙孢菇上方;當(dāng)吸盤移動至雙孢菇上方后,PLC發(fā)送第2次電信號,步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行采摘程序,將吸盤下移使之與雙孢菇接觸;當(dāng)吸盤與雙孢菇貼合后,PLC發(fā)送第3次電信號,真空泵啟動,吸氣回路接通,吸盤對雙孢菇進(jìn)行吸附;當(dāng)吸盤將雙孢菇吸附后,PLC發(fā)送第4次電信號,步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行分揀程序,將雙孢菇移至采集筐上方;當(dāng)吸盤移至采集筐上方后,PLC發(fā)送第5次電信號,單控電磁閥接通,吸嘴處產(chǎn)生正壓,將雙孢菇吹落。

    圖16 控制系統(tǒng)流程圖Fig.16 Flow chart of control system

    5 試驗(yàn)

    5.1 拉脫力試驗(yàn)

    5.1.1試驗(yàn)材料及方法

    吸附式采摘末端執(zhí)行器的性能指標(biāo)為末端執(zhí)行器對物體的吸附力,但吸附力難以直接測量,而吸附力與拉脫力有直接關(guān)系,因此通過測量拉脫力的方式驗(yàn)證末端執(zhí)行器的性能。影響末端執(zhí)行器性能的因素有許多種,如吸附負(fù)壓、雙孢菇直徑、柔性膜厚度、顆粒直徑,為明確這幾種因素對末端執(zhí)行器性能的影響,對所試制的末端執(zhí)行器進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)。

    試驗(yàn)使用單立柱電子拉力試驗(yàn)機(jī)(東日儀器有限公司)對雙孢模型進(jìn)行拉脫力試驗(yàn),如圖17所示,末端執(zhí)行器通過連接件固定在拉力試驗(yàn)機(jī)活動端,雙孢菇模型則通過夾持器固定在固定端。試驗(yàn)材料為樹脂材料打印的雙孢菇模型,直徑分別為25、35、45 mm,厚度分別為0.7、0.9、1.1 mm的柔性膜;直徑分別為200、20目的石英和直徑為3 mm的塑料球作為顆粒填充物。

    圖17 試驗(yàn)平臺Fig.17 Test platform

    (1)拉脫力-柔性膜厚度關(guān)系試驗(yàn)

    打開真空泵,使電磁閥都處于關(guān)閉狀態(tài),通過負(fù)壓調(diào)壓閥調(diào)節(jié)負(fù)壓,待壓力調(diào)節(jié)完成后,將拉力試驗(yàn)機(jī)活動端下移,使末端執(zhí)行器與雙孢菇模型接觸并完成仿形,打開電磁閥D1,使末端執(zhí)行器吸附雙孢菇模型,完成吸附后,在PC端上運(yùn)行雙孢菇拉脫力測試程序,拉力試驗(yàn)機(jī)活動端以10 mm/min的速度上移,逐漸脫離雙孢菇模型,直至移動到最高點(diǎn),點(diǎn)擊回零,拉力試驗(yàn)機(jī)活動端回到初始位置,在此過程中,PC端記錄的最大力即為末端執(zhí)行器的拉脫力。選擇直徑為200目的石英顆粒作為填充物,更換安裝厚度為0.7、0.9、1.1 mm的柔性膜,對直徑為 25 mm 的雙孢菇模型進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)。操作拉力試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行雙孢菇拉脫力測試程序,每個試驗(yàn)重復(fù)20次。

    (2)拉脫力-顆粒直徑關(guān)系試驗(yàn)

    選擇厚度為0.9 mm的柔性膜,更換安裝顆粒直徑為200、20目的石英和3 mm的塑料球,對直徑為25 mm的雙孢菇模型進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)。操作拉力試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行雙孢菇拉脫力測試程序,每個試驗(yàn)重復(fù)20次。

    (3)拉脫力-雙孢菇直徑關(guān)系試驗(yàn)

    選擇厚度為0.9 mm的柔性膜,直徑為200目的石英顆粒組成柔性仿形吸盤,更換安裝直徑為25、35、45 mm雙孢菇模型,分別在負(fù)壓為-70~-10 kPa時(壓力間隔為10 kPa)測出拉脫力,每個試驗(yàn)重復(fù)20次。

    5.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

    由拉脫力與柔性膜厚度關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果(圖18)可以得知,柔性膜厚度與拉脫力呈非線性關(guān)系,在同一負(fù)壓下,厚度為0.9 mm的柔性膜的拉脫力最大,1.1 mm次之,0.7 mm最差,表明過薄或過厚的柔性膜的吸附效果都不好。其原因是:過薄的柔性膜缺少穩(wěn)定性,容易產(chǎn)生皺褶影響密封性,過厚的柔性膜的仿形能力不好,容易在接觸面之間產(chǎn)生縫隙影響密封性。

    圖18 拉脫力與柔性膜厚度關(guān)系曲線Fig.18 Relationship curves between pulling force and flexible film thickness

    由拉脫力與顆粒直徑關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果(圖19)可以得知,顆粒直徑和拉脫力呈負(fù)相關(guān),在同一負(fù)壓下,顆粒直徑為200目的細(xì)石英的拉脫力最大,直徑為3 mm的塑料球次之,直徑為20目的粗石英最差。其原因是:不同直徑或形狀的顆粒的仿形能力不同,導(dǎo)致與接觸面之間的密封性不同,從而在相同負(fù)壓下的拉脫力不同。直徑為200目的細(xì)石英呈粉末狀,顆粒之間縫隙最小,與雙孢菇接觸之后,顆粒能夠根據(jù)雙孢菇表面輪廓進(jìn)行仿形,使接觸面之間具有良好的密封性;直徑為3 mm的塑料球表面光滑,形狀為規(guī)則的球體,這種物理特性使塑料球之間的摩擦力較小,與雙孢菇接觸之后,能夠快速移動,對雙孢菇表面輪廓進(jìn)行仿形,但由于塑料球之間的縫隙較大,導(dǎo)致其仿形能力弱于細(xì)石英,接觸面之間的密封性也低于細(xì)石英;直徑為20目的石英直徑較大且形狀不規(guī)則,與雙孢菇接觸之后,顆粒移動速度較慢,而且顆粒之間存在較大的縫隙,導(dǎo)致其仿形能力最弱,接觸面之間的密封性也最低。

    圖19 拉脫力與顆粒直徑關(guān)系曲線Fig.19 Relationship curves between pulling force and particle diameter

    由拉脫力與雙孢菇直徑關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果(圖20)可以得知,拉脫力與雙孢菇直徑呈正相關(guān),同一負(fù)壓下,隨著菇蓋直徑的增大,拉脫力也逐漸增大;拉脫力與負(fù)壓呈近似線性關(guān)系,在拉脫力-負(fù)壓關(guān)系曲線中,其斜率為吸附的有效面積,而斜率在每個負(fù)壓間隔處都有波動,表明吸附的有效面積也發(fā)生了變化,當(dāng)負(fù)壓小于-40 kPa時,3條折線均出現(xiàn)斜率變小的現(xiàn)象,可能的原因:在較高負(fù)壓和較大作用力下,吸盤表面發(fā)生變形導(dǎo)致邊緣漏氣,對拉脫力造成影響;吸盤的開口直徑為25 mm,因此根據(jù)公式(1)計算出吸盤在各個負(fù)壓下吸盤吸力的理論值,但在實(shí)際試驗(yàn)中,拉脫力均大于理論值,其原因是:吸盤的拉脫力與吸附力大小相等,方向相反,吸附力由吸力和摩擦力組成,因此拉脫力大于吸力理論值;負(fù)壓相同時,隨著菇蓋直徑的增大,折線的斜率也逐漸增大,表明吸附的有效面積也隨著菇蓋直徑的增大而增大??赡艿脑颍何P對菇蓋直徑較大的雙孢菇進(jìn)行仿形后,接觸面發(fā)生了變形,導(dǎo)致吸盤有效面積變大。

    圖20 拉脫力與雙孢菇直徑關(guān)系曲線Fig.20 Relationship curves between pulling force and diameter of Agaricus bisporus

    結(jié)合3個拉脫力試驗(yàn)可知,吸附負(fù)壓、雙孢菇直徑、柔性膜厚度和顆粒直徑的改變均會對吸盤的性能造成影響。改變?nèi)嵝阅ず穸然蝾w粒直徑會導(dǎo)致吸盤的仿形效果發(fā)生變化,當(dāng)柔性膜厚度為9 mm、顆粒直徑為20目的石英時吸盤的仿形效果最好。改變吸附負(fù)壓會導(dǎo)致相對壓力發(fā)生變化,改變菇蓋直徑會導(dǎo)致吸附的有效面積發(fā)生變化,這兩種變化都會對吸盤吸附力產(chǎn)生直接影響。

    5.1.3標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤對比試驗(yàn)

    目前常見吸盤為硅膠材質(zhì),本文選用圖21所示的直徑為25 mm的標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤與柔性仿形吸盤(柔性膜厚度為9 mm、顆粒直徑為20目)進(jìn)行對比試驗(yàn),分別將兩個吸盤安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上,對直徑為25 mm雙孢菇模型進(jìn)行拉脫力試驗(yàn),在負(fù)壓為-70~-10 kPa時(壓力間隔為10 kPa)測出拉脫力,每個試驗(yàn)重復(fù)20次。

    圖21 兩種吸盤實(shí)物Fig.21 Two kinds of sucker objects

    由圖22可知,在負(fù)壓相同時,柔性仿形吸盤的拉脫力大于標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤的拉脫力,并且隨著真空負(fù)壓的增大,標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤拉脫力的上升趨勢也逐漸減小。通過觀察兩種吸盤與雙孢菇模型的接觸情況可以發(fā)現(xiàn):標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤和雙孢菇之間是平面與圓弧面之間的接觸,其接觸面形狀為平面,接觸面較小且接觸面之間的密封程度較差;而柔性仿形吸盤和雙孢菇之間是圓弧面與圓弧面之間的接觸,其接觸面形狀為圓弧面,接觸面較大且接觸面之間的密封程度較好。隨著真空負(fù)壓的增大,接觸面之間的密封程度對吸附力的影響會逐漸增大,使兩者的差值也越來越大。

    圖22 兩種吸盤拉脫力試驗(yàn)曲線Fig.22 Pulling force test curves of two suction cups

    5.2 雙孢菇采摘試驗(yàn)

    為驗(yàn)證本文所設(shè)計的雙孢菇采摘末端執(zhí)行器的實(shí)際應(yīng)用效果,在河南洛陽奧吉特食用菌有限公司進(jìn)行了采摘試驗(yàn)。如圖23、24所示,試驗(yàn)使用柔性仿形吸盤和直徑為25、35、45 mm的標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤分別對200個直徑為25~50 mm的雙孢菇進(jìn)行采摘試驗(yàn)。

    圖23 標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘試驗(yàn)Fig.23 Ordinary silica gel sucker picking test

    圖24 柔性仿形吸盤采摘試驗(yàn)Fig.24 Flexible profiling sucker picking test

    采摘試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,柔性仿形吸盤的采摘成功率為98.5%,25、35、45 mm的標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤的采摘成功率分別為90.5%、92.5%、86%;柔性仿形吸盤采摘的平均氣壓為-9.2 kPa,25、35、45 mm的標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘的平均氣壓為-10.3、-9.8、-11.7 kPa。試驗(yàn)結(jié)果表明:在采摘同一批雙孢菇時,柔性仿形吸盤所需負(fù)壓更低,采摘成功率更高。對采摘失敗的雙孢菇觀察后發(fā)現(xiàn),這些雙孢菇形狀畸形或表面存在缺陷,標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤與這些雙孢菇的接觸面之間存在較大的縫隙,無法對其進(jìn)行吸附,而柔性仿形吸盤在面對嚴(yán)重畸形或缺陷的雙孢菇時,也不能夠?qū)ζ渫瓿煞滦危瑥亩鴮?dǎo)致采摘的失敗。

    表2 采摘試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of picking test

    采摘結(jié)束后,對人工采摘、柔性仿形吸盤采摘和標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘的雙孢菇進(jìn)行損傷檢測。損傷檢測結(jié)果如表3所示,其中人工采摘和柔性仿形吸盤采摘的雙孢菇表面均沒有明顯損傷,極少數(shù)雙孢菇表面出現(xiàn)輕微損傷;而標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘的部分雙孢菇表面出現(xiàn)輕微吸痕,少數(shù)雙孢菇表面出現(xiàn)明顯吸痕。綜合評定:人工采摘的采摘損傷率為1%,柔性仿形吸盤的采摘損傷率為2.5%,標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤的采摘損傷率為20.5%。

    表3 損傷檢測結(jié)果Tab.3 Damage detection results

    在3種方式采摘的雙孢菇中,隨機(jī)各取出1個樣本進(jìn)行記錄。如圖25所示,放置2 h后,人工采摘和柔性仿形吸盤采摘的雙孢菇表面基本完整,沒有明顯受損痕跡;標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘的雙孢菇表面則有一道呈圓弧狀的吸痕;放置24 h后,3種方式采摘的雙孢菇表面的菌絲在空氣中氧化變?yōu)榈S色,除此之外,人工采摘的和柔性仿形吸盤采摘的雙孢菇表面基本沒有變化,而標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘的雙孢菇表面的吸痕顏色加深。

    圖25 樣本變化情況Fig.25 Sample changes condition

    通過采摘試驗(yàn)結(jié)果得知:柔性仿形吸盤的采摘成功率為98.5%,高于標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤;柔性仿形吸盤采摘的平均氣壓為-9.2 kPa,低于標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤;柔性仿形吸盤采摘損傷率為2.5%,低于標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤。通過對比試驗(yàn)可知柔性仿形吸盤的采摘效果和控制性能均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤,且能夠滿足雙孢菇的采摘需求。

    6 結(jié)論

    (1)設(shè)計了一種雙孢菇柔性仿形采摘末端執(zhí)行器,該末端執(zhí)行器由柔性仿形吸盤和氣動回路組成,通過仿形提高接觸面之間的密封性,使吸附更加穩(wěn)定。采用單體柔性吸附的采摘方式,不僅避免了雙孢菇在自動化采摘過程中的機(jī)械損傷,也為果實(shí)無損化采摘提供了新思路。

    (2)對柔性仿形吸盤進(jìn)行了有限元仿真,通過吸盤仿形過程有限元仿真確定了吸盤的最佳開口直徑,通過吸盤吸附過程有限元仿真得出了吸盤受應(yīng)力情況,結(jié)果表明吸盤的應(yīng)力集中區(qū)域呈圓環(huán)形,外層的顆粒為主要的受力對象。設(shè)計了采摘?dú)鈩踊芈泛涂刂葡到y(tǒng),實(shí)現(xiàn)了雙孢菇自動化采摘。

    (3)針對末端執(zhí)行器進(jìn)行了拉脫力試驗(yàn),結(jié)果表明拉脫力與吸附負(fù)壓、雙孢菇直徑、顆粒直徑均呈線性關(guān)系,與柔性膜厚度呈非線性關(guān)系。當(dāng)末端執(zhí)行器中柔性膜厚度為9 mm、顆粒直徑為20目的石英時仿形效果最好,并與標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤開展了對比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明同等吸附力柔性仿形吸盤所需負(fù)壓更低。針對尺寸范圍為25~50 mm的雙孢菇進(jìn)行了采摘試驗(yàn),柔性仿形吸盤的采摘成功率為98.5%,并對采后雙孢菇進(jìn)行了損傷檢測,柔性仿形采摘末端執(zhí)行器的采摘損傷率為2.5%。結(jié)果表明,所設(shè)計的柔性仿形采摘末端執(zhí)行器具備適應(yīng)性強(qiáng)、抓取穩(wěn)定、損傷率低等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足雙孢菇自動化采摘需求。

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