單驅(qū)雙夾式草莓末端執(zhí)行器設(shè)計.pdf

單驅(qū)雙夾式草莓末端執(zhí)行器設(shè)計張 曼1， 2， 3， 4， 徐瑞 峰1， 2， 3， 4， 馮青 春2， 4， 王 秀2， 4， 趙春 江1， 3( 1西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院 ， 陜 西 楊凌 712100; 2北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心 ，北京 100097; 3農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室 ， 北京 100081; 4 農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點實驗室 ， 北京 100097)摘 要 : 針對溫室高架栽培草莓自動化采收需要 ， 設(shè)計了一種單驅(qū)雙夾式采摘末端執(zhí)行器 。該末端執(zhí)行器采用單氣缸驅(qū)動 ， 通過在剪短果柄的同時夾持近果實端果柄的方式完成草莓果實采摘 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 、控制方便 、且通用性好 。通過對草莓果實生長形態(tài)參數(shù)和果柄力學(xué)參數(shù)的測量分析 ， 優(yōu)化設(shè)計了采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)模型 ， 并對其果柄夾持和剪切性能進行力學(xué)模型驗證 。關(guān)鍵詞 : 草莓 ; 采摘 ; 末端執(zhí)行器 ; 單驅(qū)雙夾中圖分類號 : S22593; S2203 文獻標識碼 : A 文章編號 : 1003188X( 2019) 060093050 引言草莓 ( strawberry) 因其味道鮮美 、營養(yǎng)價值豐富 、經(jīng)濟效益高 ， 在我國乃至世界各地都被大量種植 。目前 ， 草莓采摘主要依賴人工 ， 收獲季節(jié)作業(yè)量大 ， 勞動強度高 ， 加上幾年來農(nóng)村勞動力大量流失 ， 導(dǎo)致草莓采摘環(huán)節(jié)作業(yè)量占草莓各生產(chǎn)環(huán)節(jié)成作業(yè)量的 40%左右 1。所以 ， 機 械 化采摘技術(shù)成為現(xiàn)階段重點研究課題之一 。作為直接和草莓果實接觸的部分 ， 末端執(zhí)行器的研究顯得尤為重要 。日本近藤直等人設(shè)計的高架栽培草莓采摘機器人 24采用 真 空吸引 、螺旋切割器切斷果柄的方式進行采摘 ; 真空吸附方式采摘 ， 對采摘定位精度要求較低 ， 但容易造成果實損傷 。通過對果柄采摘點進行定位 ， 以夾持和切斷果柄 ， 是目前草莓自動采摘的主要方式 5， 剪切方式包括機械切刀和電 熱 切割兩類 。目前 ， 草莓采摘末端執(zhí)行器存在結(jié)構(gòu)冗余 、控制復(fù)雜及通用性差的問題 6。本文針對目前草 莓機械采摘結(jié)構(gòu)復(fù)雜 、成 本高及易對草莓產(chǎn)生機械損傷等問題 ， 通過測量分析草莓果實和果柄的相關(guān)參數(shù) ， 設(shè)計了一種單驅(qū)雙夾式草莓末端執(zhí)行器 ， 并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化 。收稿 日 期 : 20180323基金項目 : 國家自然科學(xué)基金項目 ( 61703048); 北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助青年骨干個人項目 ( 2015000020060G134)作者簡介 : 張 曼 ( 1992 )， 女 ， 天 津 人 ， 碩 士 研 究 生 ，( E mail)771563749 qqcom。通訊作 者 : 趙春江 ( 1964)， 男 ， 河北定興人 ， 研究員 ， 博士生導(dǎo)師 ，( Email) zhaocj nercitaorgcn。1 末端執(zhí)行器整體方案設(shè)計11 方案 選 擇末端執(zhí)行器的工作是將果實與果柄分離 ， 實現(xiàn)分離通常采用兩種方式 ， 即切斷果梗和扭斷果梗 。其中 ， 扭斷果柄需要對果實進行抓取并施加一定的力 ，所以該方式適合用于一些形狀規(guī)則 、硬度較高且富有彈性的水果采摘作業(yè)中 ， 如橙子 、柚子等 。成熟的草莓果實外形不規(guī)則 ， 表皮易損 ， 高架栽培的草莓成熟后基本處于懸空狀態(tài) ， 遮擋少且果柄軟長 ， 為避免對草莓產(chǎn)生的機械損傷 ， 本末端執(zhí)行器采用剪斷果柄的采摘方式 。為實現(xiàn)對采摘下的果實進行收集 ， 采用“單驅(qū)雙夾 ”的結(jié)構(gòu) ， 實現(xiàn)單氣缸對果柄剪切和夾持機構(gòu)的同步驅(qū)動 ， 滿足采摘和收集要求的同時使機械結(jié)構(gòu)更加簡單和緊湊 。12 虛擬樣機模型溫室內(nèi)高架栽培的草莓成熟后自然垂落在栽培槽外側(cè) ， 莖葉對果實遮擋少 ， 適合剪斷果柄的末端執(zhí)行器作業(yè) 7。末端執(zhí)行器主要由剪刀 、果柄 夾 持塊 、連桿和氣缸組成 ， 如圖 1 所示 。剪刀由下方安裝果柄夾持塊的定刀和動刀組成 ，動刀通過連桿 、Y 型接頭和氣缸的活塞連接 ， 定刀上加工限位孔限制動刀張開閉合角度 。工作過程如下 :視覺系統(tǒng)工作時氣缸處于伸出狀態(tài) ， 剪刀張開 ; 當視覺系統(tǒng)獲得采摘點坐標后 ， 末端執(zhí)行器隨機械臂運動到采摘點 ， 氣缸收縮 ， 帶動 Y 型接頭 、連桿和動刀運動 ， 切斷果柄 ; 由于 “單驅(qū)雙夾 ”的結(jié)構(gòu) ， 在剪刀剪斷果柄的同時 ， 定刀和動刀下方的果柄夾持塊穩(wěn)定的夾持住果柄 ， 隨機械臂運動到果實收集筐上方預(yù)定位置氣·39·2019 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2019.06.017缸伸 出 ， 放 下果實 ， 機械臂復(fù)位 ， 準備下一次采摘 。1夾持 塊 2定刀 3連桿 4動刀5Y 型連接頭 6氣缸圖 1 末端執(zhí)行器虛擬樣機模型Fig1 model of End effector virtual prototype2 草莓采摘末端執(zhí)行器關(guān)鍵部件設(shè)計21 草莓采摘力學(xué)參數(shù)測量末端執(zhí)行器是直 接接觸果實的部件 ， 所 以目標果實的相關(guān)參數(shù)在末端執(zhí)行器的設(shè)計中起到關(guān)鍵作用 。在采摘機器人采摘過程中 ， 由于末端執(zhí)行器設(shè)計失誤而導(dǎo)致采摘失敗的情況時有發(fā)生 ， 如由于剪切力不夠不能完成剪切甚至對植株產(chǎn)生拉扯 、抓取和夾持力過大損傷果實 、抓取和夾持不穩(wěn)定使果實掉落等 8， 所以測 量 果實相關(guān)物理參數(shù)對末端執(zhí)行器的設(shè)計具有重大意義 。本文以北京市昌平區(qū)特菜大觀園草莓采摘棚中 “圣誕紅 ”品種高架栽培草莓果實為研究對象 ，通過對其采摘力學(xué)參數(shù)的測量分析 ， 為末端執(zhí)行器的設(shè)計提供理論依據(jù) 。211 果實生長特性分析果實生長特性是指草莓成熟后垂落在栽培槽兩側(cè) ， 自然條件下相鄰果實之間的距離 。果實分布距離對剪刀張開角度的確定至關(guān)重要 。隨意選取一架草莓 ， 通過直尺測量相鄰成熟果實距離并記錄 。測量結(jié)果顯示 : 相鄰成熟草莓距離大部分分布在 256cm 之間 ， 為典型高架栽培草莓分布 ，如圖 2( a) 、( b) 所示 ; 另外 ， 存在部分草莓成熟后未能下垂至栽培架兩側(cè) ， 如圖 2( c) 所示 ; 部分草莓生長畸形 ， 導(dǎo)致和相鄰果實接觸 ， 如圖 2( d) 所示 。212 果實形態(tài)參數(shù)測量果實形態(tài)參數(shù)主要指果柄直徑和果實質(zhì)量等參數(shù) 。直徑的測量主要針對的是草莓果實果萼上方 1525cm 處的果柄 。因為此長度既為末端執(zhí)行器對采摘下來的果實進行夾持留下空間 ， 也避免果實收集過程中果柄對果實的損傷 。實驗材料為隨機選取的 30個成熟的草莓果實 ， 實驗設(shè)備為游標卡尺及電子秤 。草莓采摘下時用游標卡尺測量果柄直徑 ， 隨后人工在測量處采摘進行其他形態(tài)參數(shù)的測量 ， 包括橫向直徑 、縱向直徑及質(zhì)量 。除質(zhì)量外 ， 每個尺寸分別從 3個不同方向測量 3 次 ， 計算平均值作為測量結(jié)果 。圖 2 草莓 生 長特征圖Fig2 Strawberry growth characteristics將測量結(jié)果整理 并 進行分析 ， 得到草莓物理參數(shù)如表 1 所示 。由表 1 可知 : “圣誕紅 ”品種草莓果柄粗壯 ， 果實較大 ， 形狀較規(guī)則 。表 1 果實 形 態(tài)參數(shù)Table 1 Fruit shape parameters參數(shù)直徑/mm橫向直徑/mm縱向直徑/mm質(zhì)量/g最大 值 229 4445 5862 225最小 值 167 3526 4424 173平均值 200 4027 5161 204213 果柄力學(xué)參數(shù)測量草莓 果 柄力學(xué)參數(shù)主要包括剪切力和抗擠壓力測量 ， 主要為剪切機構(gòu)及夾持機構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù) 。果柄剪切力測量同樣針對草莓果實果萼上方 1525cm 處果柄 ， 抗擠壓力針對剪切下來的靠近果實部分的果柄 。實驗材料 30 個采摘時間小于 2h 且?guī)ПL度大于 25cm 的新鮮果實 。實驗設(shè)備為 MTS 微控電子萬能試驗機 ， 力傳感器量程選擇 0100N， 實驗速度設(shè)定為 50mm/s 和 1mm/s。實驗分為兩部分 ， 第 1 部分進行剪切力實驗 。將30 個草莓平均分為兩組 : 一組做單刃剪切試驗 ， 另一·49·2019 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期組做雙刃剪切力試 驗 。由于兩組試驗草莓樣本不同 ，果 柄直徑也不同 ， 在剪切實驗之前測量并記錄待剪切果柄處直徑 ， 隨后進行剪切試驗 ， 分別記錄剪切力數(shù)值如表 2 所示 。表 2 果柄 剪 切力試驗Table 2 Cutting force test of stems參數(shù)果柄直徑/mm單刃剪切力/N雙刃剪切力/N最大 值 229 1023 568最小 值 167 796 443平均值 200 953 520實驗結(jié)果按照剪切力 ( N) 與果 柄 直徑 ( mm) 的比來表示 ， 比值越小說明越省力 。雙刃的剪切力與果柄直徑比約為單刃的 1 倍 ， 結(jié)果如圖 3 所示 。圖 3 單雙 刃 剪切力比較Fig3 Comparison of Single and double edge shear force第 2 部分 試 驗室果柄抗擠壓試驗 。將 30 份樣本平均分為 3 組 ， 分別進行橡膠 、硅膠和不銹鋼的擠壓實驗 。實驗中 ， 在萬能實驗機兩夾具上安裝 2mm 厚的 3 種材料 ， 分別記錄果柄樣本直徑和對應(yīng)剛好夾持住時萬能試驗機兩夾具的距離 。實驗結(jié)果顯示 : 3 種材料中 ， 相同情況下 ， 夾具距離從小到大依次是硅膠 、橡膠 、不銹鋼 。其中 ， 采用硅膠材料時 ， 剛好夾住果柄到果柄被夾爛的夾具距離范圍是 447482mm。22 關(guān)鍵部件設(shè)計根據(jù)上節(jié)對草莓各項采摘力學(xué)參數(shù)進行測量與分析 ， 本節(jié)運用 SolidWorks 和 CAD 軟件對草莓末端執(zhí)行器的進行設(shè)計 。221 剪切部分結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計剪切部分結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計主要是定刀和動刀的設(shè)計 ， 動刀由氣缸帶動運動 ， 定刀固定于機械臂末端 ， 通過限位孔對動刀運動范圍進行限制 。根據(jù)針對草莓果實 、果柄各項相關(guān)物理參數(shù)測量 ， 確定末端執(zhí)行器采取雙刃剪切 ， 定刀與動刀完全張開時剪刀尖端距離為 40mm。當剪刀尖端距離為40mm、動刀旋轉(zhuǎn)角度為 45°時 ， 確定剪刀其他參數(shù) : 剪刀張開時 ， 整體尺寸為 150mm×60mm;閉合時 ， 尺寸為為 150mm×44mm。定刀和動刀上分別留有兩個 M3螺紋孔 ， 用來安裝夾持塊 。另外 ， 定刀刀柄上留有兩個 M3 螺紋孔用來定位及安裝 。剪切部分二維尺寸圖如圖 4 所示 。圖 4 剪切部分二維尺寸圖Fig4 2D dimension drawing of Cut part222 驅(qū)動部件參數(shù)設(shè)計該末端執(zhí)行器采 用 氣缸驅(qū)動 ， 所以氣缸型號的選擇至關(guān)重要 。根據(jù)曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計原理和定刀結(jié)構(gòu) ( 見如圖 5)， 分別以定刀限位孔兩極限位置畫直徑相同的圓 ， 該圓直徑即為連桿長度 ; 然后 ， 在定刀左側(cè)沿刀柄方向作 1 條直線與兩圓相交 ， 兩交點之間的距離即為氣缸的行程 ， 同時兩點也是連桿與氣缸鏈接端的兩個極限位置 。參考氣缸外形尺寸和剪刀結(jié)構(gòu)的緊湊性 ， 不斷嘗試改正連桿與氣缸行程兩項參數(shù) ， 最后確定連桿長度為 35mm， 氣缸行程為 25mm， 此時末端執(zhí)行器能完成剪刀動刀的完全張開和閉合 。根據(jù)氣缸行程為 25mm， 選擇 SMC 公司生產(chǎn)的型號為 CQ2A1625DM(缸徑 16mm， 行程 25mm) 雙作用氣動緊湊型氣缸 ， 外形尺寸為 29mm×29mm×22mm( 氣缸收縮時 ) ， 活塞桿外螺紋位 M6×10， 固定氣 缸的螺紋為 M4; 配套連接件選擇型號為 FM6X100Y的 Y型接頭 ， 外形尺寸位 12mm×16mm×32mm;連桿長度為35mm。剪切部件和驅(qū)動部件之間通過固定桿和固定板按照設(shè)計參數(shù)進行加工并定位安裝 ， 如圖 6 所示 。·59·2019 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期圖 5 驅(qū)動 部 件設(shè)計示意圖Fig5 Device of Drive part design圖 6 剪切 部 件和驅(qū)動部件關(guān)系Fig6 elative position of Drive and cut part考慮美 觀及安全等因素 ， 將末端執(zhí)行器封裝 ， 整體外形尺寸為 54mm×54mm×190mm，結(jié)構(gòu)簡單 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 無干涉等問題 。實物圖如圖 7 所示 。223 夾持部件參數(shù)設(shè)計單驅(qū)雙夾是指在剪切部件在剪斷果柄時需要同時夾持住連接果實的果柄 ， 分別按照剪切部件的定刀和動刀輪廓設(shè)計塑料材質(zhì)的夾持塊 ， 安裝于定刀和動刀下方預(yù)留的螺紋孔上 。根據(jù)果柄抗擠壓試驗結(jié)論 ，當動刀閉合時兩夾持塊預(yù)留用來粘貼厚度為 2mm 的硅膠墊的間距 。由于草莓果柄既細又軟 ， 硅膠材質(zhì)的摩擦力大且柔軟 ， 用來夾持果柄不僅可以保障夾持穩(wěn)定性 ， 也能減少對果柄的機械損傷 。兩夾持塊間距取48mm。圖 7 末端執(zhí)行器實物圖Fig7 Physical map of End effector3 設(shè)計參數(shù)校核與試驗驗證31 剪 切 校 核對連桿和剪切部件組成的力系簡化并進行受力分析 ， 如圖 8 所示 。圖 8 剪切 部 件受力示意圖Fig8 force of Cut part根據(jù)同一桿件上 合 力為 0、合力偶為 0， 可列出如·69·2019 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期下平 衡 方程 ， 即F3L3= F2L2F2cos = F1lF1= F1l/cosP × A = P × D2 d2( )4= F1/085式中 P氣 體 壓力 ， 取 P=05MPa;D氣缸直徑 ;d活塞桿直徑 。根據(jù)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)可獲得 、L2和 L3， 分別帶 入 以上公式 ， 效率取 085， 得 F364N。由于 64N大于試驗所得果柄雙刃剪切力的最大值 568N， 所以該末端執(zhí)行器可以剪斷草莓果柄 。32 夾持校核利用硅膠墊進行對果柄夾取 ， 首先要計算出草莓果柄會被夾住的兩硅膠墊之間的最小距離 9。假設(shè)果柄在被橡膠墊夾取 時不會產(chǎn)生形變 ， 則 對 1 個硅膠墊而言 ， 形變量計算公式為L=FLEA式中 F單個硅膠墊所受壓力 ， 即草莓果柄所受擠壓力 ( N) ;L硅膠墊原始厚度 ( m) ;A硅膠墊擠壓面橫截面積 ( m2) ;E硅膠墊彈性模量 ( N/m2) 。要保 證 草莓果柄被夾持塊夾住而不掉落 ， 則草莓重力 G 要滿足G F式中 硅膠墊與果柄之間的滑動摩擦因數(shù) ;G草莓果實的重力 ( N) 。綜上所述 ， 聯(lián)立兩式得到LGLEA已知硅膠彈性模量 E= 105N/m2， 摩 擦 因 數(shù) =015， 硅膠墊厚度 2mm， 草莓果實平均質(zhì)量 204g， 草莓果柄平均直徑為 2mm， 則LGLEA065mm即 1 個硅 膠 墊所需形變量為 065mm， 那么兩個硅膠墊就需要 13mm 形變量 ， 所以最終兩硅膠墊間距為 D= 07mm;加上兩硅膠墊總厚度 4mm， 所以兩夾持塊間距為 47mm。滿足試驗結(jié)論 ， 可以對草莓果柄進行穩(wěn)定夾持 。4 結(jié)論針對草莓自動化 采 收需要 ， 設(shè)計了一種氣動單驅(qū)雙夾的采摘末端執(zhí)行器 ， 并測量分析了 “圣誕紅 ”草莓采摘力學(xué)參數(shù) ， 優(yōu)化設(shè)計了末端執(zhí)行器各部件參數(shù) 。在此基礎(chǔ)上 ， 對末端執(zhí)行器果柄夾持和剪切性能進行力學(xué)模型驗證 ， 以確保采摘執(zhí)行可靠 。參考文獻 : 1 宋 健 ， 張 鐵 中 果蔬采摘機器人研究進展與展望 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 ， 2006， 37( 5) : 158162 2 Kondo N， Yata K， Iida M， et al Development of an EndEf-fector for a Tomato Cluster Harvesting obot J Engineeringin Agriculture Environment Food， 2010， 3( 1): 2024 3 Shigehiko Hayashi， Kenta Shigematsu， Satoshi Yamamoto， etalEvaluation of a strawberry harvesting robot in a fieldtest J Biosystems Engineering， 2010， 105: 160171 4 Monta M ， Kondo N ， Ting K C End2effectors for tomatoharvesting robot J Artificial Intelligence eview ， 1998，12( 13) : 1125 5 徐 麗明 ， 張 鐵中 果蔬果實收獲機器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對策 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2004 ， 20( 5) : 3842 6 張凱良 ， 楊 麗 ， 王糧局 ， 等 高架草莓采摘機器人設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 ， 2012， 43( 9): 165172 7 馮 青春 ， 鄭 文剛 ， 姜凱 ， 等 高架栽培草莓采摘機器人系統(tǒng)設(shè)計 J 農(nóng)機化研究 ， 2012， 34( 7): 122126 8 李秦川 ， 胡 挺 ， 武傳宇 ， 等 果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器研究綜述 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 ， 2008， 39( 3) : 175186 9 史慧文 ， 石 慧奇 ， 王繼祥 草莓采摘手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計 J 農(nóng)機化研究 ， 2014， 36( 9): 9498 ( 下轉(zhuǎn) 第 103 頁 )·79·2019 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期structure and working principle and theoretical analysis of the key dimensions of digging parts， the specific the structuresize of key parts of machine digging shovel were obtained Field experiments were carried out on the performance of thewhole machine The test indices that obvious rate of potato excavator was very high and abrasion rate was very low， all ofthe indexes meet the requirements of potato harvest The indicators meet the requirements of the potato harvesting Thisstudy provides a reference for design and research of potato diggerKey words: potato digger; digger blade; lift chain; tworow type( 上接 第 92 頁 )Abstract ID: 1003188X( 2019) 060088EADetection of Seeding Tray Displacement Error andesearch of Control Systemen Ling， Cao Weibin， Ma ui， Wang Ning( Mechanical and Electrical Engineering College ， Shihezi University， Shihezi 832000， China)Abstract: In this paper， the seedling tray conveying control system were studied， the displacement error and correctionmethod were analyzedDue to taking seedling mechanism fixed position， we use the solution of one mitsubishi PLC controltwo motors to achieve the function of seedling plate horizontal and vertical transmission We use GX Developer simulationsoftware realize the control of PLC program designController control two stepper motors drive the seedling plate transverseand longitudinal shift through the pulse signal with the direction of instruction， which make the movement of seeding andthe taker cooperation effective and achieve automationJoint simulation software of PLC and touch screen software， realizethe realtime display of the operation parametersKey words: transplanting seedling plate conveyor; control system; error correction; joint simulation( 上接第 97 頁 )Abstract ID: 1003188X( 2019) 060093EADesign of Singledrive Dualclip Strawberry end EffectorZhang Man1， 2， 3， 4， Xu uifeng1， 2， 3， 4， Feng Qingchun2， 4， Wang Xiu2， 4， Zhao Chunjiang1， 3( 1College of Mechanical and Electronic Engineering， Northwest AF University， Yanling 712100， China; 2Beijingesearch Center of Intelligent Equipment for Agriculture， Beijing100097， China; 3Key Laboratory of Agriinformatics，Ministry of Agriculture， Beijing 100081， China; 4Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agri-culture， Beijing 100097， China)Abstract: Aiming at the need of automated harvesting of greenhouse elevated strawberry， a singledrive and doubleholding picking end effector was designed The end effector adopts a singlecylinder drive to finish picking strawberry Byholding the fruit stems which close to the strawberry， which is compact in structure， convenient in control， and good inversatility By measuring and analyzing the growth morphological parameters and mechanical parameters of the fruit stems，the structural model of the actuator at the end effector was optimized， and the mechanical model of the gripping andshearing performance of the stems was verifiedKey words: strawberry; picking ; end effector; single drive and double holding·301·2019 年 6 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期