火龙果采摘机器人末端执行器设计与试验.pdf

林业工程学报，（）：收稿日期：修回日期：基金项目：江苏省现代农机装备与技术推广项目（）；江苏省重点研发计划项目（）；江苏省重点研发计划面上项目（）；江苏省农业科技自主创新项目（）；南京林业大学 年自制实验教学仪器项目（）。作者简介：张跃跃，男，研究方向为水果采摘机器人。通信作者：王金鹏，男，副教授。：火龙果采摘机器人末端执行器设计与试验张跃跃，田嘉全，王文祥，周佳良，王金鹏，胡皓若（南京林业大学机械电子工程学院，南京）摘 要：火龙果因其具有较高的营养价值，受到越来越多人的欢迎，随着产量上升和人力短缺的矛盾日益突出，亟需机器取代人的智能化采摘技术与装备。为此，设计了一种咬合式椭圆轨迹末端执行器，以期实现以火龙果叶棱为定位基准的快速剪切式采摘，同时实现保证采摘质量的情况下切口长度缩短到与人工剪切相当的目标。对火龙果外形参数进行测量确定末端执行器的尺寸。以不同的加载速度对火龙果进行单刀剪切试验得出剪切力约为 ，通过运动学仿真，得出末端执行器在咬合过程中位移、速度、加速度等参数变化曲线，并判断有无干涉等问题，叶棱剪切长度为 ，保证机构设计的合理性。依据剪切机构受力分析，对动力源进行选型。通过视觉系统，结合压力薄膜传感器反馈压力信号，控制末端执行器对果实进行采摘。以气压值为因素，以单果采摘时间、采摘成功率、剪切叶棱长度为指标，构建末端执行器样机试验平台，并进行了 次试验。根据实验结果，选取 为最佳气压值，此时采摘成功率为，单果采摘时间平均为 ，剪切叶棱长度平均为 。与已有的圆形轨迹末端执行器采摘结果进行了对比分析，结果表明，相比圆形轨迹末端执行器剪切叶棱长度分别减少了，和。果园实地采摘试验发现，同样为最佳采摘气压值，此时采摘成功率为，单果采摘时间为 ，剪切叶棱平均长度为 ，验证了设计的合理性。关键词：采摘机器人；末端执行器；椭圆轨迹；运动学仿真；火龙果中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，第 期张跃跃，等：火龙果采摘机器人末端执行器设计与试验 ，：；随着火龙果市场不断扩大，我国火龙果种植面积不断增加。截至 年，我国火龙果种植面积突破 万，跃居世界首位。火龙果采摘是火龙果产业的重要环节，机械化采收提高了采摘效率，改善了劳动条件，降低了采摘成本。采摘机器人通过末端执行器与果实直接接触对果实进行采摘，末端执行器被认为是采摘环节中最重要的部件，直接影响采摘效率、采摘成功率。国外对于采摘末端执行器研究起步较早。美国 公司研发设计苹果采摘机器人通过真空抽吸系统将果实吸入内部，采摘效率比较高。等研制了猕猴桃采摘机器人，该末端执行器在抓住果实时，将果实向上略微抬升后通过旋转一定角度，将猕猴桃从果茎结合处折断，将果实送入滑槽中从而进入收集装置。但这些末端执行器适用于果实与果柄结合力相对较小的果实，针对采用抽吸的方法采摘果实更容易将叶片以及细嫩枝条吸入管道。意大利卡塔尼亚大学的 等研发的柔性三指夹持柑橘的末端执行器，在视觉的识别定位下柔性三指末端执行器靠近果实并夹住果实，利用圆锯片对果柄进行剪切。但柔性手指适用于质量较轻的果实，同时采用圆形刀片旋转切割容易对周围的果实、枝叶造成一定的损伤。国内对于末端执行器也有一定的研究，但大多采用先夹持后剪切的方式，这些末端执行器采用多个动力源，增加了整体的质量，降低了采摘效率，同时控制系统较为烦琐，很难应用于实际采摘环节中。本研究针对火龙果生物学特性，克服已有末端执行器的不足，设计了一种咬合式椭圆轨迹末端执行器，制作物理样机，构建物理样机平台，并对其工作性能进行试验。末端执行器设计所设计的末端执行器主要由机械结构、控制系统和视觉系统组成，本研究主要对末端执行器的机械结构与控制系统进行设计。末端执行器整体设计及工作原理采摘对象台湾红心火龙果质量范围为 ，长径为 ，横径为 。红心火龙果有棱角且呈逆向生长状态，在进行采摘过程中，工人一手握住火龙果，另一只手持剪刀分两次剪切果实与枝条结合部位，枝条被剪切轮廓呈“”字形。根据采摘方式，本研究提出了咬合式椭圆轨迹末端执行器，该方式可降低对火龙果识别精度的要求，采用气缸驱动，提高采摘效率。末端执行器主要包括：剪切机构、压力薄膜传感器装置与机械臂连接的手腕连接件等（图），其中剪切机构是关键机构。剪切机构采用咬合的方式由双摇杆机构组成，刀片安装在刀片支撑架上，气缸通过动力传动推板、连杆驱动双摇杆机构实现上下刀片咬合运动。压力薄膜传感器采用 电阻式薄膜压力传感器，阈值力为 ，压力薄膜传感器的位置可通过压力薄膜传感器支撑架进行前后调节。整个装置通过手腕连接件与机械臂末端进行连接。压力薄膜传感器安装架；压力薄膜传感器；压力薄膜传感器支撑架；刀片支撑架；支撑铝板；手腕连接件；双轴气缸；动力传动推板；连杆；摇杆一；摇杆二；主框架板；刀片。图 末端执行器结构示意图 在仿真软件中按照 对剪切机构运动轨迹进行模拟，结果为类椭圆形，根据其上下对称特点拟合椭圆图（椭圆图比例为），如图 所示。椭圆的标准方程为：式中：为 ；为 ；正常情况下剪切叶棱宽度 范围为 ，通过计算得出剪切叶棱宽度范围为 。采摘时，上下刀片处于分开状态。当安装在机械臂上的双目相机识别到果实时，机械臂带动末端执行器不断靠近果实，当压力薄膜传感器安装架上的压力薄膜传感器触碰到叶棱有一定的压力时，气林 业 工 程 学 报第 卷图 末端执行器运动轨迹图及拟合椭圆图 缸进气，气缸的输出轴伸出，带动双摇杆机构运动，带动上下刀片运动，使刀片相错咬合，剪切果实。采摘完成后，气缸输出轴回缩，带动摇杆机构运动，使啮合的刀片复位，完成一次果实采摘。火龙果剪切特性不同种类水果采摘所需要的剪切力不同，同一种类水果剪切力也会有差别。火龙果剪切力的大小与火龙果剪切速度有关，本研究选用柔韧性较好的不锈钢刀片进行剪切试验。通过不同厚度刀片的剪切试验，得出刀片的厚度对剪切力大小几乎没有影响。本研究选用 厚度不锈钢刀片对火龙果进行单刀剪切，加载速度分别为，分 组进行，每组 个，共对 个肉质茎直径为 的火龙果进行剪切试验，结果如表 所示。表 不同加载速度对火龙果单刀剪切试验结果 序号果实质量加载速度（）肉质茎直径峰值剪切力 采用不同加载速度进行剪切试验，结果表明：果实最大切断力为 ，最小切断力为 ；随着加载速度的不断增加切断力在不断减小。根据末端执行器上下左右对称的特点，为了确保将果实顺利采摘下来，所需要的剪切力约 。剪切机构受力分析对火龙果剪切试验可以得出剪切火龙果阻力（）约为 ，对剪切机构闭合的一瞬间进行受力分析如图 所示，并计算气缸的推力（），选用合适的气缸作为动力源。（）（）（）（）（）式中：为；为；为；为。计算得出 为，为，根据力的大小选择合适的动力源。上述剪切试验所求的剪切阻力 是在低速静载运动的条件下得出的，在实际工作时气缸驱动剪切机构高速咬合，在其中会有一定的冲击力。因此，所需要的推力小于气缸产生的推力，气缸运动速度可达到 ，所以在选择气缸时可以考虑输出力相对较小的气缸，以降低整体质量。查询亚德客型号气缸 在 空气压力作用下，其理论输出力为 ，又因为气缸质量较轻，所以选用该气缸作为动力源，为末端执行器剪切提供动力。图 椭圆机构受力局部图 第 期张跃跃，等：火龙果采摘机器人末端执行器设计与试验 椭圆轨迹末端执行器运动学仿真分析为了便于直观地了解刀片在运动过程中位移、速度、加速度等变化曲线，将 里的末端执行器三维模型图导入 仿真软件后得到虚拟样机。本研究对上刀片进行仿真分析，对模型材料进行定义，施加转动、移动以及动力等约束，对其进行运动学仿真分析得到速度、加速度等曲线，如图 和图 所示。双轴气缸运动 时，上下刀片啮合，在 的推力下，刀片运动平稳，没有产生突变，整个机构没有明显冲击力，无任何干涉等问题，结构比较合理。图 刀片速度与角速度变化曲线 图 刀片加速度与角加速度曲线 椭圆轨迹末端执行器控制系统设计火龙果采摘系统与其末端执行器分别有独立的控制系统。本研究选用 双目立体相机作为视觉系统，用于获取火龙果图像数据；选用 系统作为移动端嵌入式系统，将模型部署到该系统中，用于计算处理火龙果图像进行识别定位；机械臂选用南京种子智能科技公司的 六轴机械臂，作为机器视觉系统的下位机；采摘末端执行器则以 单片机作为核心控制系统。压力薄膜传感器专用线性电压转换模块将电阻信号转变为高低电平信号，压力薄膜传感器设定的阈值力为 。当接收压力大于设定的阈值时，单片机便输出高电平，工作电压 。继电器接收到高电平信号时，路继电器开关均闭合，继电器控制电磁阀打开，双轴气缸伸长驱动剪切机构咬合运动，工作电压为直流，电磁阀工作电压为直流 。末端执行器的控制系统结构如图 所示，控制流程图如图 所示，通过计算机编程实现对火龙果的机械化采摘。图 控制系统结构 图 末端执行器控制流程 平台构建与采摘试验 平台构建根据前述三维模型的建立及仿真分析结果，加工制作末端执行器样机与本课题组已有末端执行样机。压力薄膜传感器安装在末端执行器上的林 业 工 程 学 报第 卷压力薄膜传感器安装架上，气缸作为动力源安装在主框架板的两侧，将末端执行器安装到机械臂上，自动化采摘装置平台的构建如图 所示。采摘果实；叶棱；压力薄膜传感器；末端执行器；机械臂；双目立体相机；人机交互界面；控制盒。图 末端执行器样机与采摘装置平台 椭圆轨迹末端执行器采摘试验 试验材料）六轴机械臂、双目立体相机、控制盒、电脑显示器；）采用带有火龙果果实的枝条模拟火龙果基地采摘场景；）实验记录设备：秒表、游标卡尺。试验方法在实验室模拟大棚火龙果生长状态进行采摘试验，末端执行器的剪切力与气缸的运行速度有关，气缸运行速度与气压值有关，一般情况下气压值越大，气缸运动速度越快，对火龙果剪切时的冲量越大。本次试验气压值采用 ，分 组进行，每组进行 次共对 个肉质茎范围为、的火龙果随机进行采摘试验。以上下刀片咬合并张开为单果采摘时间，以成功采摘无损果实次数与采摘总次数的比值为采摘成功率。其中无损采摘的定义为：采摘下来的果实未受到任何损伤。统计单果采摘时间、采摘成功率、剪切叶棱长度、剪切叶棱宽度、肉质茎范围等，火龙果采摘试验过程如图 所示。实验结果分析如表 所示。图 火龙果实验室采摘试验 表 椭圆轨迹末端执行器采摘试验结果 气压值采摘成功率 单果采摘时间 肉质茎范围 剪切叶棱平均长度 从试验结果得出，气压值在 时采摘成功率最大，最大为；在 时采摘成功率最低，最低为。单果采摘时间随着气压值的增加而减少，气压值在 时采摘时间最低，采摘平均时间为 ；但在 时由于气压值比较大，采摘末端执行器在采摘过程中有一定的振动，剪切叶棱长度相对较长。剪切叶棱平均长度分别 和 。在 时采摘成功率略低于 时的采摘结果。可将 作为最佳气压值，此时采摘成功率为，单果采摘时间平均为 ，剪切叶棱平均长度为。圆形轨迹末端执行器采摘对照试验利用相同的实验方法对本课题组已有的圆形轨迹末端执行器进行相同的采摘试验，试验结果如表 所示。表 圆形轨迹末端执行器采摘试验结果 气压值采摘成功率 单果采摘平均时间 肉质茎范围 剪切叶棱平均长度 由采摘试验结果分析可以发现，气压值在 和 时采摘成功率最大，均为；在 时采摘成功率最低，最低为。单果采摘时间与椭圆轨迹末端执行器剪切试验结果相差不大，但在叶棱剪切长度上相差较大。对比分析可以发现，气压值在 时，圆形轨迹末端执行器剪切叶棱平均长度分别为，而椭圆轨迹末端执行器剪切叶棱平均长度分别为，。椭圆轨迹末端执行器剪切叶棱长度相较于圆形轨迹末端执行器剪切叶棱长度分别减少了，和。由此可知，椭圆轨迹末端执行 第 期张跃跃，等：火龙果采摘机器人末端执行器设计与试验器在采摘过程中减小了对火龙果叶棱的损伤，可降低火龙果植株感染病害的风险。果园实地试验本次试验采用 和 气压值对大棚火龙果随机进行剪切，试验分 组进行，每组随机采摘 次，共对 个肉质茎直径为 的火龙果进行剪切，统计末端执行器采摘成功率、单果采摘时间、肉质茎直径、剪切叶棱长度等。火龙果采摘试验过程如图 所示，试验结果分析如表 所示。图 火龙果实地采摘试验 表 试验结果分析 气压值采摘成功率 单果采摘平均时间 剪切叶棱平均长度 肉质茎范围 由表 可知，随着气压值增大，单果采摘时间不断减小。由于气压值增大，末端执行器振动幅度相对较大，导致气压值在 时采摘成功率、剪切叶棱平均长度略高于气压值为 时。气压值在 时采摘成功率为，单果采摘时间为 ，剪切叶棱平均长度为 ，略低于相同气压值下实验室采摘试验值，原因是果园环境比较复杂，且果实倾斜角度相对较大。结 论）针对火龙果生物特性设计了一种椭圆轨迹末端执行器，剪切机构运行轨迹为类椭圆形，由双摇杆机构组成。对火龙果以不同的加载速度进行采摘试验得出所需要的剪切力约为 。通过理论分析选用合适动力源，并对末端执行器进行运动学仿真分析，最后加工制作物理样机。）实验室环境下以 气压值对椭圆轨迹末端执行器、圆形轨迹末端执行器进行采摘试验，每种气压值下对 个火龙果进行采摘试验，试验结果发现，椭圆轨迹末端执行器剪切叶棱平均长度分别为，。圆形轨迹末端执行器剪切叶棱平均长度分别为，相较于圆形轨迹末端执行器剪切叶棱长度分别减少了，两种末端执行器均在气压值为 时采摘效果最佳。果园实地采摘试验结果表明，气压值同样在 时采摘效果最佳，此时采摘成功率为，单果采摘时间为 ，剪切叶棱平均长度为 。参考文献（）：范超 火龙果开启乡村振兴火红路 经济参考报，（），（）李会宾，史云 果园采摘机器人研究综述 中国农业信息，（）：，（）：，：，：，：，：尹吉才 新型苹果采摘机器人的研究 兰州：兰州理工大学，：，：，（）：，：戎毫 基于果梗分离采摘方式的猕猴桃采摘末端执行器研制 杨凌：西北农林科技大学，：，崔永杰，马利，何智，等 基于最优空间的猕猴桃双臂并行采摘平台设计与试验 农业机械学报，（）：，林 业 工 程 学 报第 卷，（）：，：，：，：，（）：彭艳，刘勇敢，杨扬，等 软体机械手爪在果蔬采摘中的应用研究进展 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