獼猴桃采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

　　摘要:進(jìn)行了棚架式栽培模式自然生長(zhǎng)條件下簇生獼猴桃無(wú)損采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的研究?；诠麑?shí)與果柄的分離特性，提出面向機(jī)器人的果實(shí)采摘方法和簡(jiǎn)化幾何模型，進(jìn)行了果實(shí)與果柄分離試驗(yàn)的可行性驗(yàn)證;基于果實(shí)采摘方法設(shè)計(jì)了從底部接近、旋轉(zhuǎn)包絡(luò)分離毗鄰果實(shí)并抓取、向上運(yùn)動(dòng)分離果實(shí)的末端執(zhí)行器，并試制樣機(jī)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)。結(jié)果表明，采摘模型能夠?qū)崿F(xiàn)果實(shí)與果柄的分離，末端執(zhí)行器解決了毗鄰果實(shí)分離問題，能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)果實(shí)穩(wěn)定抓取、無(wú)損采摘和采后抓持，成功率達(dá)到96.0%，平均單果耗時(shí)22s。

　　關(guān)鍵詞:獼猴桃采摘機(jī)器人無(wú)損采摘末端執(zhí)行器

　　引言

　　中國(guó)是世界上獼猴桃種植面積最大的國(guó)家，但目前靠人工采摘，是獼猴桃種植中最費(fèi)時(shí)費(fèi)力的環(huán)節(jié)。因此，研究獼猴桃采摘機(jī)器人具有重要意義［1］。

　　1果實(shí)采摘方法

　　1.1果實(shí)采摘簡(jiǎn)化幾何模型

　　獼猴桃成熟時(shí)，果柄與果實(shí)形成以維管束為主要組織結(jié)構(gòu)的離層。維管束是一種管狀空心纖維組織，能承受較強(qiáng)的拉應(yīng)力，但不易承受剪切力。果實(shí)脫落的主要原因是果柄離層受剪切力作用，導(dǎo)致維管束被折斷［16］。末端執(zhí)行器在抓取果實(shí)后以其尺寸為半徑旋轉(zhuǎn)，使果柄與果實(shí)慣性軸成一定夾角，同時(shí)產(chǎn)生對(duì)果柄離層的剪切作用折斷果柄。果柄與果實(shí)慣性軸的夾角越大，剪切效果越明顯，果柄分離力越小。人工采摘獼猴桃時(shí)動(dòng)作為:手指抓住果實(shí)后，以果實(shí)果柄連接處后為支點(diǎn)，在豎直平面內(nèi)旋擰果實(shí)將果實(shí)果柄連接處折斷［7］。利用人手的包容性和手指的多關(guān)節(jié)保證果實(shí)采摘后不掉落。但受目前技術(shù)水平的限制，末端執(zhí)行器難以達(dá)到人手的靈活性。因此，末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)既要實(shí)現(xiàn)果實(shí)與樹枝的分離，又要保證果實(shí)分離后不掉落，且對(duì)果實(shí)的夾持力不能太大。此外，機(jī)器人采摘過程中，末端執(zhí)行器有固定支點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)以末端執(zhí)行器的尺寸為半徑旋轉(zhuǎn)。為此，提出如圖1所示果實(shí)采摘簡(jiǎn)化幾何模型。末端執(zhí)行器將果實(shí)包住后，通過旋轉(zhuǎn)向上運(yùn)動(dòng)，使果柄與果實(shí)慣性軸形成一定角度產(chǎn)生剪切力從而使果實(shí)與果柄分離，并利用末端執(zhí)行器的包容性保證果實(shí)不掉落。因此，需研究果柄與果實(shí)慣性軸夾角及預(yù)設(shè)末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)角度。

　　1.2果柄分離試驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證所提出的采摘方法的可行性，并研究果柄與果實(shí)慣性軸成一定角度分離果柄時(shí)所需要分離力的大小，設(shè)計(jì)了果柄分離試驗(yàn)。

　　2末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

　　2.1總體結(jié)構(gòu)與工作原理

　　獼猴桃栽培特點(diǎn)是果實(shí)底部空間大遮擋少，結(jié)合目標(biāo)果實(shí)采摘信息，末端執(zhí)行器從果實(shí)底部更易實(shí)現(xiàn)毗鄰果實(shí)分離與無(wú)損采摘［17］。根據(jù)基礎(chǔ)試驗(yàn)和簡(jiǎn)化幾何模型，針對(duì)獼猴桃的簇生特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了從果實(shí)底部接近、仿生手指旋轉(zhuǎn)包絡(luò)分離毗鄰果實(shí)并抓取，向上旋轉(zhuǎn)分離果柄的末端執(zhí)行器。它有3個(gè)自由度，主要由接近機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成［18］。其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示

　　2.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.2.1接近機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　接近機(jī)構(gòu)是末端執(zhí)行器微調(diào)部分，由直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)I的絲杠螺母結(jié)構(gòu)、機(jī)架I、滑塊I和導(dǎo)桿構(gòu)成。導(dǎo)桿通過滑塊I與絲杠螺母結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)螺母聯(lián)接，帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從底部接近果實(shí)。由于同簇果實(shí)高低分布不超過100mm，將接近機(jī)構(gòu)的有效行程設(shè)計(jì)為150mm，即可實(shí)現(xiàn)同簇果實(shí)一次性采摘。電動(dòng)機(jī)行程安全和復(fù)位原點(diǎn)通過安裝在機(jī)架I上的2對(duì)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)。

　　2.2.2夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　由于自然生長(zhǎng)條件下獼猴桃多簇生，為實(shí)現(xiàn)單個(gè)采摘，首先需要完成毗鄰果實(shí)分離。獼猴桃果實(shí)近似橢圓形，相鄰果實(shí)底部形成人字形毗鄰間隙，利用此特點(diǎn)，手指可從果實(shí)底部旋轉(zhuǎn)上升伸入毗鄰間隙，逐漸包絡(luò)分離毗鄰果實(shí)，最后實(shí)現(xiàn)前后夾持、抓取。

　　3采摘試驗(yàn)

　　3.1試驗(yàn)材料與方法

　　采摘試驗(yàn)于2013年10月在西北農(nóng)林科技大學(xué)眉縣獼猴桃試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)利用高度可調(diào)的三腳架代替機(jī)械臂固定末端執(zhí)行器，通過激光輔助手動(dòng)使末端執(zhí)行器原點(diǎn)(2個(gè)紅外傳感器中心位置)與果實(shí)花萼(果實(shí)中心點(diǎn))在同一垂直線上，然后由末端執(zhí)行器自行完成接近、抓取、分離果柄和釋放果實(shí)等動(dòng)作。

　　3.2結(jié)果與分析

　　3.2.1果實(shí)采摘過程受力分析

　　圖9所示為果實(shí)采摘過程的力學(xué)特性曲線。由圖中可知，整個(gè)采摘過程可分為3個(gè)階段:首先是抓持過程，隨著手指的合攏壓力逐漸增大。達(dá)到預(yù)設(shè)壓力后，進(jìn)入第2階段即果柄折斷過程，此時(shí)由于果柄先處于松弛階段然后逐漸受拉力作用，因此壓力在預(yù)設(shè)壓力附近先波動(dòng)后增大，這與簡(jiǎn)化幾何模型中果柄的運(yùn)動(dòng)過程一致。果柄分離瞬間果蒂達(dá)到了所能承受的最大剪切力果柄與果實(shí)分離，進(jìn)入后抓持過程，即第3階段，后抓持過程壓力在預(yù)定壓力附近較小范圍波動(dòng)說(shuō)明壓力傳感器工作正常。很明顯，曲線的變化過程與實(shí)際理論相符。果柄在分離瞬間，曲線出現(xiàn)明顯波動(dòng)，據(jù)此選擇適當(dāng)閾值，判斷果柄與果實(shí)分離，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

　　3.2.2采摘效果

　　圖10所示為果實(shí)樣本的采摘效果。圖10a為從果實(shí)底部拍攝的目標(biāo)樣本，果實(shí)簇生，相鄰之間有毗鄰間隙。末端執(zhí)行器利用此毗鄰間隙成功實(shí)現(xiàn)了毗鄰果實(shí)的分離，毗鄰果實(shí)分離成功率100%。圖10b中果柄脫落干凈，果蒂部分可明顯看到構(gòu)成果柄離層的維管束組織，其組織如前所述呈束狀分布在果柄周圍。

　　4結(jié)論

　　(1)提出了一種面向機(jī)器人的自然生長(zhǎng)條件下簇生獼猴桃果實(shí)的無(wú)損采摘方法，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法具有可行性。

　　(2)設(shè)計(jì)了一種從果實(shí)底部接近、旋轉(zhuǎn)包絡(luò)分離毗鄰果實(shí)并抓取的末端執(zhí)行器，采用末端執(zhí)行器向上旋轉(zhuǎn)方式分離果柄，有效解決了毗鄰果實(shí)分離和無(wú)損采摘的問題。

　　(3)通過現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，該末端執(zhí)行器對(duì)毗鄰果實(shí)的分離成功率100%，采摘成功率在96.0%以上，單果平均耗時(shí)22s。

　　(4)果實(shí)帶果柄原因是果實(shí)存在成熟度的差異，未成熟果實(shí)所需果柄分離力較大，末端執(zhí)行器與果實(shí)慣性軸夾角較大時(shí)不利于果柄離層折斷。下一步將結(jié)合機(jī)器視覺和機(jī)械臂進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　1崔永杰，蘇帥，王霞霞，等．基于機(jī)器視覺的自然環(huán)境中獼猴桃識(shí)別與特征提?。跩］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(5):247－252．CuiYongjie，SuShuai，WangXiaxia，etal．Ｒecognitionandfeatureextractionofkiwifruitinnaturalenvironmentbasedonmachinevision［J］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2013，44(5):247－252．(inChinese)

　　2李秦川，胡挺，武傳宇，等．果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究綜述［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(3):175－179．LiQinchuan，HuTing，WuChuanyu，etal．Ｒeviewofend-effectorsinfruitandvegetableharvestingrobot［J］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2008，39(3):175－179．(inChinese)

　　傅隆生1張發(fā)年1，2槐島芳德3李楨1王濱1崔永杰1

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