文档介绍：该【脐橙采摘机器人末端执行器设计与试验 】是由【科技星球】上传分享，文档一共【22】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【脐橙采摘机器人末端执行器设计与试验 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。脐橙采摘机器人末端执行器设计与试验??徐丽明,刘旭东,张凯良,邢洁洁,袁全春,陈俊威,段壮壮,马帅,于畅畅(中国农业大学工学院,北京100083)0引言脐橙营养丰富,具有很高的食用、药用价值,广受大家的喜爱。根据赣州市果业局统计,,总产量300万t,是全世界种植面积最大,全国第一的脐橙产区[1]。随着脐橙种植面积和产量的增加,赣南脐橙已经发展成为集种植生产、仓储物流、精深加工于一体的产业集群,脐橙无损采摘向机械化、智能化发展是必然趋势。而末端执行器作为采摘机器人的重要装置之一,其工作效率直接影响到采摘作业的成功率、速度和损伤率[2]。国外对于果蔬采摘机器人末端执行的研究起步较早,研究领域较广[3-6]。其中,Bac等[7]设计了一种甜椒采摘末端执行器,采用真空吸盘吸附与气动唇形切刀切割果梗相结合的采摘方式;Silwal等[8]设计了一种苹果采摘末端执行器,采用绳驱动3指包络夹持果实的采摘方式;而国内对于果蔬采摘末端执行器的研究相对较晚[9],近年来发展较快,在黄瓜、草莓以及番茄等[10-14]领域都取得一定的进展,傅隆生等[15]设计了一种猕猴桃采摘末端执行器,采用3个电机驱动机构(吸附、夹持、旋转分离)的采摘方式,单果采摘时间为22s,采摘速度较低;叶敏等[16]设计了一种荔枝采摘末端执行器,采用拟人指夹持果梗并结合旋转切刀切割果梗的方式,不适合类球簇生型果蔬的采摘;张水波[17]设计了一种柑橘采摘末端执行器,采用气动柔性三指抓握与气动马达驱动割刀切割果梗的采摘方式,结构尺寸较大。国内学者设计的末端执行器控制系统普遍是基于单片机独立开发设计,与机械臂的集成度较低。由于脐橙的生长特性和生物特性与其他果蔬具有一定的差异性,现有设计方案无法直接运用。因此,本文在脐橙生物力学特性与静力学分析的基础上,利用气动机构速度快、电动机构精度高的特点,设计一种采摘速度高、控制难度低、与机械臂集成度高的脐橙采摘末端执行器。研制试验样机进行脐橙采摘试验,验证机构的合理性,以期为后期脐橙采摘机器人的整体设计提供技术支持。1末端执行器的机构组成与工作原理所设计的末端执行器主要由机械部分、控制系统和视觉系统组成,本文主要进行机械部分和控制系统的研究设计,视觉系统采用现有的研究技术。,末端执行器主要包括:与自主设计的机械臂相连接的连接架、吸附机构、夹持机构、旋切机构等,以及搭载的视觉系统(不涉及其研究开发),其中夹持机构是关键机构。吸附机构主要由下气缸(型号XC10×60)、真空吸盘(型号ZP25DS)、吸盘支座等部分组成。旋切机构主要由上气缸(型号TD10×40)、锯齿圆盘切刀、切刀护罩、切刀连接架、强磁高速直流电机(型号RS550,24V)等部分组成。由于末端执行器手指的自由度越多,抓取动作越为灵活,抓取效果也越好,但其系统的复杂程度、成本和控制难度也都会因此而增加[18]。因此,本文基于欠驱动原理,采用两指式夹持机构,以一个电机作为动力输出即可,此机构由V型手指、缓冲材料(硅胶)、电阻式薄膜压力传感器(型号FSR402,量程10kg,精度±5%~±25%)、提供动力的步进电机(型号42HS4817A4,?M,°)、连接电机轴和滚珠丝杠的梅花联轴器(BF系列)、将转矩转化为推力的滚珠丝杠机构(型号SFU1204-3)、安装于丝杠螺母上的螺母座、连接手指底座和螺母座的连杆、导向轴等部分组成。-,视觉系统不断获取目标果实和果梗的位姿,机械臂进行位姿调整,定位完成后末端执行器开始工作。为了避免果簇中其它果实对采摘作业的干扰以及末端执行器对果簇的损伤,除了需要机械臂的避障和轨迹规划之外,还需要末端执行器进一步将脐橙单果从果簇中分离。本文利用下气缸推动真空吸盘作为吸附机构接近并吸附果实,下气缸推杆复位后,果实可被吸盘拉拽远离果簇且果梗位于2个V型手指所在的中心平面。之后,夹持机构开始工作,步进电机驱动滚珠丝杠带动螺母座(滑块)向前移动,从而推动连杆拉动安装于手指底座(曲柄)上的2个V型手指对果实进行包络夹持,当手指表面的电阻式薄膜压力传感器所受正压力达到设定的安全阈值之后,步进电机停止转动同时吸盘关闭。然后,旋切机构开始工作,上气缸推杆推动由强磁高速直流电机驱动的高速旋转的切刀实现对果梗的旋切,果实与果梗的分离后,上气缸推杆复位同时强磁高速直流电机停止工作。最后,末端执行器夹持脐橙跟随机械臂运动到果实收集区,夹持机构复位卸果从而完成单果采摘作业。[19]中,三级果到特级果的横径范围为60~95mm。而实际调研数据显示,果实最大外形尺寸(r×c)×,最小外形尺寸(r×c)×51mm,有部分果实横径不满足级数标准要求,故本文将横径超过标准规定范围的果实定义为畸形果。由于畸形果数量较少,本文只考虑采摘横径范围为50~100mm的脐橙,其他特例不在本文考虑范围中。选取纽荷尔脐橙为研究对象,选取30个成熟果实对其形状尺寸进行测量计算,得到脐橙果形指数(果实纵径与横径的比值)为1~。由此定义脐橙模型为标准长椭球体,果实表面任意一点的坐标(x,y,z)满足方程(1)。式中r为脐橙横径,mm;c为脐橙纵径,mm。以脐橙横径范围为指标,以脐橙赤道面为基准进行夹持机构建模(图3)。为保证手指指节内表面与可采横径范围的任意脐橙在夹持时都有4个相切点,以保证4个传感器都能实时反馈压力值,本文利用CAD对手指相关参数进行模拟优化,最终得到理想参数:远指指节长度l1为35mm,近指指节长度l2为35mm,两者夹角θ为140°,手指底座长度l4为31mm、连杆长度l5为60mm。为防止手指指根与吸盘外径干涉,取手指指根长度l3为38mm。当手指底座(曲柄)处于水平极限位置时夹持范围最小,此时夹持直径Dmin为50mm,当手指底座(曲柄)相对支点O的转角δ为20°时,手指有效夹持范围达到最大,此时夹持直径Dmax为100mm。为保证机构不存在死点同时减小机构的结构尺寸,本文采用对心式曲柄滑块机构作为传动机构[19],在转动角0°≤δ<20°的范围,若正压力设计合理,可实现两V型手指对脐橙的稳定包络夹持。,第i个接触点的受力主要为正压力Ni、竖直方向摩擦力fi、水平方向摩擦力fi'。另外,脐橙还受吸盘吸附时的支持力Nq,其主要受力分析如图4所示。,当吸盘停止工作后吸附力消失,此时脐橙能被稳定夹持而不滑落的临界条件为果实重力等于果实与手指之间的最大静摩擦力[20],见式(2)。设最小正压力为Nmin,其值应满足式(3)。由于两手指对脐橙的作用点和作用力是关于Z轴对称,每个接触点所受的正压力Ni大小相等。在此条件下,要达到稳定夹持质量最大的果实,最小正压力Nmin应满足条件式(4)。式中mmax为脐橙果实最大质量,kg;g为重力加速度,;μ为脐橙果皮与缓冲材料的摩擦系数。在V型手指上压力传感器表面粘贴一定的缓冲材料[9]可以增大摩擦系数,提高手指表面柔顺度,进而可以减小所需输出的正压力,同时可以减小夹持过程中可能会产生的机械损伤,有利于实现柔顺抓取。不同缓冲材料与脐橙果皮的摩擦系数不同,常见的缓冲材料有3种:橡胶、硅胶和珍珠棉,为确定其中最佳的缓冲材料。利用MXD-02摩擦系数仪对脐橙果皮与不同缓冲材料进行摩擦试验,试验速度为100mm/min,每种摩擦材料分别在200和500g的不同加载质量下进行5次重复试验,然后对摩擦系数取平均值,得到平均摩擦系数表(表1)。由表可知:3种试验材料中,硅胶与脐橙表皮的摩擦系数最大,故选硅胶作为缓冲材料,。表1不同材料与脐橙表皮的平均静摩擦系数Table1Averagestaticfrictioncoefficientofdifferentmaterialsandnavelorangeskin为确定最小正压力Nmin,需根据式(4)对不同横径果实测量质量,经测得,果实最大质量约为360g。考虑到脐橙的变异性,取果实质量400g,%的裕量系数进行计算,。另外,若正压力过大会对脐橙造成生物组织破坏,因此需对脐橙进行压缩试验[21-28]以确定脐橙无损采摘的最大正压力Nmax。本文取不同果形的脐橙10个,均分2组(每组5个),采用平板压头(45mm×70mm),分别以100和200mm/min的加载速度进行加载,得到载荷位移曲线如图5所示。由图5可知,无论是相同加载速度还是不同加载速度,脐橙的生物屈服点都位于位移量为10~20mm之间,且破裂点位于生物屈服点之后约10mm处。在位移量小于5mm时,其载荷/位移曲线成同一线性关系。因此,位移量5mm处可视为弹性变形极限点,为了有效防止位移量过大出现生物组织损伤,同时减小输出动力以降低能耗,本研究取最大位移量Dmax为5mm,。~。,在赤道平面内对脐橙进行水平方向受力分析,如图6所示,脐橙受到的外力有:第i个接触点所受的正压力Ni、相对于手指向外侧移动而产生的摩擦力fi'和吸盘对其产生的支撑力Nq。根据力平衡原理、工作空间中设计的指节夹角θ(140°)、摩擦系数μ(),并联立式(6)~式(12),可得吸盘支撑力的Nq的计算方程式(13)。在此方程中Nq与N成正比例关系,因此,应取Nmax进行设计。式中N为正压力,N。Nyi为第i个接触点所受的正压力在y方向的分力,N;fyi'为第i个接触点所受的静摩擦力在y方向的分力,N;i=1,2,3,4。(14),由于结构的对称性,两侧手指的受力在水平方向x的分力始终对称,即大小相等,方向相反。所以水平方向x上,合力Fx始终为0。式中Nxi为第i个接触点所受的正压力在x方向的分力,N;fxi为第i个接触点所受的摩擦力在x方向的分力,N;i=1,2,3,4。,因此静力学分析可具有代表性[29-33]。并且由于V型手指和曲柄滑块机构是沿滚珠丝杠对称布置,故取一侧进行分析,如图7所示,步进电机输出转矩通过滚珠丝杠转化滑块推力F,2个正压力N3,N4的合力为Na,其作用线通过a点,由于N3,N4大小相等且关于a点对称,合力矩Ma为0,则点a只受合力Na。假设曲柄滑块机构为理想机构(即不考虑摩擦、惯性力、配合间隙和弹性变形)将手指机构所受力向O点简化,根据合力矩平衡,见式(17),来推导所需推动力F的方程,见式(27)。式中Mq为合力Na对O点的合力矩,N·m;Mp为推动力F对O点的合力矩,N·m。其中,,mm;F为推动力,N;λ为连杆比;L为连杆长度,mm;α为机械手指底座(曲柄)与竖直方向的夹角,(°);β为连杆与竖直方向的夹角,(°);ld′为手指近指节长度l2在力臂方向的投影,mm;S为螺母座(滑块)行程,mm。其中l2、l3,θ,λ为已知设计参数,因此滑块的推力F主要由角度参数α和正压力N决定,其中,正压力N依据最大正压力Nmax设计。根据工作空间中运动角度参数70°≤α滚珠丝杠机构选用标准件SFU1204,丝杠的垂直方向无负载,根据式(29)进行设计选型(理想安装,不考虑冲击、震动以及其他非常因素影响),,?m。选用SUMTOR步进电机(型号42HS4817A4),?m,,满足要求。式中T为电机转矩,N?m;Fa为轴向载荷,大小为2F,N;I为丝杠导程,mm;n为进给丝杠的正效率。[34-36]主要包括:嵌入式运动控制器(品牌为固高,型号GUC-400-TPV-M23-L2-F4G)、I/O端子板(品牌为固高,型号GT-400-ACC2)、步进电机驱动器(品牌为SUMTOR,型号M415B)、模拟量转换模块(品牌为威科,型号FSR400系列)、脉冲发生器(品牌Makerbase,型号OSC)、24V电磁继电器(品牌为Risym,型号SRD-24VDC-SL-C)、5V电磁继电器(品牌为Risym,型号SRD-05VDC-SL-C)、电磁阀(品牌为KMTC,型号4V110-06,DC24V)、真空器(品牌为Convum,型号CV-10)、光电传感器(品牌为Risym,型号FC-03)等组成,系统原理图如图8所示。上位机软件采用VC++,下位机控制程序采用C语言开发。-effectorofnavelorangeroboticspicking