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浙江工业人学硕十学位论文 柑橘采摘机器人末端执行器研究 摘要 果蔬采摘作业在农业生产中是一个十分重要的环节，而柑橘生产是浙江省水 果生产的主要产业之一，柑橘的人工采摘是柑橘生产过程中最为耗时和费力的环 节。末端执行器作为机器人与外界环境互相作用的最后执行部件一直受到研究人 员的关注。尤其是在农业机器人研究领域，由于机器人操作对象的特殊性，末端 执行器的研究成为了农业机器人特别是果蔬采摘机器人的关键技术之一。本文通 过研究基于机器人采摘的柑橘机械特性，进而研究柑橘果实抓持和果枝分离的关 键技术。研究设计一种基于气动柔性驱动器f p a 的末端执行器，用于柑橘采摘， 建立其实现采摘和抓持过程的数学模型。该执行器具有充分的柔顺性和安全性， 对采摘对象一柑橘的损伤极小。 本文首先研究一种基于气动柔性驱动器f p a 的新型弯曲关节，研究其基本特 性，建立了该新型弯曲关节的转角静态模型和输出力静态模型，并进行了实验验 证。并对柑橘果实的压缩特性和摩擦特性以及果柄的切割特性进行了实验研究， 为设计柑橘采摘末端执行器的三指手爪和切割结构提供依据。 本文通过对设计的三指手爪对球果的抓取特征进行分析和研究进一步建立 了手爪抓持球果的动态通用数学模型，为实现对手爪实现采摘过程中的稳定抓持 球果过程的准确控制；运用锯切原理对末端执行器采用的圆锯切割方式进行了锯 切特性分析，建立了柑橘果柄切割的经验公式，并进一步对上述模型进行了仿真 和实验研究。 关键词：机器人，柑橘采摘，末端执行器，气动，机械特性 a b s t r a c t r e s e a r c ho ne n de f f e c t o ro fc i t r u s h a r v e s t i n gr o b o t a b s t r a c t f m i ta n dv e g e t a b l e h a e s t i n gi st h em u c hi m p o r t a n ts e c t i o no fa g r i c u l t u r e i n d u s t 可c i t n l sp r o d u c t i o ni so n eo f t h em a i ni n d u s t r y 航l i tp r o d u c t i o ni nz h e j i a n g p r o v i n c e c i m j sh a r v e s t i n gb yh a n di st 1 1 em o s tt i m e - c o n s u h l i n ga l l ds 仃e n u o u ss e c t i o n d u r i n gt h ep r o c e s so fc i t m sp r o d u c t i o n a s6 n a le x e c u t i n gm a n i p u l a t o rf o rr o b o tt 0 m t e r a c tw l t ho u t s i d ee n v i r o n m e n t ，t h et e m l i n a ia c t u a t o r sh a v e b e e np a i dm u c h a t t e n t i o n i np a r t i c u l a ra tt h er e s e a r c hf i e l do fa g r i c u l m r e ，a st 1 1 es p e c i f i c i wo ft l l e o p e r a t i o n a lo b j e c t i v e so ft h er o b o t s ，e n d - ：e f f e c t o rr e s e a r c hb e c o m e st ob et h eo n eo f t h ek e y t e c h n o l o g yo ft h ea g 订c u l t l l i er o b o te s p e c i a l l yo f 丘1 j i ta n dv e g e t a b i eh a r v e s t i n g r o b o t t h i sm e s i sd i ds o m er e s e a r c ho nm e c h a j l i c a j p r o p e n i e so fc i t m sb a s e d0 n r o b o t i ch a e s t i n g ，t l l e n ，d i ds o m er e s e a r c h0 nt h ek e yt e c h n o l o g ) ，o fc i t r u sg r i p p i n g a n ds e p a r a t i n go fc i t r u s s e p a r a t i n g d e v i s e da ne n d e a e c t o rb a s e do nn e x i b l e p n e 啪a t i ca c t u a t o rf i a ，b e i n gu s e df o rr o b o t i ch a n ，e s t i n 舀a n dt h e ne s t a b l i s h e dt h e i t sm a t h e m a t i c a jm o d e l t h i se n d e a e c t o ri sn e x i b l ea n ds a f ef o rc i t m sh 砒、，e s t i n g t h i st h e s i sd i ds o m er e s e a r c ho nn e w t y p eo ff l e x i b l ep n e 啪a t i cb e n d i n gi o i n t a n di t sb a s i sp r o p e r t i e sb a s e do nf p a 矗r s t ，t h e ne s t a b l i s h e dt 1 1 es t a t i cd e f l e c t i o n p r o p e n i e s 卸de x p o r tf o r c ep r o p e n i e sm o d e l d i ds o m ee x p e r i m e n t so fc o m p r e s s i v e r e s i s t a j l c e p r o p e r t i e s ， 衔c t i o n a lc h 锄c t 丽s t i c so fc i t m sa n d p r o p e r t i e s o f c i t r i l s p e d u n c l ec u t t i n g ，a na b o u t p r o v i d e de x a c t l y b a s i st o d e s i g n r o b o t i c e n d e f f e c t o rf o rc i 仃1 j sh 孤v e s _ t i n g t l l i st h e s i se s t a b l i s h e dd y n 锄i cm o d e lo ft h et l l r e e f i n g e r sh a l l db a s e do n g r a s p i n gp r o p e r 哆r e s e a r c h ，a n dt h em o d e lc o u l db eu s e df o rc i t m sr o b o t i ch a r v e s t i n g w i t ht h eh a i l d a 1 s ot 1 1 em e s i sd i ds o m ee x p e r i m e n tt ov e r i 匆t 1 1 em o d e l k e yw o r d s ：r o b o t ；c i n l j sl l a r v e s t i n g ； e n d e 仃e c t o r ；p n e u m a t i c ，m e c h a l l i c a l p r o p e n l e s h 浙江t 业火学硕i ：学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 近年来，我国水果产业取得稳步增长，从1 9 9 4 年起水果产量己跃居世界首 位。但目前果实采摘作业主要靠人力来完成，由于果实采摘作业是水果生产链 中最耗时、最费力的一个环节，而且采摘作业质量的好坏还直接影响到水果的 品质，提高采摘作业生产机械化程度是必须重视的问题。并且农业从业者人数 的减少及高龄化趋势不断加大。所以采摘机器人的开发具有巨大经济效益和广 阔的市场前景，符合社会发展的需求。 国外在农业采摘机器人领域研究较早，近年来国内中国农业大学、浙江大 学、江苏大学、南京农业大学、沈阳农业大学等科研单位也积极投入农业机器 人领域的研究，取得了初步的成果，但是都处于实验阶段，投入农业生产实际 仍需时日。 柑橘是浙江省传统的水果，已有2 0 0 0 多年栽培历史。浙江省柑橘产量全国 第一，占全国宽皮柑橘总量的2 0 ，占全世界的l o ，从业人员1 6 2 万人，年 产值2 5 亿元【l 】。通过浙江特色优势区域规划的实施，已经形成了两条柑橘优势 产业带，柑橘是我省农业主导产业之一。本课题以柑橘为主要研究对象，研究 柑橘的物理特性和力学特性，进而研究柑橘抓持和果枝分离的关键技术，并基 于自行研制的新型气动柔性驱动器f p ! a ( f l e x i b l ep n e 啪a t i ca c t l l a t o r ) 研制具有 充分柔顺性和安全性的柑橘果实采摘机器人末端执行器，研究建立末端执行器 的理论模型和控制算法，实现柑橘抓持和果枝分离的功能，最终建立农业球类 果实抓取和采摘末端执行器研究的一般理论和方法。 柑橘采摘末端执行器的研制对于降低我省柑橘生产中采摘环节的工人劳动 强度、提高采摘效率、节约成本具有重要的作用，在解决水果栽培从业人员数 量减少、高龄化等问题具有长远的现实意义。所研制的基于f p a 的末端执行器 具有传统刚性末端执行器所欠缺的柔顺性和安全性，解决了农业机器人采摘部 第l 章绪论 件的安全性问题，对于我省在农业机械化自动化，尤其是农业机器人领域的基 础研究和应用研究具有推动作用。 1 2 农业采摘机器人的发展综述 3 0 多年来，机器人工业从无到有发展很快，到1 9 9 9 年全世界的机器人总 量已经达到8 3 万台，其中大部分为日、美等发达国家拥有。随着世界人口的不 断增加，对粮食生产的质和量的需求将会越来越大。传统的土地利用型农业将 随着现代科学技术的迅猛发展，逐渐形成一个以作物栽培技术为基础、以生物 技术为先导、集机械化作业、自动化栽培设施以及人工可控环境等尖端技术的 现代新型农业产业。农业机器人是一种以完成农业生产任务为主要目的，兼具 有人类四肢行动，部分信息感知和可重复编辑功能的柔性自动化和半自动化设 备【2 】，农业采摘机器人即为操作任务为实现果蔬采摘为主要任务的农业机器人。 发达国家的农业机器人研究起步较早，而且投资大，发展快，这些国家农 业规模化、多样化、精细化和设施农业的快速发展，有效的促进了农业机器人 的发展。 自2 0 世纪8 0 年代开始，发达国家根据本国实际，纷纷开始农业机器人的 研发，并相继研制出了嫁接机器人、扦插机器人、移栽机器人和采摘机器人等 多种农业生产机器人。如澳大利亚的剪羊毛机器人，荷兰的挤奶机器人，法国 的耕地和分拣机器人，日本的喷雾机器人、施肥机器人、除草机器人、果蔬采 摘机器人、韩国的插秧机器人，丹麦的农田除草机器人，西班牙的采摘柑橘机 器人，英国的采蘑菇机器人以及台湾的移栽机器人等f 2 - 5 1 。但是由于农业生产环 境、作业对象及使用者等与工业生产领域截然不同，发达国家已研发成功的农 业机器人目前尚未实现商品化生产和大面积普及。 目前，国内外研究的农业机器人很大一部分都集中在果蔬采摘机器人的研 究。果蔬采摘作业是果蔬生产中最耗时、最费力的一个环节。在日本、美国等 发达国家，农业人口较少，随着农业生产的规模化、多样化、精确化，农业劳 动力不足的现象越来越严重。许多作业项目如蔬菜、水果的挑选和采摘等都是 劳动密集型的工作，再加上时令的要求，劳动力的问题很难解决。正是基于这 种情况，农林业机器人应运而生。1 9 6 8 年，美国加利福尼亚学者s c h e n z 和b r o 、n 2 浙江工业人学硕一j 一学位论文 首先提出应该应用机器人技术采摘果实【6 】，这普遍被认为是农业采摘机器人研 究的开始，最初采摘机器人研制采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇 式【7 1 ，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获，采摘机械智 能化较低，在采摘果实的时候容易碰伤未成熟的果实以及茎杆，因此在收获柔 软、新鲜的果实方面存在较大的缺陷；而且因为同束的植株一卜的果实并不是同 时成熟的，因此采摘常常需要有选择的进行；此外市场对果实的新鲜度也有很 高的要求，这就要求果实的采摘具有很高的时效性。因此，在果实采摘作业中 采用机器人作业需要实现果实采摘机器人的自动化和智能化。2 0 世纪8 0 年代 中期以来，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图 像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本1 8 l 为代表的发达国家，包括美国 0 1 、意大利【l l 】、荷兰【12 1 、比利时等国家在收获采摘机器人的智能化和柔性 操作的研究一卜做了大量的工作。目前这些发达国家已研制出西红柿、柑橘、甜 瓜、橙、黄瓜和苹果等水果和蔬菜收获的多种可用于农业生产的机器人。 ( a ) 西红柿采摘机器人整体图( b ) 西红柿采摘机器人手臂 图1 1 日本的西红柿采摘机器人 ( a ) 柑橘采摘机器人结构图 ( b ) 柑橘采摘机器人采摘现场 图1 2 美国的柑橘采摘机器人 第l 章绪论 图1 4 意大利橙采摘机器人 图1 5 荷兰的黄瓜采摘机器人图1 6 比利时的苹果采摘机器人 1 3 农业采摘机器人末端执行器的发展现状和趋势 由于果蔬的外表较为脆弱，而它的形状及生长状况复杂，因此末端执行器的 设计通常被认为是农业机器人的核心技术之一【1 4 】。果蔬采摘机器人末端执行器 可分为：纯吸盘式、筒式、针式、多指式等几类【1 5 】。 1 3 1 国外农业采摘机器人末端执行器的发展现状和趋势 希腊电子工程师t a p o o i 和美国佛罗里达大学的农业工程学师r c h a r r e u 曾在1 9 9 0 年联合开发了一种用于摘除柑橘果实的末端执行器，该末端执行器由 一个旋转机械结构结合一组可用于识别柑橘果实并对其进行三维立体目标定位 的c c d 视觉摄像头和一个超声波检测机构。该末端执行器可以获得较高的柑橘 果实摘除率，以及较低的果实损坏率，经过试验，该末端执行器摘除柑橘果实 的成功率可达6 9 ，对伤害柑橘果实的比例低于3 7 【1 6 】。 4 浙江工业大学硕士学位论文 图l 一7p o o l & h a 盯e l i 柑橘采摘机器人末端执行器 ：伺服电机( 前进后退) ：内轴承 ：手指 国：橡胶垫 ：伺服电机( 开闭) ：连杆 ：旋转轴承 ：果实吸取管 图1 8 日本的樱桃采摘机器人末端执行器 2 0 0 8 年，日本大阪府立大学k a n a e1 锄i g a k i 和山形大学1 a t e s h if u j i u r a 等人 研制了一种樱桃采摘机器人，该机器人末端执行器采用了一种四自由度手，依 靠一组三维视觉传感器和一个行进装置和控制系统来完成对樱桃的采摘。该末 端执行器由一个果实吸取机构，一个张开闭合机构，一个前后移动机构和一对 机械手指组成，高度约8 0 m m ，宽度约3 0 m m ，长度约1 4 5 h u n 。该末端执行器 的的吸取装置是一个圆形管子连接一个抽气泵构成，通过将管中空气抽排掉以 吸取住目标果实，然后由一个伺服电机驱动两个手指的张卡与抓紧实现对樱桃 果实的进一步抓取，抓取之后移动机械手即可将樱桃从果枝上摘除【1 7 】。 2 0 0 8 年，日本农业机械研究所s h i g e h i k oh a y a s h i 等人对一种新型的草莓采 摘机器人开展了研究。在采用机器人采摘果蔬操作中，为了避免损伤果实，应 该尽可能的设计机器人少接触果实表面。该研究团队研究的采摘机器人的末端 执行器则主要是直接抓取和切断果柄以达到不损伤果实而采摘果实的目的。首 先，个真空吸取装置通过一个光电传感器装置的定位吸住果实，一个表面设 第l 章绪沧 置一层厚达1 m m 的聚氨酯橡胶的夹子抓紧果柄，抓住果柄的同时，其中一个具 有切到功能的手指可以切断果柄，同时，这个夹子和真空吸盘机构可以在一个 气动驱动装置下滑动4 0 m m ，而且，在两个气动气缸的驱动下还可以左右各旋 转15 度。以达到切断果梗摘取果实的目的，这个末端执行器的整个采摘过程可 以直接通过同时抓取果柄和切断果柄完成采摘，使用真空吸盘是在光电传感器 检测果实三维目标有误的情况下采用【l 引。 图1 9 日本的草莓采摘机器人末端执行器 2 0 0 5 年，同本北海道大学的d u k em b u l a l l o n 等人开发了一种苹果采摘机 器人，该机器人安装了具有一对平行手指的末端执行器，该对手指用于夹持苹 果的果柄。该末端执行器依靠c c d 摄像头和镭射激光装置确定成熟的苹果和对 其进行定位而能准确的采摘果实【1 9 】。 图卜1 0 日本的苹果采摘机器人末端执行器 6 浙江工业大学硕士学位论文 2 0 0 4 年，日本东京大学乔俊 ( j u nq i a o ) 等人开发设计了一 种用于采摘甜椒的移动采摘机器 人雏形，该机器人的末端执行器 有两个手指，这两个手指设计成 瘦长形，长度有1 6 0 m m ，厚度和 宽度分别只有1 n h n 和1 0 m m ，瘦 长形的手指是为了在其抓住甜椒 果柄时可以有足够的空间获取完 整的果实图像。两个手指组成的 要? i ，：詈；一l 手爪抓住果柄的过程由依靠一个 凸轮的瞬时针旋转运动进行张开 图1 1 1 日本的甜椒采摘机器人末端执行器 和夹紧动作，凸轮的旋转运动由一个步进电机驱动。凸轮的为椭圆形，长轴 8 0 n u l l ，短轴4 0 m m ，凸轮旋转9 0 度后手爪就完成一次张开或者夹紧的过程。 一个弹簧机构用于产生足够的力施加与手爪以能够抓紧果实。整个手爪通过另 一个步进电机来完成0 度到2 7 0 度的旋转，同时这个手爪还有个1 9 0 9 的配重， 可根据系统重量分布分析实施平衡，该手爪本身的重量是6 5 5 9 ，整个末端执行 器就是通过这第二个步进电机连接在机器人的机械臂卜【2 0 】。 接鲻e a m l 0 0 0 翌 罄人的适配接口 内含伺服电 机和轴承 最大开合 距离，0 n l n l 图1 1 2 美国的室内果蔬采摘机器人末端执行器 1 9 9 1 年，美国佐治亚大学的生物和农业工程师w 捌s i m o n t o n 等人提出了 一种用于温室内果蔬采摘的末端执行器。该末端执行器是由伺服系统驱动的一 第l 章绪论 对并行连接的手指机构组成。这个末端执行器通过控制手指的位置和运动速度 完成对目标物体的抓取控制，该装置中的两个平行安装的手指由两个低惯量， 无振动的永磁直流电机和一组凸轮机构驱动其完成线性运动。手指表面设计有 层碳纤维材料以用于抓取不同弧度的抓取目标【2 i 】。 2 0 0 4 年，美国俄亥俄人学 的研究人员提出了一种西红柿叠爱。_ | 采摘机器人，该机器人安装的。 一_ 二一纛_ 。 末端执行器是种四指机械 i i_i|氧i j 銎：一j ，。羹? i ，| 手。该机械手设计有一个复合箩 。、 。 一 型真空吸盘，依靠一个气泵驱：童一 j j 动。复合吸盘本身已具有了抓 j i 。 ： 。 t _ j “， 囊。一。鼍萋一。一 取不同形状果实的功能，但该_ ! _ ? 0 j 一； 。一； io 毫i妻妻0 盖 末端执行器另外还配置一组四 图1 1 3 美国的两红柿采摘机器人末端执行器 个对称分布的手指，用于稳定 的抓持住果实，限制器侧向运动。四个手指均有塑料质地，且通过线缆连接来 共同驱动【2 2 1 。 1 3 2 国内农业采摘机器人末端执行器发展现状和趋势 国内在农业采摘机器人方面的研究才刚刚起步大约1 0 年左右的时间，最初 所见的研究成果是东北林业大学研究的林业球果采集机器人【2 3 】，该机器人的机 械手是由回转盘、立柱、大臂、小臂和采集爪顺序连接而成的六自由度机构， 其末端执行器即为实现平面内张开和抓紧功能的两个夹指构成。该机器人的采 ( a ) 机器人结构简图( b ) 机械手液压系统 图l 一1 4 东北林业大学的林木球果采摘机器人 8 浙江工业犬学硕? f 二学位论文 用开环控制，需要人工识别目标和进行按键操作机械手完成球果采集。近年来， 其他一些高校科研机构和研究团队在采摘机器人的研究方面开始有了进展，中 国农业大学的张铁中等人分别研究设计了一种草莓收获机器人【2 4 1 和一种茄子采 摘机器人【2 5 1 。设计的草莓采摘机器人末端执行器全长9 8 5 l n m ，主要部件包括1 个机械爪、3 个直流电机、1 对直齿轮、1 个低压电热切割装置、l 对机械触点、 1 个激光发生器和两个摄像头，机械爪的末端开合由电机驱动，通过丝杠与内 螺纹管通过螺纹连接机械爪，电机带动丝杠旋转，螺纹管即前后运动，从而带 动两根手指做闭合或张开动作。机械爪的两根手指内侧均附有酚醛塑料板( 俗称 电木，其作用是绝缘和耐热) ，在其中一侧的酚醛塑料板上装有电热丝，电热丝 的通断电状态通过固态继电器由计算机控制，从而组成一个电热切割装置。其 设计的茄子采摘机器人末端执行器则采用了4 根夹持手指，依旧采用电机驱动 丝杆而带动手指的夹持与放开动作，而切割功能则使用了锯齿轮盘切刀机构实 王见。 1 机鼓乘2 。蠹光发生器3 也机( ) 4 。摩轮4 ) 5 齿轮( b ) 6 支絮 a l7 支裂b ) 8 电帆( h ) 9 电毓( c ) l o 法兰 1 夹挎手指2 滑辘3 电机支架4 赢派电机5 甥杆 6 刀禁7 蠕轮8 双向螺旋丝杠9 刀集导向杆( 内有导向糟) 图l 1 5 草莓收获采摘机器人末端执行器图1 1 6 茄子采摘机器人末端执行器 1 2 1 ii o98 l 手指2 真空技纹吸盘3 双舟曩杆4 、8 、1 1 直渡伺服电动 帆，激光聚焦透镜6 齿条7 外壳9 、t 0 锥齿轮1 2 齿 轮 1 直藏电机2 篡轮蠕杆机构3 铜鳝软蕾传动4 刀集与刀片 5 刀槊转轮6 蹦传盛摹7 光电开关8 手指9 鼠位开关 l o 压力传基曩i i 祝耄传巷嚣1 2 毒曩双作用气缸 t ，固定件1 4 机饭臂连接件 图l 1 7 番茄采摘机器人末端执行器 图l 1 8 苹果采摘机器人末端执行器 9 第l 章绪论 江苏大学也在果蔬采摘机器人方面开展了研究，李萍萍等人最近设计了一 种用于番茄采摘机器人的末端执行器1 2 6 1 ，番茄采摘机器人末端执行器的执行系 统包括真空吸盘装置、手指夹持机构和果梗激光切断装置，分别完成果实吸附 拉动、夹持和切断动作。该末端执行器的手指夹持机构采用了两指夹持设计， 使用直流伺服电机驱动和锥齿轮连接双向螺杆传动，手指表面覆有一层橡胶。 切割方式则是采用无接触的激光切割。马履中等人则设计了一种苹果采摘机器 人末端执行器【2 7 1 ，该末端执行器机械结构主要由夹持机构、气动系统、切割装 置和传感器控制系统等4 部分组成。其夹持机构采用两指夹持，由气缸驱动其 实现两指的摆动而夹持果实，手指内侧也覆有海绵橡胶层，以保护果实，切割 方式则是采用刀片绕果实周向运动实现对果柄的切割。 1 4 课题的研究的目的与主要内容 1 4 1 课题的研究目的与意义 目前国内外的果蔬采摘机器人末端执行器很大一部分是利用机械线缆机构 方式驱动，在抓取果实应用中使用气动方式主要用于真空吸盘机构无损吸取果 实，鲜见有利用气动方式驱动的手爪机构，且利用气动驱动机构直接用作手爪 执行器的尚未可见，本课题是研究设计一种基于气动柔性驱动器f p a 的柑橘采 摘机器入末端执行器，具有充分的柔顺性和安全性，用于柑橘采摘作业，不会 对柑橘果实产生损伤，提高采摘效率，降低生产成本。本课题研究的一般球果 采摘机器人末端执行器研制的关键技术和理论方法可用于指导相关果实采摘机 器人末端执行器的研制，对于推动农业机器人的研究和应用具有广泛的意义。 本课题的研究得到国家8 6 3 计划专项课题“新型气动柔性驱动器及其在机 器人系统中的应用研究”( 2 0 0 9 a a 0 4 2 2 0 9 ) 和浙江省自然科学基金杰出青年团 队项目( r 1 0 9 0 6 7 4 ) 的资助。 1 4 2 本文主要研究内容 本文研究的主要内容包括： 1 基于f p a 的新型气动柔性弯曲关节研究，基于课题组前期研制的气动柔 性驱动器f p a 研制了一种新型弯曲关节以及适用于球果采摘的新型柔性机器人 末端执行器； l o 浙江工业人学硕+ ：学位论文 2 基于机器人采摘的柑橘机械特性研究，首先通过弹性力学理论分析柑橘 的弹性变形，并实验研究建立柑橘果实的压缩特性和摩擦特性，以及柑橘果柄 的切割特性，以为机器人末端执行器的设计提供依据； 3 设计末端执行器抓持机构，对其球果抓握特性进行研究，通过数学建模 分析本文所研制的基于新型气动柔性手指的机械手抓持球果时压力特性，以实 现对机器人的抓取过程进行可靠控制提供依据； 4 设计末端执行器切割机构，研究圆盘锯的锯切特性，为切割机构切割柑 橘果柄的参数设计提供依据； 5 对设计的末端执行器抓持机构和切割机构进行了实验研究。 浙江t 业大学硕上学位论文 第2 章柑橘的机械特性研究 应用机器人采摘球果，则首先需要研究目标果实的机械特性。针对柑橘果 实，a h m e d 等分析了柑橘采摘过程中的果实内部应力累积现象，k a u f m a n n 实 验研究了含水量和温度对柑橘保存时间的影响3 ，g y a s i 等测定了柑橘果皮和 果肉的泊松比1 ，w i1 1 i a m 针对佛罗里达地区柑橘，基于收割后果实处理的机 械特性进行了压缩和穿刺实验研究口，美国的c o n l a n 等人和印度的k r i s h n a 等 人基于柑橘采摘中果实下坠引起损伤的过程进行了受力分析和实验研究口2 圳， 美国的f i d e l i b u s 等人通过实验研究了经过赤霉素处理的柑橘果皮的抗剪和抗 拉特性以及柑橘果实的抗压特性m 1 ，意大利的f e d e r i c o 等人通过实验研究了针 对塔罗科柑橘的抗压特性口引，江苏大学姜松等人则通过压缩试验、穿刺试验研 究了柑橘果实各个方向的力学差异性和不同成熟度对柑橘力学特性的影响 睇3 引。本章对柑橘果实受压变形过程运用弹性接触理论进行分析和建模，并进 一步基于采摘机器人末端执行器设计的柑橘机械特性实验与研究。 2 1 柑橘人工采摘作业分析 柑橘鲜销果实在果面充分着色时采摘，贮藏用果可比鲜销果早采，一般在 果面2 3 转色，果实未变软，接近成熟时采摘，柑橘果实的转色是指果皮绿色 的消退固有色泽的形成侧。采摘时准备的工具包括：准备采摘必备的果剪、果 梯、果袋或果篮、手套、盛装容器，并进行清洁处理。采摘的工具中，果袋或 果篮及转运容器宜轻便牢固、内侧平滑，竹制品应在内侧垫以柔软物，果梯宜 选择安全、方便的双面梯。 柑橘人工采摘通常采用“两剪法”剪果，即：第一剪在离果蒂l c m 处下剪： 第二剪齐果蒂剪平。采摘的用的果剪前端应光滑呈圆头形，剪口锋利、合缝， 以减少采摘时造成果面损伤。因此应用圆头采果剪最合宜，其刀口锋利、合缝， 以利剪短果柄，又不刺伤果皮。采摘时采摘人员需使用双面梯等登高工具登上 高处，以使双手能抓持果实并实施剪断果柄的操作，剪断果柄后将果实装入果篮 第2 章柑橘的机械特性研究 或果袋，并开始采摘下一果实。采摘过程中轻摘轻放，避免人为或器械损伤果实。 采果过程自下而上，由外至内顺序进行，且采摘过程中应避免将枝叶误剪下而 混入果篮中，以免刺伤果实，果实在采摘和转运过程中应轻拿轻放。 采摘人员采摘柑橘需不断上下梯子与穿梭与果树之间，且柑橘果柄的材质 近似果树枝杆与枝条，其内部纤维有较高强度与韧性，采摘人员需施加较大的 握力已使果剪产生足够大的剪力才能将其剪下，因此，在整个柑橘批量采摘过 程中，采摘人员的劳动强度相当大，且采摘效率较低。 从上述采摘作业描述中可知，采用机器人采果则末端执行器必须具有抓持 果实和剪断果柄的功能。在末端执行器抓持和运送果实过程中，需要考虑果实 的抗压特性。本文通过运用弹性力学理论为柑橘果实的受压变化建立理论模型， 并通过运用不同的加载速度对柑橘果实进行压缩实验验证该模型，并进一步得 到其压缩特性，同时通过实验分析柑橘的摩擦特性和果柄的切割特性，为设计 柑橘采摘机器人末端执行器提供依据。 2 2 柑橘压缩特性 2 2 1 实验材料和仪器 实验用的柑橘为浙江北部地区产的宽皮类柑橘，选择的柑橘为1 1 月份采摘 的果面已全部转色的鲜销成熟果实1 6 个。果实横径均在5 6 姗至7 2 帅之间，果 实质量在1 1 0 9 至1 4 0 9 之间，本实验采用的装置是深圳瑞格尔仪器公司的r g 4 1 0 0 型微机控制电子万能试验机，实验环境温度为2 4 ，相对湿度为7 8 。 针对拟人手机器 人末端执行器，其抓持 柑橘的特征与人手相 似，在采摘柑橘时，爪 指均作用在柑橘的侧 面，作用力方向均平行 于柑橘径向，各作用点 所在平面垂直于柑橘 果柄所在的中轴，故实 初始状态 图2 1 柑橘果实径向压缩实验 1 4 压缩状态 浙江t 业大学硕十学位论文 验采用对柑橘进行径向压缩试验，柑橘的果实的径向横截面接近圆形，柑橘受 压变化情况如图2 一l 所示。 2 2 2 实验原理 柑橘果实在受到平板挤压时，在接触位置的总变形量及根据弹性力学的 赫芝理论，可得： 。= 陪等降爿f 2 浯，) 式中e 和历分别表示两接触物体的弹性模量，j j ，和口：分别表示两接触物 体的泊松比，尼和尼分别表示两物体在接触位置的最大曲率半径，尸为接触载 荷。 实验中柑橘受到两个平行平板的挤压，由于柑橘果实的弹性模量远小于钢 的弹性模量，故有： 盥+ 丝丝：丝( 2 2 ) e le 2e 2 e 式中e 和口表示柑橘果实的弹性模量和泊松比。 对于平板有尼= ，对于柑橘果实有尼= d 2 ，由于果实在上下两处同时受 到平板的挤压，故挤压头的位移为( 2 一1 ) 式的两倍，故式( 2 1 ) 可写为： 一陪等( 半) 2 - = ( 等新 治3 ) 式中c = 可( 1 一2 ) ，为综合弹性常数。由式( 2 3 ) 可得： c ：；姜 ( 2 4 ) 口万。萨 。纠 对于每一个柑橘，通过施加载荷实验均可得到一组特定的载荷f 和总变形 量d 的数据，并且得到一个特定的综合弹性常数c 值。 由赫芝理论知，最大接触压力发生在接触面中心，且有： 吼：兰 ( 2 5 ) g o2 丽 u ， 式中r 为接触网半径，即： 厂= ( 争等) ； 防6 ， 1 5 第2 章柑橘的机械特性研究 所以 g o = o 9 1 8 i f c 2 归2 ( 2 7 ) 果实的屈服点是界于弹性变形和塑性变形的交点，应满足弹性变形阶段的 规律，故可用上式计算柑橘果实的屈服极限h 0 1 ，此时，尸应取柑橘出现永久伤 痕时的挤压力屈服力r 。 2 2 3 实验方法和过程 赫芝理论的假设基于对 果实采用的载荷属于静载 荷，并使用圆柱形平压头作 为加载头，通常实验中加载 速度在卜5 c m m in 4 1 1 ，故本文 设定1 0 i i l f n m i n ，2 0 m m m i n 两 个加载速度分两组进行柑橘 果实的压缩实验。 本实验过程每组分别选 3 2 l l 实验台座2 试样3 平板压头及传感器4 加载传 动机构5 操作显示l e d 面板6 计算机 图2 2 柑橘压缩实验装置图 6 用8 个鲜销果实进行压缩试验，分别对这两组柑橘果实施加载荷直至柑橘果实 完全破裂，记录下每个试样的加压过程中的变形量和载荷值大小，实验装置如 图2 2 所示。 2 2 4 柑橘压缩实验结果分析 表2 1 加载速度1 0 m m m i n 时的实验结果 表2 1 和表2 2 所示为不同加载速度的实验得到的数据情况，且各组实验 中柑橘载荷( 力) 一变形( 位移) 关系均得到与图2 3 所示曲线类似的变化。 1 6 浙江t 业人学硕j ：学位论文 o51 01 52 02 53 0 变形量d _ 图2 3 柑橘表面抗压试验载荷位移关系图 5 0 4 0 长3 0 电 r2 0 l o 0 ol o2 03 04 05 06 0 妒恕j 盘托 图2 4 载荷f 与变形d 3 7 2 的关系图 实验中，试验机的加载台和加载头完全作用于柑橘果实表面且紧贴于果实表面， 故加载头的位移量即为柑橘果实的变形量。从图中我们可以发现，柑橘在载荷 作用下的变形主要分三个阶段，第一个阶段是曲线平滑缓慢上升阶段，这个阶 段中，随着加载距离的增加，柑橘果实承受的载荷增加，变形量也逐渐增加， 且载荷与变形位移量之间基本成线性关系，呈现弹性变形的特征，当这个阶段 中加载的载荷到达某一高值后，随着加载距离的进一步增加，柑橘表面变形位 移量继续增加，柑橘表面所受载荷力的值却出现了下降，并且载荷值的大小随 着加载距离即柑橘表面变形位移量的变化有个波动上升的过程，这个阶段中压 力下降是因为柑橘果实变形的加剧机械结构被破坏，果实外皮可见破损，果实 与果肉的支撑结构被破坏，造成永久性损坏，其承受载荷的能力降低，且载荷 值的小幅上升是因为随着柑橘内部果肉表皮被挤压后变得更加紧实，果皮在局 部破裂前保持了短暂的稳定结构而 具有了一部分的抵抗载荷变形的能 力，故下降曲线出现了震荡，有多个 小的波峰。这个震荡下降的过程即为 第二阶段。最后一个过程中为第三阶 段，这个过程中随着柑橘变形量的不 断增加，其承受的载荷随变形量的增 加而显著增长，此时柑橘表皮己完全 破裂，内部果肉不断被挤压而产生更 大的抗载荷能力，直至柑橘果皮与果 肉均被完全破坏，表现为柑橘被压坍 1 7 图2 5 柑橘压缩实验图 第2 章柑橘的机械特件研究 塌甚至分裂开。 第一个阶段和第二个阶段的拐点，也就是曲线的第一个波峰点，为柑橘的 破裂点h2 l ，此时柑橘果实内部的弹性结构已经破坏，即图2 3 中r 点所示的波 峰点，该点处代表柑橘变形达到弹性屈服极限，此时的载荷即为屈服载荷。由 实验结果我们可以看到，在不同的加载速度下，柑橘的屈服载荷的差别相较与 柑橘个体之间的差异的影响并不显著，我们可以认为柑橘在2 0 c m m i n 以下的压 缩速度下，同一柑橘果实的屈服载荷不受压缩速度的影响，柑橘所受载荷近似 静载荷，符合赫芝理论的假设条件。从实验结果中可以得到，当柑橘所受载荷 在小于1 0 n 时，柑橘均保持在弹性范围内，且弹性变形量很小，柑橘的变形量 均小于6 舢，因此可以认为在采用机器人采摘柑橘时，末端执行器对柑橘的输 出力在小于1 0 n 时对柑橘是安全的。 2 2 5 柑橘果实的弹性常数 据前述的理论分析，果实的弹性 常数c 取决于f 与矽胆的比值为了验证 理论分析，将试验得到的f 与d 值描绘 成以f 为纵坐标，矽胆为横坐标的曲线 如图3 ，从图中可见，f 与矽胆基本成线 表2 3 弹性常数c 与相关指数r 2 性关系，为此用( 2 4 ) 式对其进行线性回归分析，图2 4 为某柑橘实验数据回 归曲线图，并可求得弹性系数和回归方程的相关指数值，表2 3 为两组实验中 回归分析中柑橘弹性常数与相关指数平均值，从表中的相关指数厅2 值可知，回 归模型的理论与实际值较为一致，说明柑橘果实的整果近似弹性，应用弹性力 学的赫芝理论是可靠的。 2 3 柑橘表面摩擦特性实验 2 3 1 实验方法和过程 将柑橘放置在覆有硅胶材料的固定平板上，硅胶层厚度为3 哪，柑橘上方 固定一块平板，并始终保持水平，平板上可放置不同重量的砝码，以产生对柑 橘施加竖直向下的正压力。将一组绳带绕过柑橘的一侧，在另一侧将绳带两头 系在一拉力测量器上，实验环境同前节，实验装置示意图如图2 6 所示。当通 1 8 浙江，t 业人学硕十学位论文 过拉力测量器和绳带对柑橘施加水平拉力时，柑橘在其自身重量和砝码重量共 同产生的正压力作用下与硅胶平 板之间将产生抵抗水平拉力的静 摩擦力，慢慢增大水平拉力，直 至该拉力值刚好大于此时柑橘与 硅胶平板之间的最大静摩擦力， 柑橘将会在拉力作用下产生水平 l 硅胶板2 试样3 砝码4 绳带5 拉力测量器 滑动，记录下柑橘滑动瞬时的拉 图2 6 柑橘摩擦特性实验图 力值，即可通过式( 2 8 ) 计算静 摩擦系数j j 。 p = 吖( g c + 岛) ( 2 8 ) 式中： f 为水平拉力，g 代表柑橘自身与平板的重量之和，g 代表砝码的重量，计 算单位均采用g 。 2 3 2 实验结果分析 表2 4 柑橘摩擦实验结果 根据前节分析知，柑橘在一定范围内承受正压力作用下的变形近似弹性变 化，因此在不同的正压力值作用下，柑橘与硅胶板的接触面积也不同，柑橘的 静摩擦系数是个非恒定的值，实验结果见表2 4 ，这里我们取结果中各组实验 得到的静摩擦系数值的统计平均值来近似得到在柑橘的弹性变形中的静摩擦系 数，得乒= o 6 8 。 1 9 第2 章柑橘的机械特性研究 2 4 柑橘果柄切割特性 2 4 1 实验方法 在试验机的加载板上安装刀片，同时在固定底板一卜放置软木板，将试验对 象柑橘果柄放在软木板上，加载速度设定为3 0 m m m i n ，实验环境同前，得到柑 橘果柄的最大切割阻力值，实验数据见表2 5 。 2 4 2 实验结果分析 表2 5 柑橘果柄切割实验结果 试样编号 12 345678 试样平均直径m m2 o o2 0 02 0 02 5 02 5 03 0 03 0 03 0 0 最大切割阿l 力r 。n 5 4 9 71 7 7 33 6 8 43 0 6 85 8 9 86 4 4 38 8 9 36 0 8 8 从实验结果可以发现，柑橘果柄的最大切割阻力与柑橘果柄的平均直径之 间不成线性关系，且各柑橘果柄的最大切割阻力均显著不同，实验选用的试样 最大切割阻力值为8 8 9 3 n ，采摘机器人末端执行器果柄切割机构选用旋转切割 刀片或者圆锯片切割，输出同样的切割力可以得到更好的切割效果，因此，可 以认为选用旋转切割刀片或者圆锯片切割时采用8 8 9 3 n 的输出力可以达到切 割不同大小柑橘果柄的效果。 2 5 本章小结 本章通过用弹性力学的赫芝理论建立了柑橘果实的弹性变形阶段的受力一 变形量的关系式，柑橘在受到不高于屈服载荷r 的压力下的变形属于弹性变形， 设计的采摘机器人末端执行器的抓持力应当不高于1 0 n 对柑橘是安全的。通过 实验数据分析求得了该类柑橘果实的平均弹性常数c 的值。另外实验得到柑橘 与硅胶材料之间的平均静摩擦系数为0 6 8 。实验得到柑橘果柄的最大切割阻力 值最高为8 8 9 3 n ，柑橘采摘机器人末端执行器抓切割机构采用旋转刀片或圆锯 片时设计输出的切割力不低于该值时可以达到切割效果。 2 0 浙江t 业大学硕j j 学位论文 第3 章基于气动柔性驱动器f p a 的 新型气动弯曲关节 针对水果采摘的特殊性，研究的机器人末端执行器需充分考虑其柔顺性和 安全性，本章基于近年来浙江工业大学提出的一种气动柔性驱动器f p a h 3 4 盯设计 了一种新型的气动弯曲关节，以这种新型关节为基础研制适合于柑橘采摘的新 型手爪。 3 1 新型气动弯曲关节的结构原理 新型气动弯曲关节的结构原理如图3 1 所示，基于f p a 的刚柔性弯曲关节 由转轴、连杆、联接件、左端盖、右端盖、橡胶管、螺旋钢丝及进气接头组成， 其中f p a 由橡胶管和螺旋钢丝组成。在橡胶管的内壁安装了螺旋钢丝，橡胶管 通过强力胶与左端盖及右端盖密封连接。压缩气体从右端盖通入f p a 的内腔， 由于螺旋钢丝的约束作用橡胶管不作径向膨胀，于是橡胶管产生轴向伸长，并 通过联接件推动连杆以转轴为中心转过一定大小的角度。释放f p a 内腔的压缩 89 l 连接件；2 左端盖：3 连杆；4 转轴；5 橡胶管；6 约束钢丝；7 右端盖；8 进气接头 图3 1 新型气动弯曲关节结构图 2 l 第3 章基于气动柔性驱动器f p a 的新型气动弯曲关节 气体，在橡胶管的弹性力的作用下，f p a 恢复到初始状态，关节连杆也回转到 原来位置。由于空气的可压缩性，气动驱动器f p a 的刚度通常是很低的，即弯 曲关节的回转副柔性较好，另一方面，除了气动驱动器，弯曲关节的其它零件 均为刚性构件，具有较高的刚度，较好地模拟了人类手指弯曲关节运动。 3 2 新型气动弯曲关节静态模型 3 2 1 转角静态模型 首先计算f p a 的伸长量及壁厚，为此定义弯曲关节驱动器f p a 橡胶管的初 始有效长度为2 l 。，其平均半径n ，橡胶管的初始厚度为亡。，橡胶管的弹性模 量为磊，关节转轴中心线与橡胶管中心线之间的距离为n 。在气压尸的作用下 橡胶管开始伸长，使得刚性关节产生弯曲，其角度大小为9 ，如图3 2 所示。 设橡胶管中中心弧e f 的曲率半径为p 。 p ：厶c 。t ( 昙) + 屹 ( 3 _ 1 ) 由于橡胶管产生了弯曲，其伸长量不仅与弯曲角度有关，还与角