（机械电子工程专业论文）基于fpa的气动柔性苹果采摘末端执行器研究.pdf

d i s s e r t a t i o r e s e a r c ho n z h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y a p r i l2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：游 日期：抄睥广月；。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 履哆缘 葛哟 日期：扣一年厂月：，日 日期：加f 口年，月多。日 浙江工业大学硕士学位论文 基于f p a 的气动柔性苹果采摘末端执行器研究 摘要 苹果是最受人们欢迎的水果之一，其种植面积和产量逐年增加，但目前采摘主要由人 工完成，并且作业期长、劳动强度大，而随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，研究采 摘机器人代替人工完成苹果采摘作业十分必要。但是由于苹果本身的特性及其形态的限 制，到目前为止国内外的苹果采摘的自动化程度仍然很低，本课题针对以上的问题，提出 研究适用于苹果采摘作业的末端执行器。 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。除了传统的刚性驱动和执行机构以外，本课题组研究的新型气动柔性驱动器 f p a ( f l e x i b l ep n e u m a t i ca c t u a t o r ) ，既是驱动器也是执行器，可以直接构成各种关节，以此 为基础设计了气动柔性弯曲关节，但由于橡胶管易变形，弯曲关节在载荷方向会产生扭曲 变形。本文在弯曲关节原有结构的基础上，加强了关节的侧向刚度。由三个弯曲关节组成 的末端执行器在保持一定柔性的同时也兼顾了刚度，工作时向弯曲关节气动柔性驱动器 f p a 内充入压缩气体，实现末端执行器的运动。主要研究内容： ( 1 )对采摘对象苹果进行了基本的力学特性的研究，利用万能电子试验机，完成苹 果压缩试验与苹果果柄剪切试验，分析讨论了它们的特性关系； ( 2 )设计了基于气动柔性驱动器f p a 的新型弯曲关节，用力学分析的方法对弯曲 关节进行建模，分析建立关节弯曲量及输出力与其内腔气体压力之间的数学关系， 搭建了实验平台，完成弯曲关节转角实验与弯曲关节输出力实验，实验结果表明， 理论分析与实际结果相一致； ( 3 )研制了一种基于气动柔性驱动器f p a 的末端执行器，建立了末端执行器抓取 苹果目标的数学模型，对末端执行器抓持方式进行了研究比较； ( 4 )分析了磨削式、旋转剪切式和直线剪切式三种果枝分离机构，并分别对其进行 了实验研究，其中旋转剪切式果枝分离机构结构简单、控制方便，作为本文设计 的末端执行器果枝分离机构； ( 5 ) 搭建了末端执行器的实验平台，进行实验研究，该末端执行器有较大的输出力， 并具有很好的柔顺性，满足苹果的抓取任务需求。最后设计了集成控制系统，并 一i 一 浙江工业大学硕士学位论文 分析了苹果采摘机器人的整个控制流程。 本文基于气动柔性驱动器f p a 的研制了新型的弯曲关节并应用于采摘末端执行器的抓 持机构，结合旋转剪切式果枝分离机构研制苹果采摘末端执行器的原型样机及其控制系 统，实验表明该末端执行器能够完成对苹果的抓取和果枝分离任务。 关键词：气动柔性驱动器f p a ；弯曲关节：末端执行器；苹果采摘 p r o p o s e di i lm i s 廿l e s i s a sf i n a l e x e c u t i n gm 砌p u l a t o rf o rr o b o tt 0i n t e r a c t w i mo u t s i d ee n v i r o i l l l l e n t ，廿l e e i l d e 仃c c t o rh a sb e e i lp a i dm u c ha t t e l l t i o n b e s i d e sm e 仃a d i t i o n a lr i 百dd r i v i n ga n de x e c u t i n g d e v i c e s ，廿l en e wt ) p ef l e x i b l ep n 眦l a t i ca c t u a t o rf p a ，d e v e l o p e db yo u rr e s e a r c m n gg r o u p ，i s ak i n do fa 曲】a t o f 筋w e l la sm a i l i p u l a t o r d i f 融e n tjo i n t sc a i lb ed e s i 伊e du s i n gf p a b e c a u s e o fm eh i 曲d e f o m a b i l i t yo fn i b b m eb e mj o i n ti 1 1m el o a dd i r e c t i o nw i l lp r o d u c ed i s t o n i o n h lt l l i st 1 1 e s i s ，t h e1 a t e r a ls t i f j 陆e s si se i l l l a i l c e db a s e do nt 1 1 eo r i 百n a lb e i l d i n gj o i n ts n l l c t i 盯e t h e e n d - e 岱c t o rf o 肌c db yt l l et l l r e eb e n d i n gj o i n t s ，n o to m ym a i n t a i l l sc e r t a i nn e x i b i l i 以b u ta l s o t a l ( e si n t oa c c o u n t1 1 1 es t i 伺陆e s s i n n a t i n gc o m p r e s s e dg a si n t om ef p aa c b j e v e st h ee 1 1 d e a 宅c t o r m o v 锄e n t t h ew h o l ew o r l ( i sa sf o l l o w s ： ( 1 )r e s e 孤c h i n gt h eb a s i cm e c h a l l i c a lc h a r a c t s t i c so ft l l ea p p l e ，u s i n gu l l i v e r s a l e l e c 乜0 1 1 i ct e s t i n gm a c h i n e ，廿l ec o m p l e t i o no f 印p l ec o m p r e s s i o na n d 叩p l es t 锄s s h e a rt e s t ，d i s c u s s e dn l ec h a r a c t 研s t i c so fm e i rr e l a t i o n s l l i p ； ( 2 )an e w t y p eo f b e i l d i n gj o i n t sw 嬲d e v e l o p e db 鹊e d0 nn e x i b l ep n e u m a t i c 拟u a t o r 一i i 卜 浙江工业大学硕士学位论文 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e i lp r e s s u r ea n db e n d i n gc 印a c i t yw a sa 1 1 a l y z e d t h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r n lw a sb u i l tt oc o m p l e t et 1 1 ej o i n ta 1 1 9 1 eb e n d i n g a n do u t p u tf o r c e e x p e r i m e n t s ，w h o s er e s u l t ss h o wm a te x p e r i m e m a lc u r v em a t c h e sw i m t h et h e o r “c a l c u i v ew e l l ； ( 3 )an e wt ) ，p eo fe i l d e 腩c t o rw 嬲d e v e l o p e db a s e d0 nn e x i b l ep n e 啪a t i ca c t u a t o r t 1 1 e 伊a s p i n ga p p l e f sm a t h 锄a t i c a lm o d e lo fe i l d - e 毹c t o rw a se s t a b l i s h e d a n dt 1 1 e 伊a s p i n ga p p l e m o d e lw a s c o m p a r e da 1 1 da 1 1 a l y z e d ( 4 ) t l l e 舒n d i n g ，r o t a 巧s h e 撕n ga i l dl i n e a rc u t t i n gf h l i t - b r a n c hs 印a r a t 证gm o d e l sa r e a 1 1 a l y z e da n dm ee x p e r i m e i l t a lr c s u l t ss h o wt h a tm er o t a r ys h e a r i n gm o d e lh 2 l sv i r t u e s o fs i m p l ys t n l c n l r e 锄de a s yt ob ec o n 仃o l l e d t h er o 伽ys h e 撕n gm o d e lw a st a l 【e na s t h e 向j i t b r a i l c hs 印a r a t i n gs 觚l c t u r ef o rm ee i l d e 虢c t o r ( 5 ) b u i l d i n ge x p 舐m e n t a lp l a t f o 肌sf o r 廿l ee i l d e 髓c t o r 1 l l ef o r c eo fm ee n d e 艉c t o r i sq u i t es 仃0 n g ，a i l dt l l ea c t u a t o rc a i lg r a s pa p p l e sp e 疵c t l ya n df l e x i b ly d e s i g n i n gm e i n t e 黟a t e dc o n 缸0 1s y s t 锄，孤da n a l ) ，z i n gn l ec o n 仃o l l i n gp r o c e s so ft l l ee i l t i r ea p p l e p i c k i n gr o b o t i i lt 1 1 i sd i s s e n a t i o n ，t l l e d e 舵c t o ra 1 1 di t sc o n 们l l i n gs y s t 锄w 嬲d 莳e l o p e db a u s e do n f l e x i b l ep n 吼l m a t i ca c t u a t o r ，b e i l d i n gj o i n ta l l dr o t a r ys h e a r i n gf h j i t - b r 孤c hs 印a r a t i n gs t r u c t l i r e e x p 甜m e i l t ss h o wt l l a tm ee 1 1 d e 疏c t o r c a i lb eag o o dc o m p l e t i o no fa p p l e s 黟a s p i n ga 1 1 d f m i t b 眦c _ hs 印a r a t i n gt a s k k e yw o r d s ：f l e x i b l ep n e l m l a t i ca c t u a t o r ，b e n d i n gj o i n t ，e n d e 虢c t o r ，a p p l ep i c l ( i n g 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘j i 荽i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 课题背景l 1 3 研究现状l 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 1 3 1气动柔性驱动器的国内外发展现状l 1 3 2基于气动柔性驱动器的末端执行器的国内外发展现状5 1 3 3果实采摘机器人技术现状分析一9 本文研究的主要内容1 3 苹果力学特性分析 试验原理1 4 试验装置及材料1 7 2 2 1 实验装置1 7 2 2 2 试验材料18 试验方法1 8 2 3 1苹果压缩试验l8 2 3 2苹果果柄剪切试验。2 0 试验结果及分析2 0 2 4 1 苹果压缩试验2 l 2 4 2 果柄剪切试验2 3 本章小结2 4 弯曲关节结构原理与数学模型2 5 弯曲关节结构2 5 弯曲关节静态模型2 6 弯曲关节动态模型2 8 3 3 。l基本动力学方程2 9 3 3 2 弯曲关节充放气过程动态方程2 9 3 3 3弯曲关节动态仿真分析31 浙江工业大学硕士学位论文 _ - _ - - _ - 鞠_ - _ _ _ _ 一 。一 3 4 弯曲关节实验研究3 3 3 4 1电气比例阀i t v 0 0 5 0 3 b s ：3 4 3 4 2非接触式角度传感器a s 5 0 4 5 3 5 3 4 3力传感器n s t h l 3 6 3 4 4实验研究3 7 3 5 本章小结3 9 第四章基于f p a 的苹果采摘末端执行器结构与控制4 0 4 1 末端执行器基本结构4 0 4 2 抓持模式分析及选择4 l 4 2 1夹持模式4 2 4 2 2 抓握模式4 3 4 3 果枝分离技术4 4 4 3 1磨削式4 5 4 3 2 旋转剪切式4 6 4 3 3 直线剪切式4 8 4 4 末端执行器控制4 9 4 4 1实验平台5 0 4 4 2 末端执行器集成控制系统5 3 4 5 采摘机器人5 5 4 5 1 采摘机器人总体结构5 5 4 5 2机器人工作流程5 6 4 6 本章小结5 8 第五章 总结与展望5 9 5 1 总结。5 9 5 2 展望。6 0 参考文献”6 1 致谢”一6 5 攻读学位期间参加的科研项目和成果“ v i 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题是国家“8 6 3 ”高技术研究发展计划资助项目“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 ) 、浙江省自然科学基金资助项目“基于气动柔性驱动 器f p a 的柑橘采摘末端执行器关键技术研究”( y 1 0 8 0 4 8 5 ) 的一部分。 1 2 课题背景 随着我国工业生产迅速发展，农业劳动力将逐渐向社会其他产业转移；随着人口的老 龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本相应提高，农业劳动力不足的问题也将逐步变为 现实，但是许多农业作业项目( 如蔬菜和水果的挑选、采摘、嫁接等) 都是劳动密集型工作。 其中，果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳 动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。 由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。 可以预计，在2 1 世纪提高农业工程的自动化水平将成为我国农业科技领域的一个重 要研究热点，用于农产品生产方面的各类机器人作为高级自动化设备，在我国也将得到推 广应用。农业机器人最可能得到广泛应用的领域是农产品的自动采摘1 捌。 农业机器人通常由移动机构、机械手臂、末端执行器和视觉传感器等组成。末端执行 机构是机器人的核心部分之一，它是直接接触目标作物的设备，其作业对象即果实表皮组 织柔软、易损伤，且其形状复杂，生长发育程度不一，相互差异很大，由此决定了采摘机 器人的末端执行器应具有较好的柔软性，避免碰伤果实。因此，末端执行器的研究发展对 提高农业生产效率和采摘效果起着至关重要的作用。 1 3 研究现状 1 3 1气动柔性驱动器的国内外发展现状 从2 0 世纪5 0 年代出现了气动柔性驱动器开始，但直到2 0 世纪9 0 年代，美国、日本、 德国的大学和科研机构以及t 0 s h i b a 、b r i d g e s t o n e 、f e s c 0 、h l l a g e s c o 、w e s t g r o u p 等公司才 浙江工业大学硕士学位论文 开始进行有关气动柔性驱动器的研究；国内在这一领域的研究开始于2 0 世纪9 0 年代末， 研究水平与国外相比还有相当的差距。目前在该研究领域出现的名称有很多，如：编织带 人工肌肉( b r a i d e d a n i 矗c i a lm u s c l e ) 、空气肌肉( a i r m u s c l e ) 、橡胶驱动器( r u b b e r a c t u a t o r ) 、 人工筋、柔性微驱动器( f l e x i b l em i c r o a c t u a t o r ) 、气动肌肉驱动器( p n e u m a t i cm u s c l e a c t u a t o r ) 、柔性驱动器( s o r a c t l l a t o r ) 、人工橡胶驱动器( r u b b e r a n i f i c i a l a c t u a t o r ) 等， 为了表述方便并综合考虑该类驱动器的共同特点，本文统一使用“气动柔性驱动器”( f p a ) 这一名称。虽然气动柔性驱动器的出现已有半个多世纪，但在这方面的广泛深入研究也有 1 0 多年的时间，但是气动柔性驱动器的种类并不多，国内外学者基本上都是针对几种典型 的气动柔性驱动器进行研究。 1 、m c i ( i b b e n 型p m a m c 飚b b e n 型p m a ( p n e u m a t i cm u s c l e a c t u a t o r ) ，是2 0 世纪5 0 年代由美国原子物理 学家j o s 印hl m c 飚b b e n 设计出最早的气动人工肌肉驱动器【3 】，如图1 1 所示。其内层为橡 胶管，橡胶管外面用纤维编织网套住，两端用金属挟箍密封。当压缩气体充入橡胶管内腔 时，随着内腔气体压力上升，橡胶管沿径向膨胀，膨胀的橡胶管撑起外层纤维编织网，使 得径向膨胀力变为轴向收缩力，这种运动形式与生物肌肉极其相似。 惠譬 图1 1m c 尉b b e l l 型p m a 美国w a s h i n 舀o n 大学的c h i n gp i n g c h o u 、b 1 a k eh a 皿a f o r d 等人基于能量守恒定律详细 研究了m c 硒b b e n 型p m a 的静态特性【4 ，5 1 ，并选用不同参数结构的p m a 进行静态特性测试， 发现p m a 的非线性及迟滞特性，给出了简化的静态模型；日本b r i d g e s t o n e 公司生产的 r u b b e m l a t o 一6 1 ，德国f e s t o 公司生产的f l u i d i cm u s c l e 【7 】以及英国s h a d o w 公司生产的s h a d o w a i rm u s c l e 【8 】等气动柔性驱动器的构造原理与m c 飚b b e l l 型p m a 极其相似，并且其特性也 基本相同。 浙江工业大学硕士学位论文 2 、三自由度f m a 橡胶管 甲 纤维 端盖气室端盖通气管 图1 2t o s h i b a 公司的三自由度f m a 三自由度f m a 【9 】( f l e x i b l em i c r o a c t u a t o r ) 是2 0 世纪8 0 年代由t o s h i b a 公司开发的， 其结构如图1 2 所示。其主要部分为硅橡胶制成的橡胶管，橡胶管芯部均匀分布3 个气室， 橡胶管外壁内的尼龙纤维起加强作用，两端由两个端盖封住，由通气管从一端分别把橡胶 管内部的3 个气室与外界相通，向3 个气室内充入不同压强的压缩气体，f m a 除了具有伸 长、偏转、弯曲等运动形式外，驱动器还可以绕中心轴做旋转运动。k o i c h is uz l 珊o r i 等人 基于微元弹性变形理论分析了这种f m a 的静态特性和动态特性【l 们。 t o s h i b a 公司研制的三自由度f m a 尺寸很小，最小的可以做到直径为1 衄n ，长度为7 m m 。 在这样小的结构里边设置3 个气室、嵌入尼龙纤维，加工工艺相当复杂、技术难度高，成 本昂贵。为此，k o i c l l is u 烈1 i i 】o r i 等人于2 0 世纪9 0 年代提出了没有加强尼龙纤维的三自由度 f m a ，并进行了仿真和实验研究【1 l 】，结果发现在没有尼龙纤维加强的情况下，驱动器在充 气时会有很大的膨胀变形，如图1 3 所示，这在实际应用中会造成不利的影响。 a - a 剖面 变形后 图1 3 没有尼龙纤维的三自由度蹦a 变形图 一3 一 一t 一0 浙江工业大学硕士学位论文 日本冈山大学的g o f i l k u 和t a n a l ( a 研制了一种类似于三自由度f m a 的气动柔性驱动 器，称为抓指( g r a s p i n g f i n g e r ) 。抓指也是由橡胶管和周向的约束纤维构成，只是橡胶管 内部仅有一个气室，并且在橡胶管一侧多了一条约束纤维。 3 、旋转型气动柔性驱动器 旋转型气动柔性驱动器( p n e u m a t i cr o t a r ys o r a c t u a t o r ) 是日本冈山大学的t o s h i r o n o r i t s u g u 等研究开发的，其结构如图1 4 所示。 这种旋转型驱动器由两个边板和中间的可伸缩部分组成，如图1 4 ( a ) 所示。这些组成 部分皆由硅橡胶制成，其中可伸缩部分厚度为0 5 m m ，在其内部沿径向设有加强纤维；两 侧的边板厚度为3 m m ，在驱动器充气运动过程中，可以保持原状不变形，在一侧的边板上 连接通气管，以便控制驱动器内部气体的进出，如图1 4 ( b ) 所示。当向驱动器内部充入压 缩气体时，边板由于厚度较大不会变形，加强纤维的作用使得可伸缩部分不会发生径向变 形，所以整个驱动器会围绕其中心轴线发生旋转运动，如图4 ( c ) 所示。 橡胶片边板 ( a ) 结构( b ) 初始状态c ) 充气状态 图1 _ 4 旋转型气动柔性驱动器 t o s h i r on o t s u g u 等人详细研究了旋转型气动柔性驱动器的各种特性，如压力一输 出转矩关系、静态特性和动态特性。由于硅橡胶的粘弹性和嵌在可伸缩部分中加强纤维的 作用，驱动器在充气过程中存在一定的滞后，如：在内部气体压力达到5 k p a 之前，驱动 器几乎没有发生旋转；相应的，驱动器对于给定的旋转角度的响应类似于一阶滞后系统。 4 、柔性流体驱动器 柔性流体驱动器( f 1 e x i b l ef l u i d i ca c t u a t o r ) 是德国k a r l s r u h e 计算机科学应用研究中 心研制的，如图1 5 ( a ) 所示。利用一个气囊和两个夹板组成一个关节驱动器，两个夹板形 成一个铰链。充入压缩气体( 或者液体) 时气囊膨胀鼓起，将两侧的夹板推开一定的角度， 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 实现关节的驱动动作，如图1 5 ( b ) 所示。该中心的研究人员详细分析了柔性流体驱动器的 数学模型，并利用这种驱动器成功研制了灵巧手。 夹板 ( a ) 驱动器合拢状态( b ) 驱动器张开状态 图1 5 柔性流体驱动器 1 3 2 基于气动柔性驱动器的末端执行器的国内外发展现状 机器人柔性多指灵巧手是气动柔性驱动器的一个重要应用研究领域，该类灵巧手以气 动柔性驱动器作为驱动、执行机构，结构简单、功率重量比大、动作灵活，并且具有相当 的柔性和适应性，可应用于服务机器人、农业果实采摘机器人、医疗康复机器人等领域， 得到国内外研究人员的关注。 l 、基于旋转型气动柔性驱动器的三指柔性手爪 日本冈山大学的t o s h i r on o r i t s u g u 【1 2 】等应用旋转型气动柔性驱动器设计了一种三 指柔性手爪，如图1 6 所示。它可以抓取刚性球、刚性立方体以及柔性球体。 a ) 初始状态( b ) 抓取刚性球 图1 6 基于旋转型气动柔性驱动器的三指手爪 一5 一 浙江工业大学硕士学位论文 这种三指手爪主要依靠作为关节的三个驱动器产生动作，所以手指的开度由其结构决 定，张开、抓取的幅度相对较小，且其指节部分没有柔性，所以柔顺性相对较差，但是整 个手爪只需控制三个旋转型驱动器，易于控制。 2 、基于f m a 的多指柔性手爪 日本东芝公司的k o i c h is u z u m o r i 利用他们开发的三自由度f m a 设计制作了四指柔性 手爪，如图1 7 所示。它可以实现抓取、移动物体和拧螺钉等动作。日本冈山大学的g o 如k u 和a l ( a 两位教授以类似于三自由度f m a 的驱动器设计了更多手指的柔性手爪，如图1 8 所示。 这两种多指柔性手爪的结构和实现的功能类似，但也各有特点。东芝公司的四指手由 三自由度f m a 构成，故其4 个手指可以任意弯曲、偏转，手指的开度可以很大，动作也 灵活，可以抓取各种形状的物体，但是控制复杂；g o m k u 和a l ( a 设计的多指手爪采用 了更多的柔性驱动器作为手指，所以柔顺性和抓取的稳定性更好，只是控制也较为复杂。 图1 7基于f m a 的四指柔性手爪图1 8冈山大学多指手爪 3 、超轻拟人手 德国k 砌s m l l e 计算机科学应用研究中心研制了一种柔性流体驱动器，利用一个气囊和 两个夹板组成一个关节驱动器，两个夹板形成一个铰链。充入压缩气体( 或者液体) 时气 囊膨胀鼓起，将两侧的夹板推开一定的角度，实现关节的驱动动作。利用柔性流体驱动器 设计了超轻拟人手【1 3 】( u l t r a l i 咖锄t h r o p o m o 叩l l i ch a i l d ) ，如图1 9 所示。该手有五个手指， 每个手指中有三个柔性流体驱动器，构成三个弯曲关节；在每个弯曲关节处安装角度传感 器，在各指节中部安装触觉传感器；每个手指质量小于2 0 9 ，并且手指的响应快，伸缩一 次的时间不超过10 0 m s 。 一6 一 浙江工业大学硕士学位论文 图1 9 超轻拟人手 超轻拟人手是柔性的多指灵巧手，不但具有人手的外形，而且其柔顺性、功能都接近 人手，可以进行细长物体抓取、球体抓取、圆柱体抓取、三指抓取以及单根手指独立运动 等动作。用压缩气体作为驱动力，不需要电机、减速、传动等机械结构，大大减轻了整个 拟人手的重量。 4 、s h a d o w 机械手和灵巧手 英国s h a d o w 公司基于a i rm u s c l e 研制出了一种机械手【1 4 】( s h a d o wr o b o th a l l d ) ，如 图1 1 0 所示。它的手掌是盒状的，手腕有两个关节。臂部由数根p m a 组成，这些p m a 通过掌部和手指关节内的腱驱动整个手掌和各个手指。手上有6 4 个传感通道，所有的腱 都是通过这些通道与它们各自的手指联系。这些通道也允许从一个关节到另一个关节的运 动耦合，以保证关节的摩擦力最小。 图1 1 0s h a d o w 机械手 图1 “s h a d o w 灵巧手 在s h a d o w 机械手的基础上，s h a d o w 公司研制了s h a d o w 灵巧手( s h a d o wd e x t e r o u s h a i l d ) ，如图1 1 1 所示。该灵巧手完全模拟具有2 5 个自由度的人手，由3 6 根a i rm u s c l e 组成前臂，仍然采用腱传动系统把a i rm u s c l e 的驱动力传递到各个手指的关节，各关节安 一7 一 浙江工业大学硕士学位论文 装角度传感器，手指的刚性部分布满直径为3 m m 的触觉传感器。该灵巧手可以进行抓、 握等操作，其外形和功能都酷似人手。 s h a d o w 公司研制的机械手和灵巧手均以模拟人手为目标，s h a d o w 灵巧手在外形、功 能、感知系统等方面已经非常接近人手。但是，这两种灵巧手都存在以下几点不足：( 1 ) 手掌和手指的指节部分仍然采用刚性结构，没有充分体现人手的柔顺性；( 2 ) 虽然以a i r m u s c l e 为驱动器，但是必须借助腱来传递运动和动力，腱传动系统中存在的摩擦、松弛、 能量损耗等问题无法避免；( 3 ) 过多的a i r m u s c l e 驱动器使得灵巧手的前臂粗大臃肿，给 灵巧手与其他机器人系统的配合应用带来不便。 5 、基于f p a 的多指柔性手爪 浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室提出了一种新型的气动柔性驱动 器( f 1 e x i b l ep n e u m a t i c a c t u a t o r ，f p a ) ，f p a 由管接头、两端端盖、弹簧和橡胶管组成。主 要部分是弹性橡胶管，弹簧镶嵌在橡胶管壁中间，与橡胶管一起硫化处理，弹簧可以约束 橡胶管的径向膨胀变形，当向f p a 内腔充入压缩气体时，由于弹簧的约束作用，弹性橡胶 管只能沿轴向伸长变形，整个驱动器在轴向发生直线位移；释放f p a 内腔的压缩气体，由 于橡胶管和弹簧的弹性恢复作用，驱动器恢复到初始状态。f p a 可以直接应用于关节设计， 如气动柔性弯曲关节、气动柔性扭转关节、气动柔性球关节等【1 5 1 6 1 。 ( a ) 抓取圆柱目标( b ) 抓取球状目标 图1 1 2 三指手爪抓取实验照片 气动柔性三指手爪的结构如图1 1 2 所示。三指手爪主要由一个气动柔性扭转关节和三 个气动柔性弯曲关节构成。三指手爪的扭转关节类似于人手的腕部，给扭转关节充入一定 压力的压缩气体，关节转过一定的角度，并且带动手爪部分旋转；释放扭转关节内部压缩 一8 一 浙江工业大学硕士学位论文 气体，手爪部分回复到初始位置。三指手爪的三个弯曲关节作为爪指，当充入压缩气体时， 三个弯曲关节同时向内弯曲，实现手爪的抓握、夹持等动彳乍【”】。 上述五种气动柔性驱动器的原理基本一致：都是以压缩气体作为动力源，利用橡胶的 弹性，进行适当的约束以后形成具有特定运动形式的柔性驱动器。这种类型的驱动器最大 的特点就在于其柔顺性，适用于对柔性要求高的场合，如医疗、服务、农业果实采摘等。 其中，基于f m a 和f p a 的多指柔性手爪将指关节和手指指骨合二为一，也就是驱动器和 执行器组合成一体，其柔性和适应性更好，但难以安装角度传感器，也就难以实现手爪形 态的闭环控制。基于p m a 的s h a d o w 机械手、灵巧手和基于柔性流体驱动器的超轻拟人手 都采用多关节结构，指节部分采用刚性结构，在关节处安装了角度传感器，在手指内侧安 装了触觉传感器。 虽然气动柔性多指手从外形和功能都越来越接近人手，但是要真正达到代替人手完成 采摘任务，并且实用化、普及化，还需要解决如下的难题：气动柔性多指手常有气动驱 动器、机械本体、多种反馈传感器、微型控制器等硬件组成，是复杂的光机电一体化产品， 设备的使用和维护都需要相当高的技术水平。另一方面，采摘机器人的工作具有周期性、 短时间等特点。因此，采摘机器人的商品化和推广应用存在困难。采摘环境的非结构化， 要求多指手具有相当高的智能水平、柔性和灵巧性，帮助机器人成功实现避障，提高采摘 的成功率、降低果实的损伤率。从目前智能控制理论水平来看，还不能满足采摘机器人所 要求智能程度。 1 3 3 果实采摘机器人技术现状分析 韩国k y u n g p o o k 大学所研制的苹果采摘机器人。采用三指夹持器作为末端执行器，内 有压力传感器避免损伤苹果。采摘时利用视觉反馈系统引导末端执行器靠近果实，完成采 摘作业【1 7 】。 日本的n k o n d o 等人研制了番茄收获机器人，如图l 1 3 所示，机械手的末端执行器 由2 个平行手指和带有软衬垫的吸引器组成，中间有压力传感器，把果实吸住后，用手指 板固定，利用机械手的腕关节把果实在花梗处拧下18 1 。n k o n d o 等人还针对草莓的不同 栽培模式( 高架栽培模式和传统模式) 研制出了相应的采摘机器人，如图1 1 4 所示。末端执 行器采用真空系统加螺旋加速切割器。收获时，由视觉系统计算采摘目标的空间位置，接 着采摘机械手移动到预定位置，末端执行器向下移动直到把草莓吸入；由3 对光电开关检 测草莓的位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，由螺旋加速 一9 一 图1 1 5 黄瓜采摘机器人 日本国立蔬菜茶叶研究所和歧阜大学联合研制了茄子采摘机器人，其机器人机械手的 末端执行器设计复杂，包括4 个手指、2 个吸嘴、2 个诱导杆、气动剪子和光电传感器【2 l 】。 日本国立农业研究中心的m u r a k 锄i 等人研制甘蓝采摘机器人，其末端执行器由4 个手指 组成【2 2 1 。 英国s i l s o e 研究院研制了蘑菇采摘机器人，它的末端执行器是带有软衬垫的吸引器【2 3 1 。 从以上实例可以看出，现有的末端执行器通常由两部分组成，即抓持器和切割器。切 浙江工业大学硕士学位论文 割器通常采用剪刀剪断果茎或圆盘形带齿锯片切断果茎，对某些果茎与果枝较容易分离的 果实而言，可利用机械臂直接拧果实。抓持器通常由带有真空吸引器和数量为2 4 个不 等的手指构成。吸引器用来吸住果实，其中真空吸引方式能耗较大，并不节能。手指的功 能是抓持果实，为了实现有效抓持，真空吸引器和手指必须对准果实的质心，一般而言， 手指的数量越多，抓持越牢固。以上各个末端执行器中的手指都不具有多关节的特征，只 是一个简单的夹持器。而为避免碰伤果实，大多数采摘机器人的手指内侧和手掌等接触果 实的部位采用尼龙或橡胶材料。 1 ) 现有末端执行器的缺点 到目前为止，末端执行器都是专用的，一种末端执行器只是针对目标物体完成单一的 任务，而没有通用性，就其本质而言，就是简单的水果夹持器。末端执行器的自由度少， 手指与果实之间的姿态难以实现细微调整，手指对果实的具体夹持点是无法选择的，而末 端执行器与果实之间的位置与姿态的细微调整通过机械手臂是难以有效完成。由于缺少力 力矩传感器和触觉传感器，夹持力度的大小很难精确控制。总之，现有的末端执行器缺乏 机动性、灵活性和智能性，缺少感知能力，自适应性差。 2 ) 人手采摘的特点 在人类的进化过程中，随着四肢功能的分化，人手的灵巧性得到不断地进化。人手的 形成和进化是人类在自然界通过不断的劳作，不断的进行农业生产中缓慢渐进的，在农业 劳动的历史长河中手在不断地改变结构以适应生存需要、适应自然和改造自然。人手作为 一种感觉和操作机构经历了数百万年的进化，才成为我们现在这双最具灵活特性的灵巧手 【2 4 1 。其动作灵活、感觉丰富，对不同形状和不同性质的物体具有抓、握、夹、拿等功能。 在人工采摘果实时，绝大部分动作是一只手抓持果实，另一只手用剪刀等工具切断果 柄。面对某些果实与果柄容易分离的情况，可以用一只手抓持果实，同时借助于手腕的动 作拧断果柄。在果实的采摘过程中主要动作为抓持，基本不涉及对果实的操作。 3 ) 末端执行器的发展趋势 机器人的应用从传统的针对工业应用发展到为农业领域服务，对机器人的适应性、安 全性和智能性要求越来越高，其研究也向高精度、精巧灵活、柔顺性好等方向发展。要达 到这样的要求，很大程度上取决于末端执行器的开发研究。由于人手动作灵活、感觉丰富 等特点，人手已成为机器入学者进行机器人多指灵巧手设计、实现其灵活控制的思考源泉。 为了使机器人的末端操作器对不同形状和不同性质的物体具有抓、握、夹、拿等功能，越 来越多的机器人学者致力于研究能灵活地抓取和操作不同形状和大小物体的机器人多指 一1 】一 浙江工业大学硕士学位论文 灵巧手2 5 2 6 1 。机器人多指灵巧手抓取和操作的研究已经成为当今科技领域中一个重要的研 究主题，目前，在多指灵巧手的设计、感知、控制、运动分析与规划、协调操作等方面已 经取得了许多研究成果 2 7 。3 1 】。 结合以上三点，农业机器人末端执行器采用一个类似人手的通用夹持器，既可以克服 现有果实末端执行器的缺点，又与机器人技术的发展形势相吻合，应该是一个很有前景的 发展方向。 4 ) 农业采摘末端执行器的要求 在工业环境中，被抓持对象一般外形规则，表面硬度较高，因此