柑桔采摘機器人末端執行器設計與試驗

李亞麗,曹中華,潘 良,董繼偉,楊長輝,湛小梅

(1 重慶市農業科學院,重慶,401329;2 重慶理工大學,重慶,401320)

我國柑桔主要種植于長江以南湖北、湖南、四川、重慶、江西等地,2020年我國柑桔栽培面積達353.2萬hm2,產量達到5 121.9萬t[1],種植面積和產量均躍居世界第一。柑桔生產作業中,采摘是最耗時、最費力、占用勞動力最多的一個環節,也是最難以實現機械化作業的關鍵環節[2-3]。如何降低柑桔生產成本、提高勞動生產效率、減小人工勞動強度,提高采摘質量,使得實現柑桔采摘自動化和智能化越來越迫切[4-5]。

采摘機器人是將農業機械與電子信息、視覺識別、云計算等技術深度融合,收獲蔬菜或水果的一類智能化裝備。采摘末端執行器作為采摘機器人的關鍵部件[6-9],直接影響采摘機器人的采摘能力,其研究尤為重要。Tanigaki等[10]研究的采摘機器人末端執行器,采用夾持方式夾緊果實后,以高壓電極燒斷果梗。劉繼展等[11]研究的番茄采摘機器人末端執行器,采用兩指夾持,使用直流伺服電機驅動和錐齒輪連接雙向螺桿傳動,采用無接觸的激光切割。馬履中等[12]研究的蘋果采摘機器人末端執行器,由氣缸驅動實現兩指擺動而夾持果實,采用刀片繞果實周向運動實現對果柄切割。柑桔生物學特性與其他果蔬不同,果梗木質化嚴重[13-15],剪切所需要力矩較大,其他果蔬末端執行器不能直接用于柑桔采摘。由此,筆者設計了一款采摘速度高、控制難度低、與機械臂集成度高的柑桔采摘機器人末端執行器,采用CATIA軟件建立末端執行器三維模型,運用UG與ABAQUS軟件對末端執行器數字化模型進行仿真分析,并將樣機安裝于機械臂開展采摘試驗,驗證其采摘成功率和單果采摘時間,為柑桔實現機械化采摘提供技術支撐。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

末端執行器主要由抓取機構、剪切機構、連接架及控制系統等組成。其中,連接架與機械臂相連接;抓取機構由上顎、下顎、果斗及手指氣缸(型號MHY2-20D)組成;控制系統由視覺識別系統和電磁閥控制組成,如圖1所示。

注:1.抓取機構,2.剪切機構,3.視覺識別,4.連接架,5.控制系統。

1.2 工作原理

末端執行器采摘柑桔流程如圖2所示。采摘柑桔時,柑桔采摘機器人通過視覺識別系統鎖定柑桔目標,機械手臂會根據柑桔生長特性調整位姿完成定位。接下來,末端執行器開始工作,空壓機氣體充入手指氣缸,電磁閥高低電位控制手指氣缸氣路換向。出氣時,手指氣缸推動上下顎張開抓取(吞食)柑桔,在柑桔完全被抓取后氣路換向進氣;進氣時,手指氣缸推動上下顎咬合,通過剪切機構對果梗進行剪切,柑桔與果梗分離后,落入果斗。末端執行器跟隨機械臂移至果實收集箱,手指氣缸出氣復位卸果,完成單果采摘。

圖2 末端執行器采摘柑桔流程

2 設計及參數確定

在自然生長情況下,柑桔果柄生長方位雜亂無章,末端執行器采摘機構主要根據果柄處微細結構進行設計和調整。上下顎采用相同且對稱的四桿機構,以相同軌跡同時進行往復運動,以咬合的方式來切斷果梗。末端執行器幾何參數及運動受力分析如圖3所示。設定AB=l1,BC=l2,CD=l3,AD=l4,則有以下關系:

(1)

圖3 末端執行器幾何參數及運動受力分析

式中,α為桿AD變換的瞬時角度,β為桿BC與x軸夾角,γ為桿CD與x軸夾角,θ為桿BC變換的瞬時角度,φ為桿AD與x軸夾角。

由式(1)可得:

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可得β值,即可求得C1點的變化規律,且桿AD隨時間變化的關系為:

α=ωt+α0

(4)

式中,ω—常數,α0—桿AD初始角度,t—運動時間。

將式(4)代入式(2)中,可以得出桿BC與x軸夾角β隨時間的運動關系式,其對時間求導,即為其速度和加速度的變化,由此可得末端執行器采摘柑桔時切斷果梗咬合點C1的運動變化規律。

除柚類外,柑桔果實直徑一般不大于90 mm?；诰o湊性原則,設計末端執行器上下顎運動半徑為45 mm,安裝主架高為110 mm。

選SMC型氣動手指氣缸MHY2-20D為驅動氣缸。該氣缸外觀小巧,夾持力矩大,在0.5 MPa壓力情況下夾持力矩達1.10 N·m,適合柑桔這種果柄短、需要力矩大的水果采摘。θ為90°時,手指氣缸運動到達極限位置。末端執行器在初始狀態與剪切結束兩種工況時,各桿件位置關系如圖4所示。傳動角δ為桿AD和桿CD的夾角,ε為桿BC的角位移。

圖4 末端執行器兩種姿態分析

當ε=0時,各桿件代數關系為:

(5)

(6)

由式(5)和(6)聯立可得,咬合張角擴大為180°時桿件代數關系為:

l2=l4

(7)

當驅動桿角位移為任意角度時,可得:

(8)

(9)

由以上公式可得傳動角:

(10)

設計要求增大傳動角能夠增大剪切力臂,從而增加剪切力矩,以利于果柄切斷。為使最小傳動角最大化,故對上式求導可得驅動桿角位移為:

(11)

由上式可知,在驅動桿角位移范圍內a恒小于零,即:傳動角為遞減函數。最小傳動角出現在ε=π/2時,桿件l1應取最小值。

3 仿真分析

3.1 有限元模型建立

應用CATIA軟件設計末端執行器三維建模,利用UG軟件對模型進行有限元簡化,如圖5所示。通過ANSYS軟件對抓取狀態下的模態分析,采用更接近末端執行器實際工作情況施加約束,以此判斷末端執行器剛度變化情況。通過ANSYS軟件對剪切機構刀刃靜力學仿真,分析末端執行器正常工作狀態下的應力分布,根據應力情況優化剪切機構刀刃,以保證剪切果梗具有足夠強度。

圖5 UG簡化模型

在采摘柑桔時,因果柄木質化嚴重,剪切果梗伴隨沖擊和振動,可能會出現崩刃、折斷及變形,對刀刃材料要求較高。為了提升末端執行器的可靠性,末端執行器材料選用20SiMnMoV合金結構鋼。20SiMnMoV合金結構鋼屬性為彈性模量210 GPa、密度7 850 kg/m3、泊松比0.3、屈服極限1 000 MPa,具有剛性好、耐磨損等優點。ANSYS Workbench軟件中的網格劃分平臺Meshing可以根據不同的物理場提供相對應的網格劃分方法[16-17],本設計選用為顯式動力學分析提供的Explicit參照類型。網格的疏密程度直接影響計算結果精度,桿件采用六面體網格劃分,刀片和氣缸采用四面體網格劃分,鉸鏈連接處采用RBE2連接,不限制Y方向自由度。兩氣缸之間剛性連接,末端執行器網格質量檢查數量為2 221 268,如圖6所示。

圖6 末端執行器網格劃分

3.2 模態分析

末端執行器采摘柑桔時的動態特性決定了其結構在承受動載荷時的作業性能。為避免共振,通過對末端執行器的模態分析可以得到固有振動特性,其結果主要包括振動頻率以及振型云圖。由于低階振動對末端執行器結構的動態特性影響較大,結合末端執行器的結構特征及實際采摘工作狀態,本設計選用Block Lanczos遞歸計算法提取模態參數[18-19]。自由模態下,前6階頻率趨于0,沒有參考價值,取7～12階模態頻率進行分析,得出7～12階的模態頻率及振型特征如表1所示,相應的振型云圖如圖7所示。由表1和圖7可看出,末端執行器的變形主要表現為彎曲和扭轉,在不同階數下呈現不同變形,7～12階頻率最大為497.35 Hz,最小為201.20 Hz,頻率依次遞增,但并沒有一定的規律。這體現了模態分析無阻尼振動的隨機性。末端執行器的固有頻率和外部激勵頻率滿足如下關系時,就不會發生共振。

表1 末端執行器前6階模態頻率和振型

圖7 末端執行器抓取狀態下振型云圖

0.75ω0<ω<1.3ω0

(12)

式中,ω0為固有頻率;ω為外部激勵頻率。

末端執行器作業動力由采摘機器人提供,機械臂轉動可以降低高頻振動,傳遞到末端執行器的為0～15 Hz低頻隨機振動。由表1可知末端執行器固有頻率在201.20～497.35 Hz之間,與外部激勵頻率不在同一范圍,在采摘柑桔過程中不會發生共振,其結構設計合理。

3.3 剪切機構刀刃靜力學分析

兩個手指氣缸螺栓孔施加約束固定整個裝配體,根據模型位置坐標,Z軸為刀刃咬合的重力坐標,為了使仿真盡可能接近實況,柑桔果梗直徑一般小于4 mm,通過室內試驗得出刀刃咬合切斷果梗所需的力,切斷果梗時最大切割阻力為99.54 N,對刃口切桿部位分別添加兩個100 N力,在兩個刃口上分別選擇20個節點每個節點上施加5 N的力,運行Power Dynamics進行靜力學分析[20-21],模擬切桿時的受力情況,如圖8所示。

圖8 末端執行器刀刃施加載荷

由圖9可以看出末端執行器最大變形出現在剪切機構刀刃處,這是由于剪切機構采摘柑桔時刀刃剪切果梗時遇到阻力,最大變形量0.077 mm,幾乎無變形,結構設計合理。

由圖10和圖11可知應力應變分布一致,都集中在末端執行器剪切機構刀刃處,分析結果正確。由應力云圖可知,最大應力為853.1 MPa,小于材料的屈服強度1 000 MPa;由應變云圖可知,最大應變為0.035,抵抗變形能力強,結構幾乎不變形。末端執行器結構的強度和剛度滿足作業要求,由此確定結構設計安全。

圖10 末端執行器應力云圖

圖11 末端執行器應變云圖

4 采摘試驗

4.1 試驗條件

為驗證柑桔采摘機器人末端執行器設計的合理性,在重慶市農業高科技園區柑桔種植基地進行采摘試驗。柑桔果實生長密度大,果實挨著果實,難以實現機械化作業,因此需要農機農藝融合,在早期通過疏花疏果的方式降低果實重疊率,呈單果狀態著生,以便于機械化作業。柑桔品種為奉節臍橙紅翠2號,6年樹齡,樹高為2～3 m,冠幅為2.5～2.8 m,行距為5 m,果實直徑70～90 mm。末端執行器采摘試驗日期為2022年11月16日,天晴,無風,環境溫度13.2 ℃,相對濕度74.7%。以自主研發的柑桔3D視覺采摘機器人為動力,底盤電壓為72 V,安有逆變器(72～220 V)為機械臂提供電壓,空壓機排氣量120 L/min,調壓閥變量為0～8 kg/cm2(見圖12)。

圖12 在柑桔園中進行末端執行器采摘試驗

4.2 試驗方法

末端執行器采摘成功率S是在穩定夾持、果柄剪切、卸果復位的整個過程中成功放入果籃的數量Q1與采摘柑桔數量Q之比。即S=(Q1/Q)×100%。在柑桔園中進行末端執行器采摘成功率和單果采摘時間測試,影響因素較多。如:光線,陰天光照不足,會影響水果采摘機器人的識別系統,給成熟果實的識別和定位帶來很大的難度;柑桔生長環境具有變化性、未知性和開放性等特點,采摘姿態不同可影響柑桔進入果斗的情況,從而影響采摘成功率;空壓機氣壓不穩定直接影響氣壓手指滑動速度,造成上下顎開合不規范,單果采摘時間很難達到預期效果;刀刃角度也對采摘影響很大。經過仔細研究分析,安裝于機械臂的末端執行器采摘角度、刀刃角度、空壓機氣壓是影響采摘成功率和單果采摘時間的主要因素,即以采摘角度A、刀刃角度B、空壓機氣壓C為試驗因素開展L9(33)正交試驗,如表2所示。

4.3 結果與分析

試驗結果和極差分析結果如表3所示,得出單果采摘時間和采摘成功率指標的最優方案分別為A3B2C2和A3B2C3,兩個方案的差異僅體現為C因素水平不同。對單果采摘時間而言,各因素由主到次排序為A→B→C;對采摘成功率而言,各因素由主到次排序為C→A→B。末端執行器在實際采摘過程中,單果采摘時間越小越好,采摘成功率越大越好,當因素對兩者的影響有偏差時,應優先考慮采摘成功率。因此,在兩個方案中C因素應選對采摘成功率有利的3水平(6 kPa)。綜合分析,得出最優方案為A3B2C3,即采摘角度45°、刀刃角度45°、空壓機氣壓6 kPa。

表3 末端執行器采摘柑桔L9(33)正交試驗結果與極差分析

5 結論

筆者選用20SiMnMoV合金結構鋼設計制作了一款柑桔采摘末端執行器,主要由抓取機構、剪切機構、連接架及控制系統等部分組成,通過控制系統,抓取機構可以實現柑桔無損抓取,剪切機構可將果梗與柑桔快速分離。末端執行器固有頻率在201.20～497.35 Hz之間,與外部激勵頻率不在同一范圍,在采摘柑桔過程中不會發生共振,結構設計合理。末端執行器的應力應變都集中在剪切機構刀刃處,其最大變形量為0.077 mm,最大應力為853.1 MPa,小于材料的屈服強度(1 000 MPa),最大應變為0.035,抵抗變形能力強,結構幾乎不變形,強度和剛度滿足作業要求,結構設計安全。柑桔果園采摘試驗結果表明,在采摘機器人機械臂姿態的采摘角度為45°,切割刀刃角度為45°,空壓機氣壓為6 kPa,采摘成功率最大,單果采摘時間接近最小,符合柑桔采摘機器人末端執行器設計理念。