单驱双夹式草莓末端执行器设计.pdf

单驱双夹式草莓末端执行器设计张 曼1， 2， 3， 4， 徐瑞 峰1， 2， 3， 4， 冯青 春2， 4， 王 秀2， 4， 赵春 江1， 3 1．西北农林科技大学 机械与电子工程学院 ， 陕 西 杨凌 712100; 2．北京农业智能装备工程技术研究中心 ，北京 100097; 3．农业部农业信息技术重点实验室 ， 北京 100081; 4． 农业智能装备技术北京市重点实验室 ， 北京 100097摘 要 针对温室高架栽培草莓自动化采收需要 ， 设计了一种单驱双夹式采摘末端执行器 。该末端执行器采用单气缸驱动 ， 通过在剪短果柄的同时夹持近果实端果柄的方式完成草莓果实采摘 ， 结构紧凑 、控制方便 、且通用性好 。通过对草莓果实生长形态参数和果柄力学参数的测量分析 ， 优化设计了采摘末端执行器结构模型 ， 并对其果柄夹持和剪切性能进行力学模型验证 。关键词 草莓 ; 采摘 ; 末端执行器 ; 单驱双夹中图分类号 S225．93; S220．3 文献标识码 A 文章编号 1003－188X 2019 06－0093－050 引言草莓 strawberry 因其味道鲜美 、营养价值丰富 、经济效益高 ， 在我国乃至世界各地都被大量种植 。目前 ， 草莓采摘主要依赖人工 ， 收获季节作业量大 ， 劳动强度高 ， 加上几年来农村劳动力大量流失 ， 导致草莓采摘环节作业量占草莓各生产环节成作业量的 40左右［ 1］。所以 ， 机 械 化采摘技术成为现阶段重点研究课题之一 。作为直接和草莓果实接触的部分 ， 末端执行器的研究显得尤为重要 。日本近藤直等人设计的高架栽培草莓采摘机器人［ 2－4］采用 真 空吸引 、螺旋切割器切断果柄的方式进行采摘 ; 真空吸附方式采摘 ， 对采摘定位精度要求较低 ， 但容易造成果实损伤 。通过对果柄采摘点进行定位 ， 以夹持和切断果柄 ， 是目前草莓自动采摘的主要方式［ 5］， 剪切方式包括机械切刀和电 热 切割两类 。目前 ， 草莓采摘末端执行器存在结构冗余 、控制复杂及通用性差的问题［ 6］。本文针对目前草 莓机械采摘结构复杂 、成 本高及易对草莓产生机械损伤等问题 ， 通过测量分析草莓果实和果柄的相关参数 ， 设计了一种单驱双夹式草莓末端执行器 ， 并对其结构参数进行了优化 。收稿 日 期 2018－03－23基金项目 国家自然科学基金项目 61703048; 北京市优秀人才培养资助青年骨干个人项目 2015000020060G134作者简介 张 曼 1992 －， 女 ， 天 津 人 ， 硕 士 研 究 生 ， E － mail771563749 qq．com。通讯作 者 赵春江 1964－， 男 ， 河北定兴人 ， 研究员 ， 博士生导师 ， E－mail zhaocj nercita．org．cn。1 末端执行器整体方案设计1．1 方案 选 择末端执行器的工作是将果实与果柄分离 ， 实现分离通常采用两种方式 ， 即切断果梗和扭断果梗 。其中 ， 扭断果柄需要对果实进行抓取并施加一定的力 ，所以该方式适合用于一些形状规则 、硬度较高且富有弹性的水果采摘作业中 ， 如橙子 、柚子等 。成熟的草莓果实外形不规则 ， 表皮易损 ， 高架栽培的草莓成熟后基本处于悬空状态 ， 遮挡少且果柄软长 ， 为避免对草莓产生的机械损伤 ， 本末端执行器采用剪断果柄的采摘方式 。为实现对采摘下的果实进行收集 ， 采用“单驱双夹 ”的结构 ， 实现单气缸对果柄剪切和夹持机构的同步驱动 ， 满足采摘和收集要求的同时使机械结构更加简单和紧凑 。1．2 虚拟样机模型温室内高架栽培的草莓成熟后自然垂落在栽培槽外侧 ， 茎叶对果实遮挡少 ， 适合剪断果柄的末端执行器作业［ 7］。末端执行器主要由剪刀 、果柄 夹 持块 、连杆和气缸组成 ， 如图 1 所示 。剪刀由下方安装果柄夹持块的定刀和动刀组成 ，动刀通过连杆 、Y 型接头和气缸的活塞连接 ， 定刀上加工限位孔限制动刀张开闭合角度 。工作过程如下 视觉系统工作时气缸处于伸出状态 ， 剪刀张开 ; 当视觉系统获得采摘点坐标后 ， 末端执行器随机械臂运动到采摘点 ， 气缸收缩 ， 带动 Y 型接头 、连杆和动刀运动 ， 切断果柄 ; 由于 “单驱双夹 ”的结构 ， 在剪刀剪断果柄的同时 ， 定刀和动刀下方的果柄夹持块稳定的夹持住果柄 ， 随机械臂运动到果实收集筐上方预定位置气392019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期DOI10.13427/ki.njyi.2019.06.017缸伸 出 ， 放 下果实 ， 机械臂复位 ， 准备下一次采摘 。1．夹持 块 2．定刀 3．连杆 4．动刀5．Y 型连接头 6．气缸图 1 末端执行器虚拟样机模型Fig．1 model of End effector virtual prototype2 草莓采摘末端执行器关键部件设计2．1 草莓采摘力学参数测量末端执行器是直 接接触果实的部件 ， 所 以目标果实的相关参数在末端执行器的设计中起到关键作用 。在采摘机器人采摘过程中 ， 由于末端执行器设计失误而导致采摘失败的情况时有发生 ， 如由于剪切力不够不能完成剪切甚至对植株产生拉扯 、抓取和夹持力过大损伤果实 、抓取和夹持不稳定使果实掉落等［ 8］， 所以测 量 果实相关物理参数对末端执行器的设计具有重大意义 。本文以北京市昌平区特菜大观园草莓采摘棚中 “圣诞红 ”品种高架栽培草莓果实为研究对象 ，通过对其采摘力学参数的测量分析 ， 为末端执行器的设计提供理论依据 。2．1．1 果实生长特性分析果实生长特性是指草莓成熟后垂落在栽培槽两侧 ， 自然条件下相邻果实之间的距离 。果实分布距离对剪刀张开角度的确定至关重要 。随意选取一架草莓 ， 通过直尺测量相邻成熟果实距离并记录 。测量结果显示 相邻成熟草莓距离大部分分布在 2．5～6cm 之间 ， 为典型高架栽培草莓分布 ，如图 2 a 、 b 所示 ; 另外 ， 存在部分草莓成熟后未能下垂至栽培架两侧 ， 如图 2 c 所示 ; 部分草莓生长畸形 ， 导致和相邻果实接触 ， 如图 2 d 所示 。2．1．2 果实形态参数测量果实形态参数主要指果柄直径和果实质量等参数 。直径的测量主要针对的是草莓果实果萼上方 1．5～2．5cm 处的果柄 。因为此长度既为末端执行器对采摘下来的果实进行夹持留下空间 ， 也避免果实收集过程中果柄对果实的损伤 。实验材料为随机选取的 30个成熟的草莓果实 ， 实验设备为游标卡尺及电子秤 。草莓采摘下时用游标卡尺测量果柄直径 ， 随后人工在测量处采摘进行其他形态参数的测量 ， 包括横向直径 、纵向直径及质量 。除质量外 ， 每个尺寸分别从 3个不同方向测量 3 次 ， 计算平均值作为测量结果 。图 2 草莓 生 长特征图Fig．2 Strawberry growth characteristics将测量结果整理 并 进行分析 ， 得到草莓物理参数如表 1 所示 。由表 1 可知 “圣诞红 ”品种草莓果柄粗壮 ， 果实较大 ， 形状较规则 。表 1 果实 形 态参数Table 1 Fruit shape parameters参数直径/mm横向直径/mm纵向直径/mm质量/g最大 值 2．29 44．45 58．62 22．5最小 值 1．67 35．26 44．24 17．3平均值 2．00 40．27 51．61 20．42．1．3 果柄力学参数测量草莓 果 柄力学参数主要包括剪切力和抗挤压力测量 ， 主要为剪切机构及夹持机构设计提供理论依据 。果柄剪切力测量同样针对草莓果实果萼上方 1．5～2．5cm 处果柄 ， 抗挤压力针对剪切下来的靠近果实部分的果柄 。实验材料 30 个采摘时间小于 2h 且带柄长度大于 2．5cm 的新鲜果实 。实验设备为 MTS 微控电子万能试验机 ， 力传感器量程选择 0～100N， 实验速度设定为 50mm/s 和 1mm/s。实验分为两部分 ， 第 1 部分进行剪切力实验 。将30 个草莓平均分为两组 一组做单刃剪切试验 ， 另一492019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期组做双刃剪切力试 验 。由于两组试验草莓样本不同 ，果 柄直径也不同 ， 在剪切实验之前测量并记录待剪切果柄处直径 ， 随后进行剪切试验 ， 分别记录剪切力数值如表 2 所示 。表 2 果柄 剪 切力试验Table 2 Cutting force test of stems参数果柄直径/mm单刃剪切力/N双刃剪切力/N最大 值 2．29 10．23 5．68最小 值 1．67 7．96 4．43平均值 2．00 9．53 5．20实验结果按照剪切力 N 与果 柄 直径 mm 的比来表示 ， 比值越小说明越省力 。双刃的剪切力与果柄直径比约为单刃的 1 倍 ， 结果如图 3 所示 。图 3 单双 刃 剪切力比较Fig．3 Comparison of Single and double edge shear force第 2 部分 试 验室果柄抗挤压试验 。将 30 份样本平均分为 3 组 ， 分别进行橡胶 、硅胶和不锈钢的挤压实验 。实验中 ， 在万能实验机两夹具上安装 2mm 厚的 3 种材料 ， 分别记录果柄样本直径和对应刚好夹持住时万能试验机两夹具的距离 。实验结果显示 3 种材料中 ， 相同情况下 ， 夹具距离从小到大依次是硅胶 、橡胶 、不锈钢 。其中 ， 采用硅胶材料时 ， 刚好夹住果柄到果柄被夹烂的夹具距离范围是 4．47～4．82mm。2．2 关键部件设计根据上节对草莓各项采摘力学参数进行测量与分析 ， 本节运用 SolidWorks 和 CAD 软件对草莓末端执行器的进行设计 。2．2．1 剪切部分结构参数设计剪切部分结构参数设计主要是定刀和动刀的设计 ， 动刀由气缸带动运动 ， 定刀固定于机械臂末端 ， 通过限位孔对动刀运动范围进行限制 。根据针对草莓果实 、果柄各项相关物理参数测量 ， 确定末端执行器采取双刃剪切 ， 定刀与动刀完全张开时剪刀尖端距离为 40mm。当剪刀尖端距离为40mm、动刀旋转角度为 45时 ， 确定剪刀其他参数 剪刀张开时 ， 整体尺寸为 150mm60mm;闭合时 ， 尺寸为为 150mm44mm。定刀和动刀上分别留有两个 M3螺纹孔 ， 用来安装夹持块 。另外 ， 定刀刀柄上留有两个 M3 螺纹孔用来定位及安装 。剪切部分二维尺寸图如图 4 所示 。图 4 剪切部分二维尺寸图Fig．4 2D dimension drawing of Cut part2．2．2 驱动部件参数设计该末端执行器采 用 气缸驱动 ， 所以气缸型号的选择至关重要 。根据曲柄滑块机构设计原理和定刀结构 见如图 5， 分别以定刀限位孔两极限位置画直径相同的圆 ， 该圆直径即为连杆长度 ; 然后 ， 在定刀左侧沿刀柄方向作 1 条直线与两圆相交 ， 两交点之间的距离即为气缸的行程 ， 同时两点也是连杆与气缸链接端的两个极限位置 。参考气缸外形尺寸和剪刀结构的紧凑性 ， 不断尝试改正连杆与气缸行程两项参数 ， 最后确定连杆长度为 35mm， 气缸行程为 25mm， 此时末端执行器能完成剪刀动刀的完全张开和闭合 。根据气缸行程为 25mm， 选择 SMC 公司生产的型号为 CQ2A16－25DM缸径 16mm， 行程 25mm 双作用气动紧凑型气缸 ， 外形尺寸为 29mm29mm22mm 气缸收缩时 ， 活塞杆外螺纹位 M61．0， 固定气 缸的螺纹为 M4; 配套连接件选择型号为 F－M6X100Y的 Y型接头 ， 外形尺寸位 12mm16mm32mm;连杆长度为35mm。剪切部件和驱动部件之间通过固定杆和固定板按照设计参数进行加工并定位安装 ， 如图 6 所示 。592019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期图 5 驱动 部 件设计示意图Fig．5 Device of Drive part design图 6 剪切 部 件和驱动部件关系Fig．6 Ｒelative position of Drive and cut part考虑美 观及安全等因素 ， 将末端执行器封装 ， 整体外形尺寸为 54mm54mm190mm，结构简单 ， 结构紧凑 ， 无干涉等问题 。实物图如图 7 所示 。2．2．3 夹持部件参数设计单驱双夹是指在剪切部件在剪断果柄时需要同时夹持住连接果实的果柄 ， 分别按照剪切部件的定刀和动刀轮廓设计塑料材质的夹持块 ， 安装于定刀和动刀下方预留的螺纹孔上 。根据果柄抗挤压试验结论 ，当动刀闭合时两夹持块预留用来粘贴厚度为 2mm 的硅胶垫的间距 。由于草莓果柄既细又软 ， 硅胶材质的摩擦力大且柔软 ， 用来夹持果柄不仅可以保障夹持稳定性 ， 也能减少对果柄的机械损伤 。两夹持块间距取4．8mm。图 7 末端执行器实物图Fig．7 Physical map of End effector3 设计参数校核与试验验证3．1 剪 切 校 核对连杆和剪切部件组成的力系简化并进行受力分析 ， 如图 8 所示 。图 8 剪切 部 件受力示意图Fig．8 force of Cut part根据同一杆件上 合 力为 0、合力偶为 0， 可列出如692019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期下平 衡 方程 ， 即F3L3 F2L2F2cosα F1lF1 F1l/cosβP A P π D2－ d2 4 F1/0．85式中 P气 体 压力 ， 取 P0．5MPa;D气缸直径 ;d活塞杆直径 。根据末端执行器结构参数可获得 α、β、L2和 L3， 分别带 入 以上公式 ， 效率取 0．85， 得 F3≈64N。由于 64N大于试验所得果柄双刃剪切力的最大值 5．68N， 所以该末端执行器可以剪断草莓果柄 。3．2 夹持校核利用硅胶垫进行对果柄夹取 ， 首先要计算出草莓果柄会被夹住的两硅胶垫之间的最小距离［ 9］。假设果柄在被橡胶垫夹取 时不会产生形变 ， 则 对 1 个硅胶垫而言 ， 形变量计算公式为ΔLFLEA式中 F单个硅胶垫所受压力 ， 即草莓果柄所受挤压力 N ;L硅胶垫原始厚度 m ;A硅胶垫挤压面横截面积 m2 ;E硅胶垫弹性模量 N/m2 。要保 证 草莓果柄被夹持块夹住而不掉落 ， 则草莓重力 G 要满足G ≤μF式中 μ硅胶垫与果柄之间的滑动摩擦因数 ;G草莓果实的重力 N 。综上所述 ， 联立两式得到ΔL≥GLμEA已知硅胶弹性模量 E 105N/m2， 摩 擦 因 数 μ 0．15， 硅胶垫厚度 2mm， 草莓果实平均质量 20．4g， 草莓果柄平均直径为 2mm， 则ΔL≥GLμEA≈0．65mm即 1 个硅 胶 垫所需形变量为 0．65mm， 那么两个硅胶垫就需要 1．3mm 形变量 ， 所以最终两硅胶垫间距为 D 0．7mm;加上两硅胶垫总厚度 4mm， 所以两夹持块间距为 4．7mm。满足试验结论 ， 可以对草莓果柄进行稳定夹持 。4 结论针对草莓自动化 采 收需要 ， 设计了一种气动单驱双夹的采摘末端执行器 ， 并测量分析了 “圣诞红 ”草莓采摘力学参数 ， 优化设计了末端执行器各部件参数 。在此基础上 ， 对末端执行器果柄夹持和剪切性能进行力学模型验证 ， 以确保采摘执行可靠 。参考文献 ［ 1］ 宋 健 ， 张 铁 中 ．果蔬采摘机器人研究进展与展望 ［ J］ ． 农业机械学报 ， 2006， 37 5 158－162．［ 2］ Kondo N， Yata K， Iida M， et al． Development of an End－Ef-fector for a Tomato Cluster Harvesting Ｒobot［ J］ ． Engineeringin Agriculture Environment ＆ Food， 2010， 3 1 20－24．［ 3］ Shigehiko Hayashi， Kenta Shigematsu， Satoshi Yamamoto， etal．uation of a strawberry – harvesting robot in a fieldtest［ J］ ． Biosystems Engineering， 2010， 105 160－171．［ 4］ Monta M ， Kondo N ， Ting K C． End2effectors for tomatoharvesting robot ［ J］ ． Artificial Intelligence Ｒeview ， 1998，12 1－3 11－25．［ 5］ 徐 丽明 ， 张 铁中 ． 果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策 ［ J］ ． 农业工程学报 ， 2004 ， 20 5 38－42［ 6］ 张凯良 ， 杨 丽 ， 王粮局 ， 等 ．高架草莓采摘机器人设计与试验 ［ J］ ．农业机械学报 ， 2012， 43 9 165－172．［ 7］ 冯 青春 ， 郑 文刚 ， 姜凯 ， 等 ．高架栽培草莓采摘机器人系统设计 ［ J］ ．农机化研究 ， 2012， 34 7 122－126．［ 8］ 李秦川 ， 胡 挺 ， 武传宇 ， 等 ．果蔬采摘机器人末端执行器研究综述 ［ J］ ．农业机械学报 ， 2008， 39 3 175－186．［ 9］ 史慧文 ， 石 慧奇 ， 王继祥 ．草莓采摘手爪结构设计 ［ J］ ．农机化研究 ， 2014， 36 9 94－98． 下转 第 103 页 792019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期structure and working principle and theoretical analysis of the key dimensions of digging parts， the specific the structuresize of key parts of machine digging shovel were obtained． Field experiments were carried out on the perance of thewhole machine． The test indices that obvious rate of potato excavator was very high and abrasion rate was very low， all ofthe inds meet the requirements of potato harvest． The indicators meet the requirements of the potato harvesting Thisstudy provides a reference for design and research of potato digger．Key words potato digger; digger blade; lift chain; two－row type 上接 第 92 页 Abstract ID 1003－188X 2019 06－0088－EADetection of Seeding Tray Displacement Error andＲesearch of Control SystemＲen Ling， Cao Weibin， Ma Ｒui， Wang Ning Mechanical and Electrical Engineering College ， Shihezi University， Shihezi 832000， ChinaAbstract In this paper， the seedling tray conveying control system were studied， the displacement error and correction were analyzed．Due to taking seedling mechanism fixed position， we use the solution of one mitsubishi PLC controltwo motors to achieve the function of seedling plate horizontal and vertical transmission． We use GX Developer simulationsoftware realize the control of PLC program design．Controller control two stepper motors drive the seedling plate transverseand longitudinal shift through the pulse signal with the direction of instruction， which make the movement of seeding andthe taker cooperation effective and achieve automation．Joint simulation software of PLC and touch screen software， realizethe real－time display of the operation parameters．Key words transplanting seedling plate conveyor; control system; error correction; joint simulation 上接第 97 页 Abstract ID 1003－188X 2019 06－0093－EADesign of Single－drive Dual－clip Strawberry end EffectorZhang Man1， 2， 3， 4， Xu Ｒuifeng1， 2， 3， 4， Feng Qingchun2， 4， Wang Xiu2， 4， Zhao Chunjiang1， 3 1．College of Mechanical and Electronic Engineering， Northwest A＆F University， Yanling 712100， China; 2．BeijingＲesearch Center of Intelligent Equipment for Agriculture， Beijing100097， China; 3．Key Laboratory of Agri－inatics，Ministry of Agriculture， Beijing 100081， China; 4．Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agri-culture， Beijing 100097， ChinaAbstract Aiming at the need of automated harvesting of greenhouse elevated strawberry， a single－drive and double－holding picking end effector was designed． The end effector adopts a single－cylinder drive to finish picking strawberry Byholding the fruit stems which close to the strawberry， which is compact in structure， convenient in control， and good inversatility． By measuring and analyzing the growth morphological parameters and mechanical parameters of the fruit stems，the structural model of the actuator at the end effector was optimized， and the mechanical model of the gripping andshearing perance of the stems was verified．Key words strawberry; picking ; end effector; single drive and double holding3012019 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期