一种水果被动抓取末端执行器的结构设计与仿真

 

孙金风 ，李志成，熊高健

 

( 湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉 430068  )

 

摘 要: 针对水果采摘、分拣自动化程度低的现状，设计了一种水果被动抓取末端执行器，以抓取苹果为例进行结构分析、受力分析、优化分析，设计出具有可调节性的柔性缓冲装置，该装置通过调节可以抓取多种球型水果，利用Creo软件进行三维建模，利用MATLAB软件进行优化设计，为了验证该执行器的合理性，利用ADAMS软件进行虚拟样机仿真。该末端执行器可以广泛应用于水果产业链中的水果采摘及分拣领域。

关键词:  水果抓取;  末端执行器;  柔性缓冲;   优化仿真

中图分类号:  TP242． 6 文献标识码:  A 文章编号: 

 

0 引言

作为水国产业大国，我国果园生产的机械化水平还处于初级阶段，水果采收分拣机械化程度低^【1】，快速实现水果采摘、分拣等自动化是当前需要解决的问题^【2】，国内外众多学者都在致力于水果被动抓取机器人的研究^【3-11】，取得较多成果，但是也面临着许多问题，既要保证抓取效率和抓取成功率，还要保证水果外形完整^【12】，同时，在商业化方面，设计一个能同时抓取苹果、柑橘、桃子等多种水果的末端执行器能节省成本，创造效率。

为了解决以上问题，本文提出了一种适用于多种球型水果被动抓取的末端执行器的设计方案，用Creo进行整体结构设计，结合实例进行优化设计，并对柔性缓冲装置进行改进优化，提出一种能抓取多种水果的方案，通过仿真，验证方案的可行性。

1  整体结构

该末端执行器主要由步进电机、曲柄滑块机构、滑块支撑杆、抓取手指等部分组成。

步进电机通过联轴器带动滑块支撑杆转动，驱动曲柄滑块机构，就能实现抓取手指向水果的移动，当抓取手指内侧软胶接触苹果表面时，抓取手指继续移动，进一步抓紧水果，当水果对抓取手指的反作用力大于扭转弹簧的预紧力时，抓取手指和抓取手指连接块会产生相对旋转，使抓取手指向外侧偏移，使抓取手指的凸起松开按动开关，按动开关断开就会产生一

停止信号，使传动系统停止电机的运动，抓取手指停

 

收稿日期: 

基金项目:国家自然科学基金项目（National Natural Science Foundation of China）：项目号51405140

作者简介:孙金风（1979-），男，湖北鄂州，副教授，工学硕士，主要研究方向为机器人技术，机械设计及理论。

止收缩，从而防止水果因抓取力过大而产生损伤。水果抓取过程完成。

       

1.步进电机  2.联轴器  3.上滑台  4.曲柄滑块机构

5.下滑台  6.抓取手指

图1   末端执行器的主体结构示意图

1.手指连接块 2.按动开关 3.按动开关压块  4.手指竖直部分  

5.软胶  6.手指弯曲部分  7.压缩弹簧 8.预紧力指针 9.调整螺母

10.预紧力刻度尺 11.预紧力指示器 12.手指调整块

图2  抓取手指结构图

2  机械手指的设计

2.1  手指轮廓设计

图2为抓取手指结构图，常见的苹果抓取机械手都采用两个平面手指^【13】，这种平面手指与水果的接触面积小，从而需要更大的抓取力抓起水果，进而导致抓取力过大损坏水果，为了降低手指的抓取力，本设计采用3个具有近似苹果轮廓曲线的弯曲手指作为抓取执行部件，弯曲手指不仅能通过与苹果的正压力产生摩擦力，还能提供竖直向上的分力，摩擦力和竖直向上的分力可以克服苹果自身的重力，因此，机械手在较小的抓取力就能抓起苹果，抓取手指对苹果的压力较小，不易损坏苹果。

为了获得苹果的近似轮廓曲线，采集不同品种的苹果的正面图片，用Photoshop软件进行图像处理，将处理后的图片导入MATLAB软件，利用MATLAB软件进行图像数据提取，最后用平均值算法，得出综合轮廓曲线。再将综合轮廓曲线导入Creo2.0软件进行三维建模，形成机械手指，在手指上添加粘接橡胶层，增大摩擦力，减小挤压力。

2.2  抓取力的计算

以抓取苹果为例，对抓取手指进行力分析，由于苹果表面轮廓不规则，抓取手指和水果表面接触情况因水果外形不同和实际夹取位置不同而不同，受力情况复杂，因此本次设计采用简化分析的方法。

先将受力模型简化，计算出在理想接触抓取的情况下的抓取力，柔性缓冲装置具有弹簧，后期通过缓冲调整装置进行调整。简化受力图如图3。

 

F：机械手对苹果表面的平均作用力  G：苹果的重力 f：苹果受到的摩擦力     AB：简化的苹果受力面 θ：受力面与水平的夹角 D：苹果直径

Ft：压缩弹簧对手指的作用力  L：水果反作用力臂  Lt：压缩弹簧作用力臂

F：苹果对机械手的反作用力  θ1：F与L的夹角

图3  简化受力图

 

由受力平衡：

1

苹果简化成球体，密度为，手指橡胶与苹果接触部分静摩擦系数为。
将；；；代入公式有：

 

本设计抓取手指部分高度为使苹果直径D的范围为60100mm时代入MATLAB计算结果图形如下：

 

图4 水果直径变化与压力关系图

由图4数据，取安全系数为2，可知在理想接触情况下苹果的最小抓取力为：

 

采摘期最小苹果果肉硬度值，机械手指与苹果的接触面积为，不破坏苹果的最大抓取力为：

 

取最佳抓取力为：

 

即该装置抓取苹果的最佳抓取力为25.3N，其他球型水果的最佳抓取力可以类似拓展。

2

利用该计算力矩平衡分析，通过不同水果的抓取力不同对弹簧进行选型，即受水果表面硬度的影响，通过查阅各种球型水果的表面硬度，得出如下抓取力与弹簧力选择推荐表：

表1 不同水果抓取力与弹簧力分析

球型水果	表面硬度	最佳抓取力N	所需弹簧力N
苹果	5	25.3	44.1
柑橘	1.8	3	13.4
桃子	0.25	1.7	7.5

 

通过螺母对该弹簧预紧力的调整，就能调整出适合其他需要较小抓取力的水果的力度值，扩大了抓取对象的范围。在实际产品中，可以根据抓取对象的特殊要求更换所需的压缩弹簧，满足特定的抓取要求。

 

2． 3  柔性缓冲装置的改进设计

防止抓取水果时抓取力过大而破坏水果表面，水果抓取末端执行器大都会设计柔性缓冲装置，典型的缓冲装置是利用力学传感器，该传感器通过电流信号将抓取力进行分析、提取并输出，从而控制末端执行器的抓取力度。

该类型的柔性缓冲传感器存在弊端，由于没有缓冲装置，机械手指的力度控制完全由传感器决定，在实际应用中，从传感器达到预定极限值到抓取装置停止动作这一过程需要一定的反应时间，如果缺乏缓冲装置，到达预定力度时，由于系统延迟和运动惯性导致抓取机械手继续运动而损坏水果。

结合上面的问题考虑，提出了一种柔性缓冲装置的改进设计。

         

图4  柔性缓冲装置的运动过程

如图4所示，结合末端执行器的结构和抓取手指横向运动方式，使机械手指能绕固定点转动，并且用弹簧进行缓冲。

工作时，当抓取手指对固定O点的力矩大于压缩弹簧对O点的力矩时，抓取手指会相对于抓取手指连接块向外侧转动，以防止运动冲击对水果的损伤。同时由于按动开关压块随着抓取手指运动而解除对按动开关的压力，按动开关由接通状态变为断开状态，会生一个令驱动电机停止运动的信号，驱动电机停止运动，抓取手指停止运动，防止水果产生损伤，抓取动作结束。当抓取手指松开水果时，抓取手指在压缩弹簧回复力的作用下归正，按动开关压块重新压紧按动开关，柔性缓冲装置复位。

而且由于弹簧的预紧力可通过压缩弹簧的程度来调整，因此，当抓取水果种类改变时，可通过改变螺母的相对位置，来调整弹簧的预紧力，实现不同品种水果的抓取。

该装置有较长的缓冲时间，为系统灵敏度提供了宽松的要求。  

 

3  优化计算

曲柄滑块机构作为末端执行器的主要执行机构，使用MATLAB软件对其进行尺寸优化。

（1）设计变量

为保证滑台尺寸合理，将曲柄的长度r和连杆长度l作为设计变量，

（2）约束条件

根据水果大小以及工作要求，抓取手指的抓取范围为10～100mm，为了防止干涉，取曲柄旋转角度范围为0～110°，滑块移动的行程差为45mm，曲柄旋转一周，最大行程差为2r，则：

取r的下界为23mm，根据余弦定理：

当时，有不等式约束条件：

当时，不等式约束条件为：

当时，不等式约束条件为：

为防止B点的链接点与圆柄盘在运动中产生触碰干涉，取圆柄盘和连杆最小预留安装空间为12mm。

当时，不等式约束条件为：

则行程差S有：

（3）目标函数

取曲柄长度r与连杆长度l的和作为目标函数。取曲柄长度的上界为40mm，连杆长度的上界为70mm，连杆长度的下界与曲柄长度的下界相同。

将以上数学模型在MATLAB软件中进行优化设计，输出结果为曲柄长度为28.53mm，圆整为28.5mm，连杆长度为57mm。

4  ADAMS仿真分析

将三维模型导入ADAMS进行仿真，将Creo软件画好的三维模型分为：机械手指；曲柄轴；连杆；滑块；电机；联轴器；上下滑台。分别保存为ParaSolid(*.x_t)格式文件，然后导入ADAMS软件添加约束，在上下滑台与ground之间添加固定副，在电机与联轴器之间添加转动副，在联轴器与曲柄轴之间添加转动副，在曲柄与连杆之间添加转动副，在联轴器与曲柄轴之间添加转动副，在曲柄与连杆之间添加转动副，在滑块与滑台之间添加平移副，在滑块与机械手指之间添加固定副。设置重力方向为-Y方向。

导入ADAMS模型如图5所示。

图5  末端执行器ADAMS虚拟样机

为了防止水果在抓取过程中受损伤，机械手指运动需平稳匀速，仿真的目的是为了验证当机械手指匀速运动时，该末端执行器是否能平稳运行，各构件是否有干涉现象，各零件速度是否符合要求。

 

图6 曲柄滑块机构各部件变量变化图

如图6所示，线条1表示曲柄的速度，线条2表示滑块的位移，由图右边竖轴可以得知滑块移动的行程差，线条3表示滑块的速度，由图可知当曲柄匀速转动时，滑块并不匀速，会导致抓取时破坏水果，选取合适步进电机使滑块匀速运动可以解决这一问题。

5 结论

本文设计了一种水果被动抓取的末端执行器，前期以抓取苹果为例对末端执行器进行受力分析、结构设计和优化设计。其中包括对苹果表面轮廓形状的提取，使抓取手指呈现和苹果相似的弯曲状，以增大抓取手指和苹果的接触面积。本设计的创新点在于柔性缓冲装置的设计，通过柔性缓冲装置可以控制抓取力度大小，保证在抓紧水果的同时，不破坏水果的组织，可以实现对水果的无损抓取。该柔性缓冲装置具有可调性，通过对压缩弹簧长度的调整，可以实现对不同品种水果的抓取力的调整，实现最佳抓取力，扩大了抓取对象范围。而且取代了一般水果抓取末端执行器上的传感器控制结构，降低了成本和系统的繁琐性。

设计后期还涉及曲柄滑块机构的尺寸优化设计。为减小模型尺寸，在Matlab软件中将曲柄滑块机构中的曲柄长度和连杆长度之和作为目标函数，将该机构在实际运行时的各种约束条件作为约束函数，将曲柄和连杆长度作为设计变量，优化得出满足行程要求的最小曲柄和连杆尺寸。最后利用ADAMS软件进行仿真分析，验证了系统在平稳抓取水果时的可行性，充分发挥了三维软件在计算机辅助设计中的作用。

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