三爪机械手在脐橙果实采摘中的可行性分析

李秉旭

(佳木斯大学 机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154003)

我国幅员辽阔，对于脐橙的种植有着得天独厚的条件，脐橙的产量也不断攀升[1]。近年来，我国社会经济的发展非常迅速，周边城市对于农村地区的人口吸纳效应明显，加上人口老龄化的影响，使得从事农业生产的人越来越少。农村劳动力不足，成熟的脐橙果实得不到及时采摘的情况时有发生，降低了脐橙果树种植的经济效益。因此解决在脐橙采摘过程中劳动力替代和提高生产率等问题，发展智能收获技术，已成为我国农业机器人技术和脐橙收获技术的重要研究方向[2]。

脐橙的整个生产流程中大多对劳动力需求较大，尤其是采摘环节更是其中之最。由于脐橙对于完整度及品相的要求较高，本身又十分脆弱，至今仍未实现自动化采摘流程。采摘环节是整个脐橙生产流程中对于劳动力需求最大的一环，也是最为重要的一环。脐橙的采摘有着鲜明的季节性和位置性。季节性主要表现在夏季和冬季，由于温度影响，导致人工手动采摘的效率大幅度降低，会造成周期性的劳动力急缺、劳动力成本突增，从而增加了脐橙的种植生产成本。位置性主要表现在脐橙的成熟位置，由于脐橙成熟位置过高，导致人工手动采摘效率降低。以及在采摘收货的过程中采摘机械及工具会对脐橙造成损伤，影响了采摘的效率。

为实现自动化采摘脐橙，本文针对三爪机械手[3]对脐橙果实无损采摘的可行性进行分析。

1 脐橙的力学参数研究

为验证三爪机械手对脐橙果实无损采摘的可行性，首先确定脐橙果实的结构和形态参数是分析的前提，因此首先针对脐橙进行物理实验确定物理参数。

如图1所示，果实的基本物理参数包括果实横向直径Da，纵向直径Db，果实高度H，果实质量M。测量工具为广陆游标卡尺和香山衡器电子秤，游标卡尺的精度为0.01 mm，量程为150～200 mm，配有液晶显示和滑轮推手，用来测量果实的直径与高度；电子秤的量程为0～5 kg，精度为0.1 g用来测量过时的质量。本次测量的样本容量为100个，图2为实际测量脐橙物理参数。

图1 脐橙形态参数

图2 脐橙形态参数测试图

1.1 果实受力测试

本文设计的末端执行器主体是三爪机械手，在采摘过程中与果实实际接触的是末端的三根机械爪，因此抓取时果实的受力情况可以简化为如图3所示，即为采摘对象受力分析图。三个采摘爪均与采摘对象接触，所以采摘机械手与采摘对象共有三个接触点，采摘对象受到的力主要是与该处相接触的采摘爪对其作用产生的正压力Ni和摩擦力fi，采摘对象自身重力为G，机械手与中心线间夹角为θ。

图3 采摘对象手里分析图

采摘爪与采摘对象间的接触可看作是有摩擦的点接触，真空吸盘停止吸附动作后，其对采摘对象的吸附力消失。此时的采摘对象能够被采摘爪稳定夹持且不会从中滑落的临界条件是：果实的重力等于采摘爪对果实产生的正压力及摩擦力在竖直方向的分量：

(1)

设最小正压力为Nmin，则其应满足：

(2)

因为采摘爪对果实的作用点、作用力是关于中心线均匀分布的，所以在三个接触点处果实受到的正压力Ni是大小相等的。在此情况下，被夹持的果实受到的最小正压力为：

(3)

各接触点处摩擦力：

fi=μNi

(4)

式中：M为采摘对象的质量，单位为kg；g为重力加速度；μ为果实表皮与三爪采摘机械手橡胶部分的静摩擦系数；f1、f2、f3分别为三根手指与果实表面产生的静摩擦力。由于果实成熟之后表皮十分柔软极易损伤，故本文选取果实受到压力而破坏时的最小压力临界值为F，为了确保果实在抓取与采摘的过程中不被机械手破坏，即有以下不等式成立：

F>Nmin

(5)

同时为了确保三爪机械手在抓取果实时，果实能够稳定的被机械手所夹持住而不产生滑动，又存在以下不等式：

(6)

上面不等式中的3Nmin为三爪机械手在抓取果实时，三根手指与果实间的静摩擦力，Mg为果实的自身重力。

根据以上公式可知，当不等式(5)与不等式(6)同时成立时，三爪机械手就可以保证在抓取和采摘的过程中果实可以稳定的被机械手握持住而不会发生滑移，也可以保证果实不会被机械手所损伤，所以本节将对果实的质量与压破坏时所受的临界压力进行测试，故本文采用TA.TOUCH质构仪[4-7]对果实进行压缩实验，以确定脐橙外表皮可以受到的最小压力，图4为TA.TOUCH质构仪。

图4 TA.TOUCH质构仪

在测量过果实的物理参数后，发现脐橙表皮的弹性形变较好可以承受较大的压力而不破坏，为确保在形变后而破坏脐橙的表皮，本节将实验终止的条件设定为果实横向形变量达到40%。本质构仪的测试臂在接触到果实之前的下降速度为测试前速度，在测试臂与果实接触时的下降速度为测试速度，在测试臂与果实完成压缩试验后上升的速度为测试后速度，且将测试前速度、测试速度和测试后速度均设置为3 mm/s。测试臂与果实一旦相接触产生了果实给测试臂反作用力，即为测试试验开始，将反作用大小设定为10 gf，测试臂检测到10 gf的力时测试试验开始并记录实验数据。图5为果实经过质构仪进行一次压缩实验所获得的压缩实验曲线图，该曲线图的横坐标为质构仪测试臂的位移量，纵坐标为测试臂压缩时施加的正压力。本次实验是为了测试果实损伤的压力，故采用40%形变量作为实验终止条件，以确保果实表皮在实验中不充分破坏，在曲线达到峰值点时，即为果实的损伤压力。

本次测试对100组脐橙进行了损伤压力测试，损伤压力范围在3 142.379 60 gf之间，具体数据如表1所示。因为果实的柔软程度会根据成熟程度不同而改变，所以在进行果实损伤压力测试时分成了两组，一组是在果树上最佳成熟期的，另一组是超过最佳成熟期，分别对成熟程度不相同的果实进行了测试得到测试结果。根据测试结果可以发现，果实的成熟程度对损伤压力的影响微乎其微，故本次测量果实的损伤压力值可以运用在实际采摘中。又对果实的横向直径、纵向直径、高度和质量进行测量，为求解三爪机械手夹持果实时所需的临界压力值提供了数据。

图5 果实压缩实验压力记录曲线图

表1 果实压力测试数据

通过上表可知最小压力为2 192.13 gf，首先要对测试单位gf进行转换处理变为标准国际单位，得到的标准国际单位N为压力值，本文重力加速度g取值为9.8。对本次实验中最小压力进行转换后得到最小损伤压力为21.48 N。为计算式2.6中的最小压力，其中m取值为100个样本测量结果的平均值125.3 g，静摩擦系数μ是由果实表面和软指材料之间的摩擦系数所决定的，为保证三爪机械手能够稳定的抓取果实，静摩擦系数μ取0.362[8-10]，机械抓开合角度θ根据测量果实直径和高度可知变化范围是0°到70°。将以上数据代入式2.3中可计算处三爪机械手稳定加持果实时最小压力Nmin为0.91 N。

经过上述试验可知，脐橙果实表皮损伤的最小压力为21.48 N，而三爪机械手可以稳定抓取果实且不发生滑移的最小压力为0.91 N，远远小于表皮损伤最小压力，故三爪机械手抓力应控制在0.91～21.48 N之间，即可以满足对果实稳定抓取的需要还可以不对果实造成损伤。

1.2 测量结果与统计分析

为了检验测量数据是否存在较大误差，采用统计学的正态性检验[11-14]，在测试数据的样本容量充足时采用S-W检验(Shapiro—Wilk test)和K-S(Kolmogorov-Smirnov test)检验取得的结果大致相同，但是在样本容量较小时S-W检验结果更加准确，该检测方法是根据数据的峰值和偏离度所诱发的非正态性的检测方法，则W的定义为式(7)。根据本次实验的样本容量较小，故采用S-W正态分布检测，测量结果如表2所示。果实的横向直径Da，果实的纵向直径Db，果实高度H，果实质量M以及果实损伤压力F在S-W检验中的P值分别为0.394，0.698，0.564，0.493，0.925，在α=0.05的检验水准下均大于P=0.05，可认为经测量的数据均服从正态分布，图6为数据分布图，从图中横坐标为测试果实的序号，纵坐标为果实的物理参数，也可看出测量数据不存在异常。

(7)

表2 果实基本形态参数统计结果

图6 果实基本参数统计图

2 三爪机械手结构设计及仿真

2.1 三爪机械手结构设计

本文设计的三爪机械手主要是针对脐橙果实进行抓取和采摘。根据脐橙果实成熟后表皮柔软易受损伤，影响后续出售，因此在选择三爪机械手的机械手指材料时采用软指材料，软指材料在抓取易变形和易碎的物品方面具有优异的性能。基于软指材料设计机械手指的骨架结构，为更好的使得机械手指与脐橙果实紧紧贴合，机械手的骨架结构应用鳍条设计，该结构具有V型的骨架结构，中间嵌入一系列的支撑。此结构的特点是一侧受到作用力时，自由端会向施力方向的反方向弯曲从而使骨架侧表面与被抓物体紧紧贴合，形成有效抓力，最终实物如图7所示。应用了软指材料和鳍条设计的机械手可以对果实进行牢固的抓取，将目标果实固定，不发生滑移。又因为机械手可以对果实进行牢固的抓取，所以在采摘方式可以选取将脐橙果柄拧断或切断的方式。

图7中气缸驱动器主要控制软指的开合。当果实可以被机械视觉定位后，三爪机械手移动到合适位置，首先通过真空吸盘将果实吸附，再通过气缸驱动控制软指进行闭合运动，实现对果实的固定作用；部分果实未被机械视觉识别，操作员可以做出相应手势通过体感系统控制气动系统，最终实现对未被识别的果实进行抓取。

图7 三爪机械手1.软指；2.真空吸盘；3.气缸驱动器

为了验证三爪机械手机构设计的可行性，便于接下来对其结构进行优化和有限元分析仿真，本节首先采用Solidworks三维建模软件对三爪机械手进行建模，最终三维模型如图8所示。

图8 三爪机械手和软指结构三维建模图

2.2 三爪机械手有限元仿真

在前两节中分别对三爪机械手的抓取力度和机械结构展开了研究，本节针对之前的研究结果，在有限元分析软件中进行建模分析。有限元模型在Ansys软件中建立，考虑到实际抓取过程中，仅有软指和软指基座有受力，所以建立有限元模型时，舍去其余未受力部分，以节省计算机算力，实际建模如图9所示。三根软指和软指基座共划分了22 553个单元，在规则形状处采用矩形网格，在不规则处采用三角网格。

图9 三爪机械手有限元模型

机械手的软指基座和连杆均使用的铝合金材料材料密度、弹性模量和泊松比分别为2 750 kg/m3、69 000 MPa和0.35。软指使用的是热塑性聚氨酯(TPU)材料，该材料的材料密度、硬度分别为120 kg/m3和50 HA。再根据果实所能承受最大压力对机械手施加载荷。有限元仿真结果如图10所示，分别为形变量、等效弹性应变和等效应力。仿真结果显示力学性能均在材料允许范围内，故本文设计的三爪机械手可以对脐橙果实进行抓取采摘。

图10 有限元仿真结果图

3 结论

在脐橙果实物理参数的测量和受力分析的基础上，使用质构仪测试果实受压损伤的极限压力，再利用统计学分析测试结果的准确性。根据测量数据设计末端执行的结构，在SolidWorks进行三维建模后使用ANSYS分析抓取果实时的受力情况。最终实现了三爪机械手对脐橙果实的无损采摘。