果蔬采摘欠驱动灵巧机械手的设计

杨婕， 赵晓栋，2， 宋申祥 ， 张兆德 ，2

（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山316022）

0 引言

果蔬采摘机器人的研究在国外已经有40多年的历史，日本和欧美等发达国家相继研究用于采摘番茄、黄瓜、苹果、蘑菇等果蔬的智能机器人［1-6］。对于外表皮较薄较脆的果蔬，对手爪抓持力的控制要求很高，同时要求夹持系统需要具有一定柔性，可以补偿部分力控制产生的误差，避免夹持力过大压伤外表或夹持力过小抓取失稳而造成果蔬掉落。欠驱动灵巧机械手是一种理想的方案，其结构紧凑，重量轻，控制简化，抓取可靠［7］，并能很好地贴合各种球状水果外形。

通常一般机构正常工作的条件是驱动器数目等于机构本身自由度，即所谓的全驱动方式，如常见的6自由度工业机器人都具有6个驱动器。当机构的驱动器数目少于机构本身自由度数目，可依靠机构自身的动力约束条件来正常工作［8］，这类机构称之为欠驱动机构。在欠驱动方式下，机械手爪上可以只安装1个驱动器，依靠弹簧和机械限位装置来实现机构正常工作所需的动力约束条件，即1个驱动器可以驱动手指上每个关节的运动。欠驱动机械手的原理［9］（如图1所示）采用曲柄连杆方式，与滑轮和凸轮方式相比，在传动过程中损失能量较小，产生的力更大，运用范围更广。

图1 欠驱动机械手的工作原理

与全驱动多指手爪相比，欠驱动机械手具有驱动器数目少、成本低、控制简单、可靠性高的特点，由于欠驱动机械手手指机构中存在作为动力约束的弹簧或扭簧，使机械手本身具有一定的柔性，可实现无损采摘。本文利用欠驱动机构设计了一种果蔬采摘欠驱动灵巧机械手（以苹果采摘为例），采用1个电动机驱动三根手指，灵活性高、结构简单。

1 采摘对象物理特性分析

该欠驱动灵巧手采摘对象选取直径为60～95 mm，高度为50～85 mm的苹果为例。根据文献［10］，采用果实硬度计测定我国典型品种苹果的不同果实部位的果肉硬度的试验得知，苹果的硬度一般为100 N/cm2，因此当果实表面受压小于20 N时不会遭到破坏，而其果肉细胞在小于100 N的压力时也不会遭到破坏。

2 欠驱动机械手的结构和工作原理

该欠驱动机械手由手指、支架、滚珠丝杠、曲柄摇杆机构和直流伺服电动机构成。共有6个自由度，采用1个电动机同时驱动3根手指。整体机构采用硬质铝合金，既保持了铝本身较轻的特性，也保证了较好的机械性能。结构和尺寸如图2、图 3所示。

图3 欠驱动机械手的三维造型图

其工作原理如下：电动机正转时，滚珠丝杠旋转，带动与丝杠螺母相连的支架上升，并驱动3个手指的曲柄和连杆上升，在弹簧的作用下，推动手指下关节和上关节使3个手指收拢，抓取水果。当手指的压力达到压力传感器设计的压力阀值时，电动机停止转动，依靠手腕关节的旋转，完成苹果的摘取，如图4（a）和图4（b）所示。当机械手臂运动到包装箱处，电动机反转，带动联接在滚珠丝杠上的螺母下降，从而使支架下降，手指张开，松开水果后，电动机停止转动，如图4（c），完成一次水果的采摘和放置动作。

图4 欠驱动机械手采摘模拟过程

3 欠驱动机械手主要部件和机构设计

3.1 指端结构的设计

在手指的数量选择方面，可以模仿人类手指设计，利用5指可以完成所有动作，但并不是手指数量越多，精度和可靠性就会越高：因为手指数量增加，需要的传感器就会增加，传动结构和控制系统就越复杂，在实际应用中的可靠性和精度就会降低。对于抓取苹果这类球型水果，3根手指即能保证平稳抓取，其余手指只是起到辅助作用，因此设计中选择3指。3根手指以120°夹角均匀安装在支架上，通过轴与上板相连接。每根手指分上下两段指节，尺寸为34 mm和60 mm，完全能够包络尺寸较大的水果，完成采摘动作。与3指节的欠驱动机械手爪［9］相比性能上各有优势，而其结构简单、成本低的特点更能适合农业采摘自动化的应用发展。

水果汁液一般为弱酸性，因此手指材料采用尼龙。相比金属材料和聚酯材料，尼龙具有较好的综合力学性能和耐磨损性、耐腐蚀性。

为了在水果受到压力时保护表皮不受破坏，手指指面和下指节内侧均覆盖一层硅胶，内嵌压力传感器。在压力达到阀值时，控制系统会发出信号，电机停止转动。手爪指端结构如图5所示。

图5 指端结构图

3.2 传动机构的设计

传动机构以支架为主体，利用丝杠螺母副和曲柄摇杆机构传递力和运动。

滚珠丝杠传动精度高，摩擦力小，使用寿命长，且具有自锁功能。在电动机停止转动后，中板在丝杠的自锁作用下停止运动，手爪会保持抓住水果的姿态不变。中板与螺母使用螺栓连接，与丝杠组成一个由旋转运动转变为直线升降运动的运动副。支架上下板采用3根支撑杆固定，并起到导向作用，使中板沿支撑杆上下运动。

为了使曲柄摇杆机构顺畅运动，在连接轴上安装了37系列内径为4 mm的深沟球轴承，用以承受径向载荷，减小动摩擦力。

为了实现1个驱动力产生2个自由度的效果，在连杆和摇杆之间安装扭簧。当手指下指节接触到苹果时，受到苹果的反作用力，而无法继续运动；连杆2在下方曲柄的推动下继续运动，此时扭簧被压缩，连杆2继续驱动与上指节相连的连杆1运动，上指节在下指节和连杆2的共同作用下运动，并抓住苹果；当手指上的压力达到所设计的阈值时，控制系统发出信号，电动机停止转动。

图6 驱动机构结构图

图7 传动机构的受力分析图

图8 驱动机构受力分析图

3.3 驱动机构的设计

由于水果表皮受压过大后容易受损，在选择电动机时需要考虑到其驱动力和控制精度两方面因素。对于小型的机械手爪而言，选择直流伺服电动机较为合适。这种电动机转动惯量小、动态特性好，控制精度高。调节电动机的控制电压可调速，操作简便。驱动机构的结构如图6所示。

假设夹取的苹果高为55mm，直径为79mm；苹果受到20 N的临界压力时表皮被破坏，取临界压力的85%为安全压力 F，则 F=15 N；手爪的夹取力为N，各杆受力分别为 F1、F2、F3、F4，曲柄连杆机构受力分析如图7。N、F1、F2、F3的力臂分别为 L1、L2、L3、L4。

根据力矩平衡条件可知，NL1=F1L2，F1=15×14.17÷5.67=37.5 N。

连杆1和曲柄均为二力杆，则 F1=F2，F3=F4，F3L4=F2L3，F3=37.5×35÷11.6=113.1 N=F4。

滚珠丝杠受到电动机向上的驱动力F5和曲柄通过支架中板的反作用力F4，其简化的受力模型分析如图8所示，可得

丝杠导程为L0=0.2 cm，本设计中选择的丝杠均为单头，导程即为螺距。

因此电动机上的负载转矩为

考虑实际工作中的安全系数K，设K=2，则T=Tm·K=3.95×2=7.9 N·cm。

根据计算所得的电动机实际负载转矩值Tm，可选取Maxon Re13微型直流伺服电机，电压为12 V，输出功率为2.8 W，空载转速为13 500 r/mmin，带1∶68减速器，最终输出转速为195 r/min。

4结语

本文通过对欠驱动原理的研究分析，设计并研制了一种果蔬采摘欠驱动机械手。该欠驱动机械手爪由手指、支架、滚珠丝杠、曲柄摇杆机构和直流伺服电动机构成，整体机构采用硬质铝合金，指端结构采用尼龙和硅胶材料制成。该机共有6个自由度，采用一个微型直流伺服电机同时驱动3根手指、6个指节，可以实现对果实的包络抓取，并具有控制简单可靠、抓取稳定、不损伤果实等特点。其灵活性高、结构简单、体积小、成本低，能够适应农业采摘自动化技术的推广。

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