張 曼，徐瑞峰，馮青春，王 秀，趙春江

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097)

0 引言

草莓(strawberry)因其味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富、經(jīng)濟(jì)效益高，在我國(guó)乃至世界各地都被大量種植。目前，草莓采摘主要依賴人工，收獲季節(jié)作業(yè)量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，加上幾年來(lái)農(nóng)村勞動(dòng)力大量流失，導(dǎo)致草莓采摘環(huán)節(jié)作業(yè)量占草莓各生產(chǎn)環(huán)節(jié)成作業(yè)量的40%左右[1]。所以，機(jī)械化采摘技術(shù)成為現(xiàn)階段重點(diǎn)研究課題之一。作為直接和草莓果實(shí)接觸的部分，末端執(zhí)行器的研究顯得尤為重要。

日本近藤直等人設(shè)計(jì)的高架栽培草莓采摘機(jī)器人[2-4]采用真空吸引、螺旋切割器切斷果柄的方式進(jìn)行采摘；真空吸附方式采摘，對(duì)采摘定位精度要求較低，但容易造成果實(shí)損傷。通過(guò)對(duì)果柄采摘點(diǎn)進(jìn)行定位，以?shī)A持和切斷果柄，是目前草莓自動(dòng)采摘的主要方式[5]，剪切方式包括機(jī)械切刀和電熱切割兩類。目前，草莓采摘末端執(zhí)行器存在結(jié)構(gòu)冗余、控制復(fù)雜及通用性差的問(wèn)題[6]。

本文針對(duì)目前草莓機(jī)械采摘結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高及易對(duì)草莓產(chǎn)生機(jī)械損傷等問(wèn)題，通過(guò)測(cè)量分析草莓果實(shí)和果柄的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種單驅(qū)雙夾式草莓末端執(zhí)行器，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 末端執(zhí)行器整體方案設(shè)計(jì)

1.1 方案選擇

末端執(zhí)行器的工作是將果實(shí)與果柄分離，實(shí)現(xiàn)分離通常采用兩種方式，即切斷果梗和扭斷果梗。其中，扭斷果柄需要對(duì)果實(shí)進(jìn)行抓取并施加一定的力，所以該方式適合用于一些形狀規(guī)則、硬度較高且富有彈性的水果采摘作業(yè)中，如橙子、柚子等。成熟的草莓果實(shí)外形不規(guī)則，表皮易損，高架栽培的草莓成熟后基本處于懸空狀態(tài)，遮擋少且果柄軟長(zhǎng)，為避免對(duì)草莓產(chǎn)生的機(jī)械損傷，本末端執(zhí)行器采用剪斷果柄的采摘方式。為實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘下的果實(shí)進(jìn)行收集，采用“單驅(qū)雙夾”的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單氣缸對(duì)果柄剪切和夾持機(jī)構(gòu)的同步驅(qū)動(dòng)，滿足采摘和收集要求的同時(shí)使機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單和緊湊。

1.2 虛擬樣機(jī)模型

溫室內(nèi)高架栽培的草莓成熟后自然垂落在栽培槽外側(cè)，莖葉對(duì)果實(shí)遮擋少，適合剪斷果柄的末端執(zhí)行器作業(yè)[7]。末端執(zhí)行器主要由剪刀、果柄夾持塊、連桿和氣缸組成，如圖1所示。

剪刀由下方安裝果柄夾持塊的定刀和動(dòng)刀組成，動(dòng)刀通過(guò)連桿、Y型接頭和氣缸的活塞連接，定刀上加工限位孔限制動(dòng)刀張開(kāi)閉合角度。工作過(guò)程如下：視覺(jué)系統(tǒng)工作時(shí)氣缸處于伸出狀態(tài)，剪刀張開(kāi)；當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)獲得采摘點(diǎn)坐標(biāo)后，末端執(zhí)行器隨機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到采摘點(diǎn)，氣缸收縮，帶動(dòng)Y型接頭、連桿和動(dòng)刀運(yùn)動(dòng)，切斷果柄；由于“單驅(qū)雙夾”的結(jié)構(gòu)，在剪刀剪斷果柄的同時(shí)，定刀和動(dòng)刀下方的果柄夾持塊穩(wěn)定的夾持住果柄，隨機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到果實(shí)收集筐上方預(yù)定位置氣缸伸出，放下果實(shí)，機(jī)械臂復(fù)位，準(zhǔn)備下一次采摘。

1.夾持塊 2.定刀 3.連桿 4.動(dòng)刀 5.Y型連接頭 6.氣缸

2 草莓采摘末端執(zhí)行器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 草莓采摘力學(xué)參數(shù)測(cè)量

末端執(zhí)行器是直接接觸果實(shí)的部件，所以目標(biāo)果實(shí)的相關(guān)參數(shù)在末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)中起到關(guān)鍵作用。在采摘機(jī)器人采摘過(guò)程中，由于末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)失誤而導(dǎo)致采摘失敗的情況時(shí)有發(fā)生，如由于剪切力不夠不能完成剪切甚至對(duì)植株產(chǎn)生拉扯、抓取和夾持力過(guò)大損傷果實(shí)、抓取和夾持不穩(wěn)定使果實(shí)掉落等[8]，所以測(cè)量果實(shí)相關(guān)物理參數(shù)對(duì)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)具有重大意義。本文以北京市昌平區(qū)特菜大觀園草莓采摘棚中“圣誕紅”品種高架栽培草莓果實(shí)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其采摘力學(xué)參數(shù)的測(cè)量分析，為末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.1.1 果實(shí)生長(zhǎng)特性分析

果實(shí)生長(zhǎng)特性是指草莓成熟后垂落在栽培槽兩側(cè)，自然條件下相鄰果實(shí)之間的距離。果實(shí)分布距離對(duì)剪刀張開(kāi)角度的確定至關(guān)重要。

隨意選取一架草莓，通過(guò)直尺測(cè)量相鄰成熟果實(shí)距離并記錄。測(cè)量結(jié)果顯示：相鄰成熟草莓距離大部分分布在2.5～6cm之間，為典型高架栽培草莓分布，如圖2(a)、(b)所示；另外，存在部分草莓成熟后未能下垂至栽培架兩側(cè)，如圖2(c)所示；部分草莓生長(zhǎng)畸形，導(dǎo)致和相鄰果實(shí)接觸，如圖2(d)所示。

2.1.2 果實(shí)形態(tài)參數(shù)測(cè)量

果實(shí)形態(tài)參數(shù)主要指果柄直徑和果實(shí)質(zhì)量等參數(shù)。直徑的測(cè)量主要針對(duì)的是草莓果實(shí)果萼上方1.5～2.5cm處的果柄。因?yàn)榇碎L(zhǎng)度既為末端執(zhí)行器對(duì)采摘下來(lái)的果實(shí)進(jìn)行夾持留下空間，也避免果實(shí)收集過(guò)程中果柄對(duì)果實(shí)的損傷。實(shí)驗(yàn)材料為隨機(jī)選取的30個(gè)成熟的草莓果實(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為游標(biāo)卡尺及電子秤。草莓采摘下時(shí)用游標(biāo)卡尺測(cè)量果柄直徑，隨后人工在測(cè)量處采摘進(jìn)行其他形態(tài)參數(shù)的測(cè)量，包括橫向直徑、縱向直徑及質(zhì)量。除質(zhì)量外，每個(gè)尺寸分別從3個(gè)不同方向測(cè)量3次，計(jì)算平均值作為測(cè)量結(jié)果。

圖2 草莓生長(zhǎng)特征圖Fig.2 Strawberry growth characteristics

將測(cè)量結(jié)果整理并進(jìn)行分析，得到草莓物理參數(shù)如表1所示。由表1可知：“圣誕紅”品種草莓果柄粗壯，果實(shí)較大，形狀較規(guī)則。

表1 果實(shí)形態(tài)參數(shù)Table 1 Fruit shape parameters

2.1.3 果柄力學(xué)參數(shù)測(cè)量

草莓果柄力學(xué)參數(shù)主要包括剪切力和抗擠壓力測(cè)量，主要為剪切機(jī)構(gòu)及夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。果柄剪切力測(cè)量同樣針對(duì)草莓果實(shí)果萼上方1.5～2.5cm處果柄，抗擠壓力針對(duì)剪切下來(lái)的靠近果實(shí)部分的果柄。實(shí)驗(yàn)材料30個(gè)采摘時(shí)間小于2h且?guī)ПL(zhǎng)度大于2.5cm的新鮮果實(shí)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為MTS微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，力傳感器量程選擇0～100N，實(shí)驗(yàn)速度設(shè)定為50mm/s和1mm/s。

實(shí)驗(yàn)分為兩部分，第1部分進(jìn)行剪切力實(shí)驗(yàn)。將30個(gè)草莓平均分為兩組：一組做單刃剪切試驗(yàn)，另一組做雙刃剪切力試驗(yàn)。由于兩組試驗(yàn)草莓樣本不同，果柄直徑也不同，在剪切實(shí)驗(yàn)之前測(cè)量并記錄待剪切果柄處直徑，隨后進(jìn)行剪切試驗(yàn)，分別記錄剪切力數(shù)值如表2所示。

表2 果柄剪切力試驗(yàn)Table 2 Cutting force test of stems

實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照剪切力(N)與果柄直徑(mm)的比來(lái)表示，比值越小說(shuō)明越省力。雙刃的剪切力與果柄直徑比約為單刃的1倍，結(jié)果如圖3所示。

圖3 單雙刃剪切力比較Fig.3 Comparison of Single and double edge shear force

第2部分試驗(yàn)室果柄抗擠壓試驗(yàn)。將30份樣本平均分為3組，分別進(jìn)行橡膠、硅膠和不銹鋼的擠壓實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)兩夾具上安裝2mm厚的3種材料，分別記錄果柄樣本直徑和對(duì)應(yīng)剛好夾持住時(shí)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)兩夾具的距離。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：3種材料中，相同情況下，夾具距離從小到大依次是硅膠、橡膠、不銹鋼。其中，采用硅膠材料時(shí)，剛好夾住果柄到果柄被夾爛的夾具距離范圍是4.47～4.82mm。

2.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)對(duì)草莓各項(xiàng)采摘力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與分析，本節(jié)運(yùn)用SolidWorks和 CAD軟件對(duì)草莓末端執(zhí)行器的進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 剪切部分結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

剪切部分結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)主要是定刀和動(dòng)刀的設(shè)計(jì)，動(dòng)刀由氣缸帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)，定刀固定于機(jī)械臂末端，通過(guò)限位孔對(duì)動(dòng)刀運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行限制。

根據(jù)針對(duì)草莓果實(shí)、果柄各項(xiàng)相關(guān)物理參數(shù)測(cè)量，確定末端執(zhí)行器采取雙刃剪切，定刀與動(dòng)刀完全張開(kāi)時(shí)剪刀尖端距離為40mm。當(dāng)剪刀尖端距離為40mm、動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)角度為45°時(shí)，確定剪刀其他參數(shù)：剪刀張開(kāi)時(shí)，整體尺寸為150mm×60mm；閉合時(shí)，尺寸為為150mm×44mm。定刀和動(dòng)刀上分別留有兩個(gè)M3螺紋孔，用來(lái)安裝夾持塊。另外，定刀刀柄上留有兩個(gè)M3螺紋孔用來(lái)定位及安裝。剪切部分二維尺寸圖如圖4所示。

圖4 剪切部分二維尺寸圖Fig.4 2D dimension drawing of Cut part

2.2.2 驅(qū)動(dòng)部件參數(shù)設(shè)計(jì)

該末端執(zhí)行器采用氣缸驅(qū)動(dòng)，所以氣缸型號(hào)的選擇至關(guān)重要。根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和定刀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)如圖5)，分別以定刀限位孔兩極限位置畫直徑相同的圓，該圓直徑即為連桿長(zhǎng)度；然后，在定刀左側(cè)沿刀柄方向作1條直線與兩圓相交，兩交點(diǎn)之間的距離即為氣缸的行程，同時(shí)兩點(diǎn)也是連桿與氣缸鏈接端的兩個(gè)極限位置。

參考?xì)飧淄庑纬叽绾图舻督Y(jié)構(gòu)的緊湊性，不斷嘗試改正連桿與氣缸行程兩項(xiàng)參數(shù)，最后確定連桿長(zhǎng)度為35mm，氣缸行程為25mm，此時(shí)末端執(zhí)行器能完成剪刀動(dòng)刀的完全張開(kāi)和閉合。

根據(jù)氣缸行程為25mm，選擇SMC公司生產(chǎn)的型號(hào)為CQ2A16-25DM(缸徑16mm，行程25mm)雙作用氣動(dòng)緊湊型氣缸，外形尺寸為29mm×29mm×22mm(氣缸收縮時(shí))，活塞桿外螺紋位M6×1.0，固定氣缸的螺紋為M4；配套連接件選擇型號(hào)為F-M6X100Y的Y型接頭，外形尺寸位12mm×16mm×32mm；連桿長(zhǎng)度為35mm。

剪切部件和驅(qū)動(dòng)部件之間通過(guò)固定桿和固定板按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行加工并定位安裝，如圖6所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)部件設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 Device of Drive part design

圖6 剪切部件和驅(qū)動(dòng)部件關(guān)系Fig.6 Relative position of Drive and cut part

考慮美觀及安全等因素，將末端執(zhí)行器封裝，整體外形尺寸為54mm×54mm×190mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)干涉等問(wèn)題。實(shí)物圖如圖7所示。

2.2.3 夾持部件參數(shù)設(shè)計(jì)

單驅(qū)雙夾是指在剪切部件在剪斷果柄時(shí)需要同時(shí)夾持住連接果實(shí)的果柄，分別按照剪切部件的定刀和動(dòng)刀輪廓設(shè)計(jì)塑料材質(zhì)的夾持塊，安裝于定刀和動(dòng)刀下方預(yù)留的螺紋孔上。根據(jù)果柄抗擠壓試驗(yàn)結(jié)論，當(dāng)動(dòng)刀閉合時(shí)兩夾持塊預(yù)留用來(lái)粘貼厚度為2mm的硅膠墊的間距。由于草莓果柄既細(xì)又軟，硅膠材質(zhì)的摩擦力大且柔軟，用來(lái)夾持果柄不僅可以保障夾持穩(wěn)定性，也能減少對(duì)果柄的機(jī)械損傷。兩夾持塊間距取4.8mm。

圖7 末端執(zhí)行器實(shí)物圖Fig.7 Physical map of End effector

3 設(shè)計(jì)參數(shù)校核與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 剪切校核

對(duì)連桿和剪切部件組成的力系簡(jiǎn)化并進(jìn)行受力分析，如圖8所示。

圖8 剪切部件受力示意圖Fig.8 force of Cut part

根據(jù)同一桿件上合力為0、合力偶為0，可列出如下平衡方程，即

F3L3=F2L2

F2cosα=F1l

F1=F1l/cosβ

式中P—?dú)怏w壓力，取P=0.5MPa；

D—?dú)飧字睆剑?/p>

d—活塞桿直徑。

根據(jù)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)可獲得α、β、L2和L3，分別帶入以上公式，效率取0.85，得F3≈64N。由于64N大于試驗(yàn)所得果柄雙刃剪切力的最大值5.68N，所以該末端執(zhí)行器可以剪斷草莓果柄。

3.2 夾持校核

利用硅膠墊進(jìn)行對(duì)果柄夾取，首先要計(jì)算出草莓果柄會(huì)被夾住的兩硅膠墊之間的最小距離[9]。假設(shè)果柄在被橡膠墊夾取時(shí)不會(huì)產(chǎn)生形變，則對(duì)1個(gè)硅膠墊而言，形變量計(jì)算公式為

式中F—單個(gè)硅膠墊所受壓力，即草莓果柄所受擠壓力(N) ;

L—硅膠墊原始厚度(m) ;

A—硅膠墊擠壓面橫截面積(m2) ;

E—硅膠墊彈性模量(N/m2) 。

要保證草莓果柄被夾持塊夾住而不掉落，則草莓重力G要滿足

G≤μF

式中μ—硅膠墊與果柄之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù);

G—草莓果實(shí)的重力(N) 。

綜上所述，聯(lián)立兩式得到

已知硅膠彈性模量E= 105N/m2，摩擦因數(shù)μ= 0.15，硅膠墊厚度2mm，草莓果實(shí)平均質(zhì)量20.4g，草莓果柄平均直徑為2mm，則

即1個(gè)硅膠墊所需形變量為0.65mm，那么兩個(gè)硅膠墊就需要1.3mm 形變量，所以最終兩硅膠墊間距為D= 0.7mm；加上兩硅膠墊總厚度4mm，所以兩夾持塊間距為4.7mm。滿足試驗(yàn)結(jié)論，可以對(duì)草莓果柄進(jìn)行穩(wěn)定夾持。

4 結(jié)論

針對(duì)草莓自動(dòng)化采收需要，設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)單驅(qū)雙夾的采摘末端執(zhí)行器，并測(cè)量分析了“圣誕紅”草莓采摘力學(xué)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了末端執(zhí)行器各部件參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)末端執(zhí)行器果柄夾持和剪切性能進(jìn)行力學(xué)模型驗(yàn)證，以確保采摘執(zhí)行可靠。