草莓采摘末端执行器摘取接触力控制仿真

张建宝　王家忠　李娜

摘要：设计了1种基于气动人工肌肉的结构简单、运动灵活、柔性作业的多手指式刚柔混联的草莓采摘末端执行器。基于气动人工肌肉系统完整的静态特性数学模型作为PID调节的传递函数，分别在ADMAS与MATLAB/SIMULINK中建立末端执行器的机械仿真模型与基于PID的接触力控制系统，利用二者实现对整个末端执行器单指控制特性的联合仿真，为控制策略的选取及物理样机试验研究打下基础。

关键词：接触力；仿真；末端执行器

中图分类号： S225.99 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0465-03

随着农业生产的规模化、多样化和精确化，农业生产作业要求逐渐提高，像果蔬采摘作业等都是劳动密集型工作，再加上果蔬时令的要求，保证作业质量成为关键问题[1]。由于采摘作业的复杂性，目前主要依靠人工采摘，采摘自动化程度仍然很低。农业生产具有很强地域性、季节性和周期性，因此，采摘作业是水果生产中最耗时、最费力的一个环节。目前，与国外相比，中国农业采摘机器人非常少，但随着经济的发展，我国对农业机器人及其理论的研究开始受到重视。陈利兵等针对高架式草莓自动化采收机器人进行了相关研究[2-4]，但这种方法并不适合我国大面积温室内地垄式栽培的草莓收获。

采摘末端执行器要实现采摘草莓的目的，必须实现两大关键动作：获取和分离，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法将果实与果梗分离[5]。在此动作基础上本研究提出了1种刚柔混联欠驱动草莓采摘机械手机构，并在ADAMS环境下建立受控三维模型，以草莓采摘接触力为控制依据，在MATLAB/SIMULINK环境下建立了采摘末端执行器的气动肌腱驱动系统的仿真模型，并对其进行了仿真分析和虚拟PID（P为proportion，I为intergration，D为differentiation）控制，通过MATLAB仿真模拟，实现了驱动控制系统的仿真模拟控制。

1 草莓采摘机器人模型

我国采摘机器人的研究正在起步，如上海交通大学的黄瓜采摘机器人[6]，浙江大学的七自由度番茄收获机械手[7]，江苏大学的苹果采摘器的末端执行器[8]，中国农业大学对草莓采摘机械手的视觉识别系统[9]等。中国农业大学研究的草莓采摘机械手是针对于高架式草莓采摘，对种植环境要求严格，本研究提出的是基于垄作栽培的刚柔混联欠驱动的草莓采摘机械手。

1.1 手指单元结构

草莓采摘机械手执行器[10]包括手掌、转动腕盘、气动肌腱，3个结构相同的彼此相间120°的手指单元（图1）。每个手指具有2个关节，2个关节间连接柔顺构件，近指端关节另一端连接刚性指节；近指端关节为主动关节，由2条气动肌腱伸缩驱动，关节7为弹性储能被动关节，关节轴上装有扭转弹簧。

当每个手指上2条气动肌腱产生伸缩运动时，驱动刚性指节向手掌闭拢，同时在近指端关节转轴扭簧与转杆扭簧的耦合驱动下，柔顺构件也产生向手掌方向的转动，进而通过动力耦合作用驱动指掌关节运动，3个手指相向运动闭拢。

1.2 刚柔混联模型建立

由于草莓机械手手指单元结构相同，相对手掌对称分布，且由相同的气动肌腱驱动，因此机械手抓取动作控制可转化为对手指单元的控制分析。对手指单元中的柔顺构件的分析，可基于ADAMS中ADAMS/Flex模块。建立草莓采摘机械手的三维实体模型，如图2所示。利用ADAMS中的 AutoFlex 模块，将柔顺构件网格化进行模态计算，将计算的模态保存为模态中性文件MNF（modal neutral file），直接在 ADAMS/View 中建立柔性体的MNF文件，然后用柔性体替换原来的刚性体。

在手指第1关节7处添加扭簧1，在手指第2关节9处添加扭簧2，并添加平行于气动肌腱的力F。利用接触力函数contact（）在刚性手指与草莓模型之间添加接触力，此接触力为本研究要进行控制的主要参数。当手指端进行闭合操作与草莓产生接触时，通过接触力函数contact（）将此接触力通过MATLAB/Control模块在MATLAB/Simulink中进行联合仿真。

1.3 气动驱动的数学建模

气动肌腱主要由内部橡胶筒与外部纤维层构成。外层编织网可以在气动肌腱充气后，将压缩空气的膨胀力转换为轴向的收缩力。气动肌腱长度L、直径D、纤维长度b、纤维缠绕圈数n以及纤维与轴向之间的夹角α之间的函数关系为[11]：

2 联合仿真

2.1 控制模型的建立

为了检验驱动控制系统模型可行性以及可控性，本研究基于ADAMS和Matlab进行了联合仿真分析，在ADMAS中建立采摘机械手的模型，通过MATLAB/Simulink建立气动肌腱的驱动数学模型作为传递函数以及采摘机械手的控制系统的仿真模型，如图4所示。

2.2 仿真计算

在上述控制规律下对整个闭环系统进行仿真计算，将气动肌腱的数学模型作为中间传递函数，控制气源气压，给予特定的设定值，进行PID控制。对需要先确定模型的临界比例系数Kpcrit和临界振荡周期Tcrit，然后通过Ziegler-Nichol方法[16-17]计算出控制参数，见表1。

2.3 仿真结果

由机械手摘取接触力控制仿真结果（图5）可知，整个控制仿真在时间、压力上都相对合理，表明本研究论述的控制方案简单可行，易于实现，符合草莓采摘机械化、经济化的要求。

3 结论

本研究利用MATLAB与ADAMS各自的优越性，在建立气动肌腱数学模型的基础上通过ADMAS和 MTLAB/Simulink 二者联合，用ADAMS 虚拟样机进行机构受控建模并应用ADMAS/Contro模块和 MATLAB/Simulink接口在 Simulink 中实现基于PID控制模型的建立和仿真。（1）通过本方法进行了刚柔混联机械手的欠驱动控制的研究。（2）理论分析和仿真计算表明，本研究构建的驱动方式可以有效实现机械手的采摘功能。所构建的基于气动肌腱驱动的采摘机械手模型可以方便地进行参数优化和性能预测，提早发现设计问题，减少时间和经费的消耗，也减少对物理样机的危险操作（如在试验过程中不合理操作导致物理样机机构受损，或者造成对操作人员身体的伤害），并能够解决类似的并联机构控制问题。endprint

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