基于FPA控制系统的多指多关节采摘机械手设计

申一歌，袁 铸

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)



基于FPA控制系统的多指多关节采摘机械手设计

申一歌，袁 铸

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

针对传统机械手爪存在抓持动作单一、自由度少及通用性较差等缺点，设计了一种新型的由FPA直接驱动的多指多关节采摘机械手，有效地提高了机械手的灵活性和对不同果实采摘的自适应能力。从静力学的角度，建立了弯曲关节的转角及输出力的静态模型，并利用多目标优化方法对各个关键受力的均匀性进行了优化设计，分析了三自由度手指的输出力特性。最后，通过实验方法建立了机械手的苹果抓持实验，分析了气压值与抓持能力之间的关系。实验结果表明：随着待采摘果实目标半径的增大，机械手抓取关节角度有所减小，机械手抓取关节手指内腔的压力有所降低，为新型采摘机械手的研究提供了理论借鉴和技术参考。

多指机械手；多目标优化；FPA驱动；抓持能力；自由度

0 引言

农业的机械化实现了用机械动力和电力代替人力和畜力，以工作机械代替人的手工工具的目标。20世纪70年代以来，农业逐渐推广应用自动控制、电子计算机、系统工程、遥感等技术，实现部分生产作业和管理自动化，取得了提高作业质量、效率和安全、省力等效果。在果蔬采收作业时，采摘机器人是最常用的自动化和智能化机械工具之一，但在作业过程中，传统的采摘机械手的抓取动作比较单一，手指关节自由度较少，通用性较差，制约了采摘机器人的发展和应用。多指采摘机械手手指关节灵活，可以实现复杂的抓取动作，如果将其作为在采摘机器人与外界作业环境的末端执行部件，必然会提高采摘机器人的自动化水平，提高其作业范围和作业能力。

1 基于FPA的多指采摘机械手设计

采摘机器人设计的最重要部分之一是机械手的设计，机械手设计的好坏直接影响机械人的作业性能和工作效率。机械手指的驱动是机械手设计的一个难题，要在小的空间内实现多自由度的灵活动作，且还要保证机械手指具有足够的抓取力。在此背景下，各国的农业机器人专家和学者都在积极探讨和研究一种既具有对大部分果实自适应采摘能力，又对大部分果实损伤较小的采摘机械手。其中，典型的代表是Monta等人研制的番茄采摘机械手，其结构如图1所示。

图1 机械手番茄采摘照片

该末端执行器由4个90°间隔分布的手指和1个吸盘组成，在采摘番茄过程中，机械手对果实的损伤较小，其工作原理如图2所示。其每个手指都是使用橡胶软管进行连接，软管使用缆绳连接，拉动缆绳时，手指向内弯曲，放开缆绳，手指放松，配合压力传感器和吸盘，可以完成整个果实采摘动作。为了提高手指关节的灵活程度，设计了多关节灵活动作的机械手指，结构如图3所示。

由于果实形状各异，为了满足机械手指的自适应能力，将其设计成模块化结构，手指数量设计为3个，单个手指的关节数量设计为3个，手指间的距离可以根据不同的果实调节。

图2 机械手末端执行器原理图

图3 多关节机械手指结构

多指采摘机械手的控制系统分为上位机和下位机两部分：上位机主要负责手指各个关节和多个手指的协调工作，包括运动学计算、轨迹计算和关节控制；下位机主要负责压力和角度的测量与控制，包括各种传感器和数据采集设备，如图4所示。上位机和下位机由CAN总线连接，可以有效地提高系统的控制速度和性能，关节控制系统框架如图5所示。

图4 多指多关节采摘机械手控制系统

图5 关节控制系统框架

关节控制器系统主要是控制关节的弯曲驱动和弯曲力的大小，是机械手控制的基础构件。本设计的控制器使用的是压力比例控制阀，并利用压力反馈信号实现关节运动的调节。采摘机械手总体的控制电路如图 6所示。

采摘机械手的总体控制电路可以根据采摘果实的数量和形状进行设定，通过实验标定机械手的采摘姿态、关节角度和FPA中的压力值，通过综合评估后确定各个关节合适的压力值。在采摘作业过程中，对FPA中的压力值进行闭环控制，通过闭环控制调节压力值，使其适应不同的待采摘果实作业对象，从而有效地提高采摘质量和采摘效率。

2 多指采摘机械手几何和运动学模型

多指采摘机械手设计的关键是多指几何结构，几何形状关系到手指的运动角度和内腔的压力，几何形状的优化可以合理地设计出对果实损失较小的采摘机械手。假设待采摘果实的结合方程为

x2+y2=rg2

(1)

其中，rg表示待采摘果实的半径。假设机械手关节1的转动中心O1的坐标为

(x1,y1)=(a,-rg-Hb)

(2)

其中，Hb表示待采摘果实到底板的距离；a表示关节1的长度。关节2绕中心O1转动的坐标为

(x2,y2)=(a+L1cosθ1,-rg-Hb+L1sinθ1)

(3)

其中，关节L1表示关节2的长度；θ1表示关节2转过的角度。关节3绕中心O3转动的坐标为

(4)

其中，关节L2表示关节3的长度；θ2表示关节3转过的角度，则指节的几何方程可以表示为

(5)

综合以上公式可得，各个指节和待采摘果实之间接触点的纵坐标为

(6)

在机械手采摘果实时，手指与目标果实相切的切线斜率，其表达式为

(7)

因此，可得各关节弯曲角为

(8)

为了使多指机械手可以抓住果实，需要向果实的接触点施加压力，其中接触点的坐标为

(9)

由于果实采摘作业时果实较为容易发生损伤，因此需要各个手指的力保持尽量均匀，使果实的伤害降低到最小。针对果实的抓取模型，建立了如公式(10)所示的优化方程。

优化变量为

FN(X)=[FN1,FN2,FN3,FN4,FN5,FN6]T

(10)

目标函数为

(11)

该模型为有约束的线性规划模型，可以通过输入手指的转角和接触点压力值，对每个输出压力进行优化，从而得到均匀分布的采摘抓取力。

3 基于FPA的多指采摘机械手实验研究

为了验证FPA多指采摘机械手的可靠性，对机械手进行了实验测试，包括关节的角度变化和关节的内腔压力状况。实验机械手采用多指三关节机械手，其实物如图7所示。

为了降低机械关节结构对果实的伤害，给机械手配置了橡胶套。该机械手的手指关节灵活，具有较强的适应能力，各项参数指标如表1所示。

表1 采摘机械手各项参数指标

对机械手定量分析可以得到待采摘果实的半径对手指关节角的影响，通过对3个手指关节的测试，得到了如图8所示的结果曲线。

图8 不同果实半径下关节弯曲角度曲线

由图8可以看出：随着待采摘果实目标半径的增大，机械手抓取关节角度有所减小。为了进一步研究待采摘果实半径和机械手指抓取关节的形状关系，计算了不同果实半径下的关节内腔压力曲线，如图9所示。

图9 不同果实半径下手指内腔的压力曲线

由图9可以看出：随着待采摘果实目标半径的增大，机械手抓取关节手指内腔的压力有所降低，因此在进行手指优化时，可以结合压力和果实的半径进行结构尺寸的优化。

4 结论与讨论

为了提高采摘机械手对不同果实的自适应能力，使采摘手指具有动作灵活好多自由度等特性，设计了一种新型的多指多关节采摘机械手，并从静力学的角度建立了弯曲关节的转角及输出力的静态模型，对多指和多关节的受力进行了多目标优化。对采摘机械手的采摘性能进行了实验研究，结果表明：随着待采摘果实目标半径的增大，机械手抓取关节角度有所减小，机械手抓取关节手指内腔的压力有所降低。由于时间和篇幅的限制，本研究只进行了初步的手指关节角度和内腔压力的测试，从后续的研究中，将通过大量的实验来优化机械手的尺寸，使其可以在实际生产中应用。

[1] 熊俊涛,邹湘军,陈丽娟,等.采摘机械手对扰动荔枝的视觉定位[J].农业工程学报,2012,28(14):36-41.

[2] 吕继东,赵德安,姬伟,等.采摘机器人振荡果实动态识别[J].农业机械学报,2012,43(5):173-196.

[3] 钱建平,杨信廷,吴晓明,等.自然场景下基于混合颜色空间的成熟期苹果识别方法[J].农业工程学报,2012,28(17):137-142.

[4] 顾宝兴,姬长英,王海青,等.智能移动水果采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报,2012,43(6):153- 160.

[5] 王海青,姬长英,顾宝兴,等.基于机器视觉和支持向量机的温室黄瓜识别[J].农业机械学报,2012, 43(3):163-167.

[6] 王辉,毛文华,刘刚,等.基于视觉组合的苹果作业机器人识别与定位[J].农业机械学报,2012,43(12): 165-170.

[7] 李寒,王库,曹倩,等.基于机器视觉的番茄多目标提取与匹配[J].农业工程学报,2012,28(5):168-172.

[8] 王祖温, 隋立明, 包钢.气动肌肉驱动关节的输入整形研究[J]. 机械工程学报, 2005, 41(1):66-70.

[9] 于莲芝, 颜国正, 王瑞祥.用于呼吸道直接监测的柔性微机器人系统[J].机器人,2006,28(3):269-274.

[10] 章军,须文波.一种气-液复合驱动柔性关节的建模与动态仿真[J].中国机械工程,2006,17(15):1567- 1571.

[11] 马履中,杨文亮,王成军,等.苹果采摘机器人末端执行器的结构设计与试验[J].农机化研究,2009,31(12): 65-67.

[12] 杨庆华,金寅德,钱少明,等.基于气动柔性苹果采摘末端执行器研究[J].农业机械学报,2010,41(9): 154-158.

[13] 周兵,何晶.模拟手枸杞采摘机设计[J].农业工程学报, 2010, 39(增刊): 13-16.

[14] 魏泽鼎,贾俊国,王占永.基于视觉传感器的棉花果实定位方法[J].农机化研究,2012,34(6):66-68.

[15] 王海青,姬长英,顾宝兴,等.基于机器视觉和支持向量机的温室黄瓜识别[J].农业机械学报,2012,43(3): 163-167.

[16] 马锃宏,李南,王汉斌,等.温室株间电驱锄草控制系统设计与试验[J].农业机械学报，2015,46(1):89-93.

[17] 张二鹏,马锃宏,耿长兴,等.温室悬挂喷施机跨垄作业控制系统设计[J].中国农业大学学报，2013,18(6): 170-174.

[18] 马锃宏,李南,李涛,等.钵体苗带式供苗移栽机的设计与试验[J].中国农业大学学报，2015,20(3):216-222.

[19] 张春龙,黄小龙,刘卫东,等.苗间锄草机器人信息获取方法的研究[J].农业工程学报,2012,28(9):142- 146.

[20] 胡炼,罗锡文,曾山,等.基于机器视觉的株间机械除草装置的作物识别与定位方法[J].农业工程学报,2013,29(10):12-18.

[21] 朱凤武,于丰华,邹丽娜,等.农业机器人研究现状及发展趋势[J].农业工程，2013,3(6):10-13.

[22] 吴岩,杜立宇,高明和,等.农业面源污染现状及其防治措施[J].农业环境与发展，2011(1):64-67.

[23] 杨慧,刘立晶,刘忠军,等.我国农田化肥施用现状分析及建议[J].农机化研究，2014，36(9):260-264.

[24] 张霞,蔡宗寿,李欢.我国化肥生产能源消费现状分析[J].现代化工，2014,34(10):12-15.

[25] 付丽霞,李云乐.农业面源污染的现状、问题及对策探析[J].食品安全质量检测学报，2014,5(7):2285- 2289.

[26] 栾江,仇焕广,井月,等.我国化肥施用量持续增长的原因分解及趋势预测[J].自然资源学报,2013,28 (11):1869-1878.

[27] 沈德军.农作物叶面施肥的意义、机理及技术要点[J].安徽农学通报,2012,18(12):111-112.

[28] 鱼彩彦.叶面施肥技术在农业生产中的应用.农业与技术,2013,33(12):30.Abstract ID:1003-188X(2017)05-0249-EA

Design for Multi-fingered Picking Manipulator Based on FPA Control System

Shen Yige, Yuan Zhu

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000，China)

In view of the traditional mechanical gripper are holding a single action, less degrees of freedom and general poor shortcomings, a model driven directly by the FPA of multi finger articulated picking manipulator is designed, so as to effectively improve the flexibility of the mechanical hand movements and of different fruit picking the adaptive ability. From the static point of view, the establishment of a joint bending angle and the output force of the static model, and the multi-objective optimization method was proposed to the optimization design of the uniformity of the force on each key, and output force characteristics of three degree of freedom finger was analyzed. The experimental method to establish the manipulator for Apple grasping experiments, experimental results of pressure value and the grasping ability between. The results show that with be picking fruit target radius increases, the manipulator joint angle decreases, manipulator finger joint cavity pressure decreases, is a new type of picking manipulator research provides a theoretical and technical reference for reference.

multi-fingered manipulator; multi-objective optimization; FPA driver; holding capacity; freedom degreeaz

2016-03-10

河南省自然科学基金项目(2015GZC155)；南阳市科技攻关(KJGG36)

申一歌(1982-)，女，河南南阳人，讲师，硕士研究生。

袁 铸(1982-)，男，河南南阳人，讲师，硕士，(E-mail)yuanzhu1982@hnpi.cn。

S225；TP273

A

1003-188X(2017)05-0249-04