三手指拉拔式红花采摘末端执行器的设计

张晓伟，葛 云，陈 飞，余鹏飞

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.中国农业机械化科学研究院，北京 100083）

1 引言

红花是一种药用价值很高的草本植物，红花除了药用外还可以用作染料和饲料[1]。红花丝是一种很好的天然色素提取原料，可以应用于食品、化妆品等行业，也可以作为中药材来活血、通经、治疗心血管疾病，红花果球中的红花籽主要用于制油。红花可以在干旱少雨和贫瘠的土地良好生长，新疆幅员辽阔，干旱少雨，有利于红花的大规模种植。近几年，红花市场的需求不断扩增，新疆红花的种植面积在全国所占比重大。

红花花丝的采摘对时效性要求高，错过最佳采摘期将会造成大量的浪费。红花采摘难度高，劳动强度大，现有的红花采摘机械多为背负气力式或便携对辊式机械[2]，由于未能明显有效提高采摘效率，至今未有可普及推广应用的相关机械，截至目前，红花采收仍全部依靠人工完成，采收效率低下，劳动成本投入大。所以急需研制自动化机械来改变现有的采收现状。提高采收效率，节约成本，提高经济效益，为红花产业的大规模发展提供基础支撑。

近年来，农业机器人领域发展迅速，作为采摘机器人的关键部件，国内外专家已经对末端执行器进行相关研究与研发，国外研究要早于国内，研究所涉及的领域较广。美国、日本、荷兰等国已经研发了用以采摘果蔬果实的各类采摘末端执行器[3-6]。国内对果蔬采摘末端执行器研究较晚，但近年以来发展迅速，在猕猴桃、番茄、柑橘、草莓等自动化采摘领域研制了相应的采摘末端执行器[7-8]，但上述末端执行器都是针对块状果蔬类作物的采摘，但红花属于团簇状柔性物料，且随着红花开放时间不同，采收形态也不同，采摘时需从果球上将团簇状的红花先聚拢捏紧，再通过拉拔等动作将红花与果球分离，目前类似红花团簇状柔性材料的采摘末端执行器鲜有报道。

目前红花的采收工作基本全部为人工完成，采摘时人多采用三个手指对果球上部的红花先进行聚拢再通过拉拔的方式分离，单个花球采净率高，且果球破损率低，因此根据人工采摘习惯，设计一种三手指红花拉拔式采摘末端执行器，对实现红花自动化机械采摘具有较大的指导意义。

2 三手指拉拔式红花采摘末端执行器总体方案设计

2.1 红花人工采收动作分析

一般人工采摘红花花丝时利用拇指、中指、食指夹持拉拔红花花丝，其流程为：三手指垂直逼近红花花丝—三手指向中心运动聚拢花丝—手指指肚夹持花丝—手整体向上运动拉拔实现果球分离，如图1所示。

图1 红花采摘动作流程Fig.1 Safflower Picking Action Flow

2.2 三手指拉拔式末端执行器的设计

所设计红花采摘末端执行器，如图2所示。整个三手指拉拔式红花采摘末端执行器安装在机械臂上，该末端执行器由机架、夹持机构、电机、手指组成，其夹持机构由端盖、弹簧、导轨滑槽、连接板和定位管构成。

图2 末端执行器安装位置及结构示意图Fig.2 End Effector Installation Position and Structure

工作原理：

（1）双目机器视觉获得果实三维坐标位置后，机械臂带动末端执行器使末端执行器到达红花果球正上方。

（2）末端执行器在机械臂驱动下垂直下降逼近红花果球，果球进入定位管内部和手指指肚接触时，停止运动。

（3）电机向上提升连接导轨滑槽的端盖，手指在导轨滑槽锥度的作用下向三手指定位管中心收缩挤压，实现对红花花丝的夹持动作。

（4）当夹持完成后，机械臂向上运动完成对花丝的拉拔。

3 力学模型分析

在红花采摘过程中三手指对红花花丝施加三个法向力Fn，法向力Fn对红花花丝进行夹持，在拉拔过程中摩擦力Fs克服果球和花丝之间的连接力Fl进而实现果球和花丝的分离。如果手指法向力Fn过小就会造成手指从花丝处滑落，不能很好地进行花丝果球分离，其受力模型，如图3所示。

图3 三手指工作力学模型Fig.3 Three-Finger Working Mechanics Model

式中：Fl—分离花丝和果球所需的力；μ—手指指肚所包裹橡胶与花丝摩擦系数；Fn—末端执行器三手指对花丝施加的法向力；Ft—花丝受到的总拉拔力。

Fl通过项目组前期研究试验测得最大为25N；对于摩擦系数的测定，通过静滑动摩擦角测量仪进行测量获取，通过测量测得花丝自由滑落时即为所求摩擦角α=19.29°[9-10]，有关系式：

可得静摩擦系数μ=0.35。通过式（2）和式（3）联立计算可得末端执行器法向力Fn为23.8N。

实现果球分离，向上的花丝总拉拔力要大于红花果球和红花花丝之间的分离力。

4 三手指拉拔式末端执行器结构设计

4.1 设计要求

定位管设计要求：三手指安装在三手指定位管上的位置即为花丝夹持位置（即花丝采摘点）。采摘过程中果球首先进入三手指安装定位管内。三手指定位管的尺寸的确定和红花生长物理尺寸相关。因此对红花生长尺寸进行测定，测量工具选用精度为0.2mm的钢卷尺，以及精度为0.02mm电子数显游标卡尺，测量的对象选取2018年9月盛开在石河子大学试验田的红花花朵（开花第三天的花朵）15朵，红花尺寸示意图，如图4所示。测量结果，如表1所示。

图4 红花尺寸参数示意图Fig.4 Schematic Diagram of Safflower Size Parameters

表1 测量结果Tab.1 Measurement Results

通过对测量结果的分析，不同红花之间缩颈直径变化较大，其变异系数为0.146，缩颈直径尺寸变化较大。其他尺寸的变异系数较小，他们之间的差异较小。所以对于定位管尺寸的设计要有一定余量且大于红花尺寸参数最大值，这样可以保证不同大小的红花可进入三手指定位管进行采摘。所以有：

式中：D1—三手指在三手指定位管安装高度；D2—三手指定位管直径；Δ1，Δ2—D1，和D2的设计余量。三手指定位管尺寸示意图，如图5所示。

图5 定位管尺寸示意图Fig.5 Schematic Diagram of the Positioning Tube

当红花伸进定位管达到一定高度时，红花缩颈高度达到手指中心部位，此位置符合人工采摘动作，在此处夹紧花丝更有利于红花的采摘。所以三手指在三手指定位管安装高度D1要大于红花果球中心到缩颈的高度，以保证花丝缩颈达到最优高度（即D1＞Lɑ），且三手指定位管直径大于红花果球直径，以使果球顺利进入定位管内部（即D2＞dgq）。

三手指指肚设计要求：当三手指开始加持红花时，中间必定存在一定间隙。间隙过大则会造成花丝脱离手指，未能完成对花丝的拉拔采摘。因此设计球形手指指肚直径需要考虑其夹持过程中存在的间隙，由手指指肚简化，如图6所示。可以得出下列关系式：

图6 手指指肚简化图Fig.6 Fingertips Simplified Diagram

式中：d—最大间隙；R—手指指肚半径。

设计d的大小是要考虑红花缩颈处直径最小值，d要远小于红花缩颈处直径，为了在夹持过程中不损伤红花花丝，且在刚性手指中缩小间隙以确保有效夹持，故在手指处用柔性橡胶材料包裹。

4.2 三手指夹持装置结构设计

对三手指夹持装置进行简化，其简化示意图，如图7所示。

图7 夹持装置模型简化图Fig.7 Simplified Diagram of the Clamping Device Model

通过分析可知手指行程Δl与锥形滑槽提升高度Δh和锥形滑槽倾角θ有以下数学关系式：

式中：Δl—手指运动行程；

Δh—锥形滑槽提升高度；

θ—锥形滑槽倾角。

Δl—三手指定位管D2的一半，是一个定值。

由此可知锥形滑槽提升高度Δh和锥形滑槽倾角θ决定着改采摘末端执行器运动性能，即θ越大Δh越大，末端执行器三手指运动速度v=在Δt时间的速度越小，相反随着锥形滑槽倾角θ的减小末端执行器三手指运动速度v在Δt时间的速度增大。

锥形滑槽提升动力源为电机，故可通过电机选型得到Δh。进而确定了锥形滑槽倾角θ的选取。

5 Adams运动仿真分析

对所设计的末端执行器通过Adams运动仿真软件进行模拟试验，并检验其是否符合运动要求，首先将上述测得和计算的尺寸用Solidworks软件分别对该末端执行器手指，定位管，滚轮，锥形滑槽等零件进行三维建模，并完成装配，再将建立好的三维装配模型导入Adams，并对其滚轮与锥形滑槽之间添加接触，定位管与手指添加移动副，锥形端盖和锥形滑槽进行布尔和运算，锥形滑槽与定位管添加移动副约束。

应用胡克定律和持续撞击冲击模型理论，其接触力的计算公式为：

式中：k—接触刚度；

e—弹力指数；

c—阻尼系数。

在添加完约束后对此末端执行器添加运动驱动函数，考虑到该末端执行的往复运动，故在锥形桶壁上添加正弦运动函数，为了使该末端执行器在完成一次红花采摘后复位，故在锥形桶壁滑槽和手指之前添加复位弹簧，完成弹簧刚度系数和阻尼系数参数设置后，重力加速度默认为9806.65，设置仿真步数为200，工作步长设置为0.01，仿真时间为3.5s，对其进行运动仿真，其结果，如图8、图9所示。

图8 手指位移曲线图Fig.8 Finger Displacement Curve

图9 弹簧受力曲线图Fig.9 Spring Force Curve

通过对以上仿真结果的对比分析，发现该末端执行器的运动符合理论分析规律，当手指开始向定位管轴心伸出时，留在弹簧之间的手指长度开始递减，与此同时，弹簧开始压缩，随着时间的推移弹簧压缩力逐渐增大，当手指伸出到最大长度（即留在弹簧之间的手指长度最小时）1.6s时弹簧压缩力最大22N，锥形桶壁和弹簧力的符合胡克定律：

式中：K—劲度系数；

Δx—弹簧压缩量。

两曲线的运动规律具有良好的吻合性。

6 试验台设计与试验

该试验台控制系统硬件主要包括：STM32控制器，步进电机（型号：57BYG56），步进驱动器（型号：TB6600），接近感应开关（型号：LJ12A3-4-Z/BX）组成，如图10所示。

图10 试验台拉拔试验Fig.10 Test Bench Drawing Test

工作过程如下：STM32控制器发生信号，通过步进驱动器放大功能控制步进电机动作，电机1正转，带动末端执行器锥形滑槽向上运动，完成三手指向心挤压花丝，达到上述仿真行程20mm即手指夹持力满足拉拔要求时，光电开关接收位置信号，反馈给STM32控制器停止电机1正转，以防止三手指受力过大造成部件损坏。接着STM32控制器用同样方式控制电机2上升完成对红丝的拉拔动作。最后控制电机2和电机1反转完成复位动作，完成一次对红花花丝的拉拔和进行下次动作的准备。

试验：试验对象为2019年7月种植在石河子大学试验田的红花，所试验的红花果球直径范围在（18.54～40.54）mm，缩颈直径范围（2.90～8.24）mm，缩颈的高度范围（2.04～4.20）mm，试验仪器为试验台和SPS精密电子天平（精度为0.01g）。对20朵单朵红花夹持进行采摘试验，采摘完成后利用电子天平分别对其采摘分离的花丝和残留在果球上的花丝进行称重记录，用采净率和果球损伤率为评价指标来评价该末端执行器采摘性能，实验结果，如表2所示。

表2 试验结果Tab.2 The Test Results

采净率是指拉拔分离的花丝质量占总花丝质量的比重，计算公式如下：

式中：Mɑ—拉拔分离红花花丝质量，g；

Mb—残留在果球上的红花花丝质量，g。

果球损伤率是红花采摘过程中损伤的果球个数占总试验果球个数的比重。

式中：Ns—破损的果球个数；

Nw—完好的果球个数。

通过试验数据分析可得三手指拉拔式红花采摘末端执行器平均采净率为92.47%，其标准差为3.27，变异系数为0.035。果球损伤率为1.24%，其标准差为0.45，变异系数为0.36。采净率在采摘过程中变化波动较小，满足对不同红花果球花丝进行有效分离。有较高的采净率，同时该末端执行器拉拔采摘花丝时对果球造成的损伤较小，满足红花采摘作业要求。

7 结论

通过对红花物料特性和生长特性的测量，为红花采摘末端执行器的设计提供了参考基础。选取较大的拉拔力作为本设计的参考，以确保对红花花丝进行有效采摘，通过仿真分析，得出该末端执行器能达到运动学要求，其末端执行器的夹持力可以达到拉拔采摘红花所需要的水平，试验结果表明设计的三手指拉拔式末端执行器采摘效果良好，采净率达92.71%，果球破碎率1.24%，可以满足机械采摘红花的要求，对红花的自动化采摘发展具有一定意义。