苹果采摘机器人末端执行器恒力柔顺机构研制.PDF

第 35 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol.35 No.10 2019 年 5 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2019 19 苹果采摘机器人末端执行器恒力柔顺机构研制 苗玉彬，郑家丰 （上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240 ） 摘 要：为了减少采摘机器人末端执行器在夹持过程中对果实造成的损伤，该文通过在末端执行器上设置柔顺机构，并 对柔顺机构力学性能进行计算，求解果实无损采摘所需的柔顺恒力特性。首先，基于形状函数建立边界条件约束下的柔 顺梁非线性常微分控制方程；然后，利用打靶法将上述边值问题重新描述为初值问题，并结合遗传算法进行初值优化求 解，采用序列二次规划法优化梁的形状函数，使其在一定变形范围内实现恒力输出；最后，在给出求解所需参数和柔顺 机构初始形状参数基础上，以苹果采摘为例，通过优化计算，使柔顺梁对果实的夹持力维持在 7.9 N 左右，非线性有限元 计算和力-位移特性试验验证了计算结果的准确性，多次苹果夹持试验的抓取完好率为 95%，验证了该柔顺机构无损夹持 苹果的可行性。研究结果可为不同类型果实的恒力夹持提供参考。 关键词：机器人；末端执行器；设计；恒力柔顺机构；打靶法 doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.003 中图分类号：TP241 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019)-10-0019-07 苗玉彬，郑家丰. 苹果采摘机器人末端执行器恒力柔顺机构研制[J]. 农业工程学报，2019，35(10)：19－25. doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.003 Miao Yubin, Zheng Jiafeng. Development of compliant constant-force mechanism for end effector of apple picking robot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 19 －25. (in Chinese with English abstract) doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.003 端执行器难以在农业领域得到广泛应用[11] 。 0 引 言  近年来，柔顺机构引起广泛关注。柔顺机构是一种 采摘作业是果蔬生产中最耗时、费力的一个环节。 依靠机构中柔性构件的变形来完成全部运动，从而实现 随着农业劳动力的减少，农业生产成本相应提高，果蔬 力或能量传递的机构[12-16] 。柔性构件的应用使得在一定 采摘机器人逐渐成为农业机器人领域的研究热点[1] 。果实 范围内可以进行恒力输出，减少恒力机构对力传感和控 的无损采摘是采摘机器人的关键技术之一[2-7] ，主要通过 制的需求。如张赢斌[17]研究了柔顺钳和柔顺恒力机构设 末端执行器和作物果实直接接触。由于果实一般比较脆 计的拓扑优化，采用相对密度法和非线性有限元方法对 弱柔软，形状及生长状况比较复杂，采摘过程中夹持力 柔顺钳进行了优化设计。Merriam 等[18]借助遗传算法和有 过大容易造成果实表面或内部损伤，而夹持力不足又无 限元建模控制