果蔬采摘欠驱动灵巧机械手的设计.docx

果蔬采摘欠驱动灵巧机械手的设计

杨婕;赵晓栋;宋申祥;张兆德

【摘要】Underactuatedmechanismisasystemwhosenumberofcontrolinputsissmallerthanthenumberofdegreeoffreedom.Inordertorealizenon-destructivepickingoffruitsandvegetables,aflexibleandunderactuatedrobotichandwithsimplestructurewasdesignedthroughtheoreticalanalysis,designoffingertip,transmissionanddrivemechanism,andmodelingandsimulation.Ithasshape-adaptabilitywhilegraspingobjects,whichcanbecompletelysurroundedtorealizenon-destructivepicking.Withsmallsizeandlowcost,itisadaptabletoapplicationinautomaticpickinginagriculturefield.%欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构.为了实现果蔬的无损采摘,通过理论分析、指端结构设计、传动机构设计和驱动机构设计与建模仿真,设计出一种灵活性高、结构简单的果蔬采摘欠驱动灵巧机械手.该机械手抓取物体时具有形状自适应能力,可完全包络物体实现无损采摘,且体积小、成本低,能够适应农业采摘自动化技术的推广.

【期刊名称】《机械工程师》

【年(卷),期】2015(000)005

【总页数】3页(P93-95)

【关键词】果蔬采摘;无损采摘;欠驱动;机械手;仿真

【作者】杨婕;赵晓栋;宋申祥;张兆德

【作者单位】浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山,316022;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山316022;浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山316022;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山,316022;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山316022;浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山316022

【正文语种】中文

【中图分类】TP242

0引言

果蔬采摘机器人的研究在国外已经有40多年的历史，日本和欧美等发达国家相继研究用于采摘番茄、黄瓜、苹果、蘑菇等果蔬的智能机器人［1-6］。对于外表皮较薄较脆的果蔬，对手爪抓持力的控制要求很高，同时要求夹持系统需要具有一定柔性，可以补偿部分力控制产生的误差，避免夹持力过大压伤外表或夹持力过小抓取失稳而造成果蔬掉落。欠驱动灵巧机械手是一种理想的方案，其结构紧凑，重量轻，控制简化，抓取可靠［7］，并能很好地贴合各种球状水果外形。

通常一般机构正常工作的条件是驱动器数目等于机构本身自由度，即所谓的全驱动方式，如常见的6自由度工业机器人都具有6个驱动器。当机构的驱动器数目少于机构本身自由度数目，可依靠机构自身的动力约束条件来正常工作［8］，这类机构称之为欠驱动机构。在欠驱动方式下，机械手爪上可以只安装1个驱动器，依靠弹簧和机械限位装置来实现机构正常工作所需的动力约束条件，即1个驱动器可以驱动手指上每个关节的运动。欠驱动机械手的原理［9］（如图1所示）采用曲柄连杆方式，与滑轮和凸轮方式相比，在传动过程中损失能量较小，产生的力更大，运用范围更广。

图1欠驱动机械手的工作原理

与全驱动多指手爪相比，欠驱动机械手具有驱动器数目少、成本低、控制简单、可靠性高的特点，由于欠驱动机械手手指机构中存在作为动力约束的弹簧或扭簧，使机械手本身具有一定的柔性，可实现无损采摘。本文利用欠驱动机构设计了一种果蔬采摘欠驱动灵巧机械手（以苹果采摘为例），采用1个电动机驱动三根手指，灵活性高、结构简单。

1采摘对象物理特性分析

该欠驱动灵巧手采摘对象选取直径为60～95mm，高度为50～85mm的苹果为例。根据文献［10］，采用果实硬度计测定我国典型品种苹果的不同果实部位的果肉硬度的试验得知，苹果的硬度一般为100N/cm2，因此当果实表面受压小于20N时不会遭到破坏，而其果肉细胞在小于100N的压力时也不会遭到破坏。

图2欠驱动机械手的尺寸设计图

2欠驱动机械手的结构和工作原理

该欠驱动机械手由手指、支架、滚珠丝杠、曲柄摇杆机构和直流伺服电动机构成。共有6个自由度，采用1个电动机同时驱动3根手