２０１７年１０月 农机化研究 第１０期 新型具有力感知的柔性果蔬采摘机械手研究 肖英奎，李永强，谢龙，付英达 （吉林大学生物与农业工程学院／３５程仿生教育部重点实验室，长春 １３００２２） 摘要：研发了基于设施农业的果蔬采摘机械手，包括具有３个旋转关节自由度的采摘机械臂及具有力反馈功 能的三指果蔬采摘末端执行器，并对其控制系统进行了开发。通过采摘模拟试验，验证了其作业性能、采摘效 果。试验结果表明：采摘机械手各关节与控制系统配合良好，运行稳定；采摘末端执行器手指控制灵活，传感器 响应灵敏，能够实现稳定抓取并不损伤果实，具有推广价值。 关键词：果蔬采摘；机械手；柔性抓取；力觉 中图分类号：￥２２５．９２；ＴＰ２０２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０１７）１０－０１３３－０４ 器 ０ 引言 随着信息网络技术、机器人技术的不断发展，农 业机器人的研究也取得了很多成果¨Ｉ２ Ｊ。现已开发 出来的农业机器人有喷药机器人、水果采摘机器人、 果实分拣机器人及蔬菜嫁接机器人等 Ｊ。 多样化、精确化、规模化的农业生产是现今的主 要发展趋势 一 。由于果蔬的采摘、收获、嫁接及农药 的喷洒等农业作业以往基本都是由农民手动完成的， 存在自动化程度低、效率不高、劳动量大等问题，而具 有智能化、自动化的农业机器人可在一定程度上解决 以上问题 。从长远看，农业机器人具备了比人工 。 图１ 采摘机械手整体结构不意图 Ｆｉｇ．１ Ｗｈｏｌｅ ｐｉｃｋｉｎｇ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ 劳动力更高的经济性，具有重要的研究意义… １ 采摘机械手结构与特点 １．１ 采摘机械手整体结构 １．２末端执行器结构 末端执行器由两个柔性手指、压力传感器、拱形 滑道、传动齿轮组、数字电机、电机驱动模块及外壳构 成，如图２所示。使用５线４相数字电机作为末端执 行器柔性手指的驱动器。两个较小齿轮中，一个为主 从采摘过程看，要实现采摘动作灵活，关节机械 手是最有效的结构。所设计的采摘机械手主要由末 端执行器、大臂、小臂、腰部及基座构成，具有３个自 由度。３个主动旋转关节包括腰关节、肩关节及肘关 节，如图１所示。为了满足关节结构紧凑、承载能力 强的要求，采摘机械手采用谐波齿轮作为传动机构， 所设计的三自由度采摘机械手所使用的是ＸＢ１单级 谐波齿轮，内径为８５ｍｍ，柔轮直径为６１ｍｍ，速比范围 动轮，另一个为从动轮；两个较大的从动齿轮通过连 杆及手指基座分别与两个柔性手指连接；步进电机输 出动力通过齿轮组传动机构传送到柔性手指，柔性手 指沿着拱形滑道进行开合动作。柔性手指包括手指 骨架和橡胶指面：手指骨架为弹性钢片，起到支撑作 用；橡胶指面由耐磨并且防老化的橡胶材料制成，指 在８０～１６０。由于本文采摘机械手采用刚轮作为输出 件，波发生器作为输入件，所以传动比为８０。 收稿日期：２０１６—０８—１４ 面上刻有仿人手手指指纹纹路。柔性手指中，一个柔 性手指由较宽的橡胶指面和手指骨架组成，另一个柔 性手指由２个较窄的橡胶指面和Ｕ字形手指骨架组 成，形成两个分指，如图３所示。这样可减少用于驱 动手指的电机数量，简化了结构又可保持三指抓取的 基金项目：吉林省教育厅高校科研课题（２０１４１０２８） 作者简介：肖英奎（１９６５一），男，长春人，教授，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｘｉａｏｙｋ＠ｊｌｕ ｅｄｕ．ｃａ。 ２０１ ７年１０月 农机化研究 第１ ０期 稳定性。在柔性手指中添加有传感器¨ ，可实现抓 放动作。采摘机械手控制系统硬件整体结构如图４ 取的智能化控制，使手指具有力觉反馈。 所示。 １．柔性宽指２．舣拱形滑道３．从动齿轮ａ ４．从动齿轮ｂ ４控制系统硬件结构Ｉ Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ５．从动齿轮Ｃ ６．主动齿轮９．数字电机１２．连杆７．外壳８．电机驱动模块 １Ｏ．齿轮主轴１１．齿轮从轴 １５．细螺栓 末端执行器的控制系统由上位机（工控机）、 【¨ｊ １３．手指基座１４．柔性分指通讯模块、下位机（单片机）、数字电机及电机驱动器、 压力传感器及相应信号处理模块（信号放大模块、ＡＤ 转换模块）组成，如图５所示。 图２末端执行器结构示意图 Ｆｉｇ ２ Ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 图５木端执仃器控制于系统 Ｆｉｇ．５ Ｅｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ２．２ ３自由度采摘机械手功能 由于该采摘机械手的手部依据仿生功能的理念， 指面采用了橡胶材料，其表面上设计类似于指纹的纹 路，因而其表面可提高摩擦附着性能，抓取目标物体 １．弹性钢片２．橡胶制面３．螺孔 时更加稳固；同时，其伺服系统可以很好地控制机械 手抓取力度，降低对物体的机械损伤，可以实现 川 形状、大小物体的自适应抓取。 ４．传感器浅槽 ５．压力传感器（ＦＳＲ） 图３ 末端执行器柔性手指结构图 Ｆｉｇ．３ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｆｉｎｇｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 在执行抓取目标物体过程中，该３自由度采摘机 械手装置的运行步骤大致可分为以下几步：首先，通 ２控制系统 ２．１ 控制系统硬件 采摘机械手控制系统采用模块化设计，主要包括 过人机交互功能，设定目标物体的三维位置信息，主 控器（上位机）依据三维位置信息控制其腰部关节、大 臂关节和小臂关节的联动，来完成对目标物体定位； 到达指定目标位置后，主控器向手部控制器发指令， 运动控制模块、电源模块、通信模块及传感器电路模 块，采用ＰＣ机＋运动控制卡的控制模式来控制机械臂 启动抓取目标物体操作，并进行力觉判断。其次，住 抓稳目标物体即达到初始设定的力后（该力保证目标 物体的无损等），向主控器请求取回目标物体操作。 最后，其机械手运动归位后，主控器通知仿生手部释 放目标物体，作业完毕。 ２．３采摘试验方案 各关节驱动器（交流伺服电机）。运动控制卡通过工 控机中的ＰＣＩ插口连接到工控机主板上，通过６２芯 的输入输出端子排将运动控制卡的管脚和交流伺服 电机的驱动器进行连接，利用ＰＣＩ总线实现工控机与 运动控制卡的通讯；采用上位机（ＰＣ机）＋下位机（单 片机）的模式来控制末端执行器柔性手指的抓取与释 ・通过操作界面中输入目标果实位置后，机械臂将 １３４・ 农 【化 ｆ ７ 术端执仃器送 闩怀化 ，Ｉ 他机通过串Ｉ Ｉ向下位机 发送抓收指令，通过／『Ｊ觉反馈信ｌ 女¨ ６所，Ｊ 第１ ０ ｆ９Ｊ 械ｒ分２个试验：试验ｌ测试采捕机做丁．定ｆ 、采摘 成功牢等力‘ＩｆＩｆ内 ； 验２通过测 采摘机械 的采 制采摘于指步 进【乜ＹＬ ＪＩ’；停， … 化机发送返ｒｎｌ指令 采摘具体流 摘运动时ｎ１Ｊ，来检验采摘机械ｒ的采摘效率 Ｉ殳ｌ ８为 采摘机械ｒ进行模拟采摘试验脱场 ｌ 系统初始化 ｌ ｌ 检测｝｛ｊ Ｉ１ ｌ 甲 入 ｝ 停Ｉ｝：驱动步进ｒ乜机Ｉ Ｉ 向Ｉ：位机发ｊ薹返川信。 Ｉ Ｉ Ｊ 检测ｆ｛ｊＩ Ｉ１ 人／ ｌ ＜／／舷 ＼＼ 敬信 ／、、）Ｉ ．位 ＼。 ｌ驱动步进｝ 机Ｉｌｉ转 ｌ ｌ Ｊ，！］ＺＪｊＡＩ）Ｃ Ｉ ＼＼ ｆ＼、『ｊ］［ ｆＩ’ ／／ ｌ 溃取步进Ｉｕ机转角ｌ 工 接收传感器Ｊ爻馈ｆ ｊ ｌ ｌ 动步进ｔ Ｌｉ机扳转ｌ 工 ８ ¨ｉｇ．８拟 摘 验 Ｉｌ１ …１…ｌ １Ｉ 竺坐 ｝ ￣ｉｍｕｌａｔ＊。ｌＩ ｌｌｉ（’ｋｉｌｌ 试验１、试验２在采摘的黄瓜架ｒｌＪ选取４个／ｆ 的 位 ，进行４组采摘试验 ６采捕流 Ｉ冬１ Ｆｉｇ．６ Ｐｉ（。ｋ＿ｌ１ｇ ｐｒｏ（’ｃｓｓ ｔ１（ ｗ ｌｉａｇｒａ￣ 进行模拟试验ｌ１、ｆ，饥械丁． 运动平稳，４纰试验ｉｒｆ１，ｊ 进ｉ Ｊ ６０次采摘试验，试 验结 如 ｌ、表２所示． ．Ｉ 模拟采摘试舱 果Ｉ ａｂｈ、Ｉ 『ｌ】ｕ ｆ ｌＪ （・ｋｈ ｒ ＩＩＩ・Ｉ ｉｎｌｌ ｖｉｉ ｒｌ， ＩＩｌｓ ３ ３自由度采摘机械手性能测试 为Ｊ 验 采摘饥做『．的仃效 及 彳午力‘ 能， 刈‘ｊ 进ｆ 馍拟采摘试验，主 包括机械于抓取果实时 的 ｆ 成ＪＪ＿Ｊ 、果摘 功 ／支采摘平均速度，Ｊｉ 刈‘结 进ｆ 分忻，从 理 验｝ｌＩ：采摘机做 ｆ ，Ｐｔ－ 成任务的Ｉ『ｆ 太２ 摸拟、禾摘试验 。 ｉ果２ ａＩ）ｌｅ ２ ＳｉｎｌＬｉｌａｔｅ（ｔ ｐｉｃ’ｋｉｎｇ ｅｘ１）ｅＩｉｎｌｅｎｌ ｒｅｓｕｈｓ ２ 初始他杼刮成功 定位果实位置 平均时问 末端执行器 成功采摘后返Ｉ 完成采摘功ｆ１ 平均时 将果实放人群 平均Ｉ：１十Ｊ１＿Ｉ】 ３．３５ ２．３０ ４．８０ ４．６７ ７ｒｉｇ．７求摘试验婀Ｊ 架 ４．４３ 《：∽…Ｉ１ｌｌｒＩ ｆｒＬｌｌ１］（￣ＩＩｒ ‘ｋ＿１］ｇ ｔ‘ｘｌ㈣‘ｉ ｒｍ‘『１ｌ ４．５８ 试验以黄瓜为采摘埘象，将黄瓜 实按照图７方 式怂拌于 瓜 ｒ 通过观察 瓜 实位 币¨采捕机 械ｒ起始他 ，没定采摘机械下的【ｌ怀佗 。 和最优路 搜ｌ卡『ｊ 参数，采捕ｆＪ【械于．卡ｌ｛据程序没定厂１动完成采 ４组试验ｒ 共进行ｒ ６０次卡ｊｌ拟采摘试验， 成功定化５４次，成功采摘５３ ｉ＝欠，总定化成功率为 ９０％，总采摘成功率为８８％一不能成功定位币ＩＩ采摘的 主要原【六１址：术端执行器丁・指的抓持池吲ＥＩ丽还 ｒ 摘仟务 根据 实何 小ｌ ，没定多 参数。采摘饥 ２０１ ７年１０月 农机化研究 参考文献： 第１０期 限，超出手指抓持半径，果实将不能被成功抓取。 由于４组试验黄瓜位置的不同，与机械手设置的 初始位置及收获箱的距离不相同，因此机械手由初始 位置运动到目标果实位置的时间及完成整套采摘动 作的时间每组都有一定差别，但影响不大。６０次采摘 试验中，由初始位置到成功定位果实位置平均时间为 ３．４０ｓ，末端执行器完成采摘动作平均时间２．３０ｓ，由 成功采摘后返回将果实放人箱平均时间为４．６２ｓ。从 试验结果可以看出：采摘机械手各关节与控制系统配 合良好，运行稳定，能够满足采摘要求；下位机对于末 端执行器手指控制灵活，传感器响应灵敏，阈值设置 合理，能够实现稳定抓取并不损伤果实；在成功采摘 以后，并没有发生果实从手指中脱落现象，但采摘手 的采摘成功率及采摘速度还有待提高。 ［１］ Ｃｏｘ Ｓ．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｋｅｙ ｔｏ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ［ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ— ｉｃｓ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２００２，３６（２）：９３—１１１． ［２］ Ｚｈａｎｇ Ｎ，Ｗａｎｇ Ｍ，Ｗａｎｇ Ｎ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｈｕｒｅ－－ａ ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ ｏｖｅｒｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Ａｇ— ｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２００２，３６（２－３）：１１３—１３２． ［３］ 寿华梁．农业采摘机械臂关节伺服控制系统研究［Ｄ］． 杭州：浙江工业大学，２００９． ［４］ 姬江涛，郑治华，杜蒙蒙，等．农业机器人的发展现状及 趋势［Ｊ］．农机化研究，２０１４，３６（２）：１—４． ［５］李国利，姬长英，翟力欣．果蔬采摘机器人末端执行器研 究进展与分析［Ｊ］．中国农机化，２０１４（５）：２３１—２３６． ［６］ Ｓｈｉｉｇｉ Ｔｏｍｏｗｏ，Ｋｏｎｄｏ Ｎ，Ｋｕｎｔａ Ｍｉｔｓｕｔａｋａ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｒａｗｂｅｒｒｙ ｈａｖｅｓｔｒｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｆｒｕｉｔｓ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ｔａｂｌｅ ｔｏｐ ｃｕｌｔｕｒｅ［Ｃ］／／ ２００８ ＡＳＡＢＥ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ．Ｒｈｏｄｅ Ｉｓｌａｎｄ： ４ 结论 １）设计了一种具有力反馈功能的三指采摘末端 执行器。针对黄瓜果实表皮易受到损伤的特点，选 取柔性橡胶材料作为采摘手指指面，在柔性手指中 Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ （ＡＳＡＢＥ），２００８． ［７］ 李文婷，刘昌权，王志胜．伺服分度装置的控制系统ｉｉ￡ 计与实现［Ｊ］．机械与电子，２０１２（３）：５８—６１． ［８］ 丁辉，陈晓林．基于ＰＬＣ三轴伺服控制系统的果蔬采摘 机械手设计［Ｊ］．农机化研究，２０１６，３８（７）：１８２—１８６． ［９］朱凤武，于丰华，邹丽娜，等．农业机器人研究现状及发 嵌有三套贴片薄膜压力传感器，使采摘手具有力反 馈功能，解决了抓取过程中的滑移及脱落问题。结 合实验室现有三自由度机械臂，制作出具有三自由 度黄瓜采摘机械手样机。在采摘机械手机械结构搭 建完成的基础上，设计了控制系统的总体方案。 ２）对采摘机械手进行了模拟采摘环境的整机采 展趋势［Ｊ］．农业工程，２０１３（６）：１０—１３． ［１０］ 王燕，杨庆华，鲍官军，等．关节型果蔬采摘机械臂优化 设计与试验［Ｊ］．农业机械学报，２０１１（７）：１９１—１９５． ［１１］ 王儒敬，孙丙宇．农业机器人的发展现状及展望［Ｊ］． 中国科学院院刊，２０１５（６）：８０３—８０９． 摘试验，根据果实位置将试验分为４组，并进行重复 试验，得到试验数据，验证了采摘机械手采摘作业的 可行性，并找出存在的问题和需要改进的部分，为以 后开展进一步研究奠定了坚实的基础。 ［１２］ 张一星．小型农业机器人试验平台设计与试验［Ｄ］． 杨凌：西北农林科技大学，２０１４． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｆｒｕｉｔ ａｎｄ Ｖｅｇｅｔａｂｌｅ Ｐｉｃｋｉｎｇ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｆｏｒｃｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｘｉａｏ Ｙｉｎｇｋｕｉ，Ｌｉ Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ，Ｘｉｅ Ｌｏｎｇ，Ｆｕ Ｙｉｎｇｄａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ／Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｂｉｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｉｓｔｙ ｏｆｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｊｉｌｉｎ Ｕ— ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｆｒｕｉｔｓ ａｎｄ ｖｅｇｅｔａｂｌｅｓ ｐｉｃｋｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ３ 一ＤＯＦ ｐｉｃｋｉｎｇ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｊｏｉｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ，ｔｈｒｅｅ ｆｉｎｇｅｒ ｐｉｃｋｉｎｇ ｅｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｆｏｒｃｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｆｕｎｅ— ｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｉｃｋｉｎｇ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｉｃｋｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｅａｃｈ ｊｏｉｎｔ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｃｋｉｎｇ ｍａｎｉｐｕｌａ— ｔｏｒ ｉｓ ｇｏｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｃｋｉｎｇ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｒａｐｉｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｃｋｉｎｇ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｉｃｋｉｎｇ ｅｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｆｌｅｘｉｂｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｐｉｃｋｉｎｇ ｅｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｇｒａｓｐ ｓｔａｂｌｙ ｎｏｔ ｔｏ ｄａｍａｇｅ ｔｈｅ ｆｒｕｉｔ．Ｔｈｅ ｐｉｃｋｉｎｇ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｈａｓ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｒｕｉｔ ａｎｄ ｖｅｇｅｔａｂｌｅ ｐｉｃｋｉｎｇ；ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｇｒａｓｐｉｎｇ；ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｅ
