气动球果采摘柔性手爪设计与实验

针对球形果实采摘问题,采用气动多向弯曲柔性驱动器设计了2种规格带有回转腕部功能的多自由度3指采摘柔性手爪。该采摘柔性手爪采用中心对称结构,其柔性手指与驱动器复合一体,在气压下可产生贴合球果表面的弧状变形,3指协同配合运动抓取球果,并通过腕部旋扭分离方式完成采摘。研究了“刚柔耦合”驱动器的材料和制造工艺,建立了柔性驱动器形变模型,获得了其气压下的形变特性,并进行了相关实验验证。试制了采摘柔性手爪物理样机,研究分析了柔性手爪的工作空间、抓取模式和采摘时的力学性能,并在实验室搭建的采摘平台上进行了多种球果模拟采摘实验。结果表明,该采摘柔性手爪具有3种抓取模式,物形适应性好,抓取柔顺可靠、动作灵活,采摘主动安全、损伤小,适于多种球果的采摘。该柔性手爪采摘球果的尺寸范围为30~130 mm,三指交错强力握取球果的最大质量为1.28 kg。     

细长果蔬采摘软体气动抓手设计与参数优化

为实现细长果蔬的无损采摘,设计一种充气呈螺旋运动的软体气动抓手。对该抓手进行有限元静力学仿真分析,采用3因素3水平的中心组合设计与响应面分析方法,研究各因素对软体气动抓手螺旋特性的交互影响。以软体气动抓手的螺旋直径和螺距为响应值,分别建立二次回归模型,得到模型的决定系数分别为0.9987和0.9351,各因素对螺旋直径和螺距的影响显著性顺序从大到小均为：壁厚、内腔室高度、腔室角;以软体气动抓手的仿真直径35mm、仿真螺距[50mm,150mm]为目标函数对各试验因素进行优化,最优设计结果为壁厚2.51mm、腔室角30.52°、内腔室高度11.91mm。制作软体气动抓手并进行仿真试验对比,结果表明,螺旋直径与螺距的误差均小于5%。对该抓手在不同气压下的抓取力进行试验,结果显示,软体气动抓手在气压0.13MPa下至少具有3.37N的抓取力;通过抓取不同尺寸、不同柔软度细长果蔬的试验证明了软体气动抓手抓取的有效性;以水果黄瓜为采摘对象,在3.6s内实现了黄瓜的抓取与断梗。     

农业采摘机器人柔性机械手研究

现有的刚性机械手存在自适应性差、质量大、不适宜在农业采摘中应用。本文介绍一种适宜农业采摘的柔性机械手,设计该手爪的内部结构,研究机械手的气动控制系统。在不同气压条件下对柔性机械手进行分析,得到夹持力随气压变化的规律,并以不同目标物为研究对象对柔性机械手进行实验分析,实验结果验证柔性机械手抓取果实的可行性,在农业采摘中具有良好的应用前景。     

光固化果蔬采摘气动软体抓手设计与试验

针对目前软体抓手的制造方式(如软体平板印刷、失蜡铸造等)存在成型工艺复杂、粘结不牢靠、接缝处易撕裂等问题，设计了一种光固化成型软体采摘抓手一体式结构，通过正、负压驱动，可实现果蔬的自适应抓取。首先，基于Yeoh模型，研究了软体驱动器弯曲变形运动中的非线性力学特性，得出腔体内部压强与驱动器弯曲角度之间的非线性关系模型。然后，通过Abaqus有限元软件分析软体驱动器的弯曲特性，得到各主要结构参数对弯曲角度的影响规律，并结合正交试验法得到最佳的结构参数组合：软体驱动器的腔体壁厚为1.6 mm、腔体个数7、腔体间隙3 mm、底层厚度3 mm。最后，根据最佳的结构参数组合制造软体采摘抓手样机，并将其安装在试验平台上进行果蔬抓取试验，验证了光固化一体成型软体采摘抓手的实用性。     

基于滑块摇杆机构的柔性三指机器人手爪研究

多指机器人手爪普遍存在指端作用力弱的问题,柔性机器人手爪也出现末端作用力不足的现象,采用气压驱动的软体手爪虽驱动力增强,但不利于手爪控制的准确性,为此,设计了一种基于滑块摇杆机构的柔性三指机器人手爪。该手爪每根手指的指尖、指中节采用滑块摇杆机构实现,不仅增强了指端作用力,而且结构简单、易实现。为避免手指与目标物的刚性接触,手指尖、指根运动均通过弹簧来实现手爪的柔性;指尖驱动弹簧设计得较软,有利于初始接触的柔性;指根采用腱传动方式,指根腱采用较硬的弹簧来传递舵机扭力,可保证足够的作用力;手指表面均设计有较平的表面,有利于粘贴触觉传感器。通过理论分析与计算,证明指尖可获得较大的作用力,并分析了弹簧的选取方法。通过抓取实验证明本文设计的机器人手爪具有较好的适应性和抓取能力;与本课题组前期设计的钢丝绳耦合欠驱动式机器人手爪进行了抓取力对比测试,结果表明,手爪的抓取力有了很大提升,最大抓取质量达1.71kg;通过测试指端正压力与驱动舵机旋转角的关系以及抓取典型目标物的损伤情况,证明了设计的手爪具有一定柔性。有关性能实验证明了设计的手爪具有较好的实用性。     

欠驱动式柑橘采摘末端执行器设计与试验

为实现柑橘采摘的机械化、智能化,设计了一款欠驱动式柑橘采摘末端执行器。该执行器通过三指充分抓握与偏转的融合控制,实现对不同大小及椭圆度的柑橘的稳定采摘。针对不同尺寸柑橘采摘需求,设计了双连杆并联式手指,在抓握直径差异较大的柑橘时,手指能够自动进行抓取或捏取动作,并实现被动柔顺。通过静力学分析,得到抓取力与电机输出力矩间的关系。针对不同椭圆度柑橘采摘需求,为手指根部添加旋转关节。在建立电机驱动控制系统模型的基础上,提出基于电流反馈的主动柔顺控制策略,指根能够旋转合适的角度使指面与柑橘表面紧密贴合,在防止手指棱边刮伤柑橘表皮的同时,增大接触面积、提高摩擦力。仿真结果表明,该末端执行器结构在运动学方面满足设计要求。制作物理样机并在实验室环境下进行了柑橘抓取试验,试验结果表明采摘执行器针对直径30~100mm的柑橘抓取成功率为98.3%,平均耗时5.3s。该末端执行器能够针对不同尺寸、不同形状的柑橘实现采摘功能,具有适应性强、抓取稳定、不损伤果实等优点。     

丫形欠驱动库尔勒香梨采摘机械手的设计与仿真分析

目前,香梨主要依靠人力采摘,多果聚集情况明显,采摘作业强度大、采收期短,又因常见果蔬采摘机械装置自适应能力弱、抓果不稳定,会造成较多损伤,不适合用于多果聚集的香梨采摘。为此,仿照人工采摘动作,基于欠驱动原理设计了一种“丫”形香梨采摘的机械手,由传动部件、抓取装置和指间差动系统3部分组成,单个电机驱动机械手对果实进行抓取,在辅助装置作用下完成采摘分离动作。同时,对抓取装置模型进行运动学分析,得到单指的运动空间,计算出了远指节抓取平均范围大于55mm,能满足范围内不同形状、尺寸香梨的包络抓取。通过Adams软件对抓取装置进行运动学仿真,结果显示机构运动平稳,结构设计合理。实验室台架试验结果表明:在机械臂辅助操作采摘时,机械手可实现抓取动作,抓取成功率为96%,平均采摘时间约为2.6s,验证了采摘方案可行性和机械结构设计的可靠性。研究结果可为香梨采摘装置关键结构设计提供参考依据。     

番茄采摘机器人系统设计与试验

为了提高鲜食番茄采收的自动化水平,减轻人工采摘劳动强度,设计了一种番茄智能采摘机器人。该采摘机器人包括视觉定位单元、采摘手爪、控制系统及承载平台,并基于各部件工作原理制定了采摘机器人的工作流程。基于HIS色彩模型进行图像分割,提高了果实识别的准确度;通过气囊夹持方式确保果实采摘过程中对果实的柔性夹持。试验结果表明:视觉定位、采摘手爪等模块运转良好,采摘单果番茄耗时约24s,成功率可达8 3.9%以上。     

基于气动柔性驱动器的球果采摘末端抓持器

为实现球果的安全、可靠采摘,基于气动柔性驱动器(FPA)设计了球果采摘末端执行器,主要由3个FPA驱动的手指和基座构成.建立了手指指端在基座坐标系内的运动学方程,分析了末端抓持器在任意姿态下进行球果抓握的力学过程,建立了球果抓持数学模型.实验结果表明,所设计的球果采摘末端执行器可对成熟球果进行任意姿态的抓握,建立的数学模型可用于实际的采摘过程控制.     

气动柔性果蔬采摘机械手运动学分析与实验

采用气动弯曲型柔性驱动器设计了一种带有柔性机械臂的多自由度果蔬采摘机械手。基于分段常曲率理论,根据柔性驱动器形变规律,建立了多关节串并联的采摘机械手运动学模型和抓持力模型,研究了机械手采摘作业时抓取模式、工作空间和手指输出力与气压的关系,并进行了相关实验验证。制作了机械手样机,并在实验室环境下进行了多种果蔬模拟采摘实验,结果表明,该果蔬机械手具有多种抓取模式,且动作灵活、柔顺可靠、易于控制,适用于球形和圆柱形果蔬自动化采摘作业。     

基于FPA控制系统的多指多关节采摘机械手设计

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。     

果蔬采摘刚度增强型软体抓手设计与试验

针对目前软体末端执行器在果蔬采摘领域存在刚度低、指尖力小等问题,在多腔体型软体末端执行器的基础上,提出一种通过对发生层的腔体顶部及两侧增加限制性材料以增大夹持力的方法。建立数学模型分析执行器末端位置与输入气压之间的关系;采用Abaqus软件仿真分析执行器弯曲角度、支反力的变化规律;通过对比试验进行抓取验证。有限元仿真与试验结果表明:发生层限制性材料的增加在不影响执行器弯曲性能的前提下,不仅能很好地减小气球效应,而且能够承载更高的工作压强;弯曲角度和压强一定时,增强型执行器的支反力明显大于传统软体执行器,增强型软体抓手最大抓取重量约为414 g,传统型软体抓手最大抓取重量约为108 g,抓取重量约为传统抓手的4倍。     

果蔬表面粗糙度特性检测触觉传感器设计与试验

为使农业机器人能够通过"触摸"检测果蔬表面粗糙度特性,设计并制作了一种PVDF触觉传感器,通过触觉信号处理分析检测果蔬的表面粗糙度特性。利用ANSYS有限元分析选择传感器模型的有效信息获取区域,将PVDF压电薄膜和电阻应变片以不同方向和位置随机排布在该区域。搭建触觉信息检测平台,通过多通道数据采集程序对3种不同粗糙度等级的样本进行数据采集与存储,提取样本特征,建立支持向量回归机算法模型,并通过基于径向基核函数的SVR算法对果蔬表面粗糙度进行预测。试验结果与实际设定粗糙度等级一致,证明所设计触觉传感器能有效检测果蔬表面粗糙度特性。     

三指柔性气动夹爪结构设计与实验

针对水果表皮脆弱易损、不适合采用传统刚性夹爪抓取的问题,基于章鱼触手结构特征,结合仿生学原理和增材制造技术,设计并制作了一种结构简单、具有自适应性的由3个柔性手指和固定组件组成的适用于水果采摘的气动柔性夹爪。采用ANSYS模拟和测试柔性手指在不同气压下的弯曲情况,发现柔性手指可在低压下具有较大的弯曲变形,最大弯曲角为22.4°,气压为100kPa时,产生最大压力为2.38N;柔性夹爪的夹持力实验表明,在0~100kPa的压力范围,柔性夹爪可自适应抓取质量564g、直径100mm内的水果,并且水果表面没有损伤,抓取效果良好,达到设计目标要求。     

丘陵果园自然环境下柑橘采摘机器人设计与试验

智慧果园是未来果园行业发展的趋势,智能化果实采摘是发展智慧果园的关键问题。为实现智能化果实采摘,本文搭建了一种适用于丘陵果园矮化栽培模式下的柑橘采摘机器人系统。针对丘陵果园垄间地面凹凸不平,存在地形倾斜角0°~20°,设计了一种自适应调平平台保持机械臂基座水平;通过视觉系统获取多幅点云图像建立果树的三维点云模型,获取果实位置信息;为避免采摘时造成果实损伤,结合柑橘类水果的采摘特点,设计了一种剪切夹持一体化的末端执行器完成柑橘采摘。针对果园自然环境的主要扰动因素（风和光照）进行分级,设置10组对比试验,结果表明：在低光照或正常光照条件下,平均果实定位准确率为82.5%,末端执行器夹取成功率为87.5%,平均采摘时间最短为12.3s/个;高光照条件下平均果实定位准确率为72%,末端执行器夹取成功率为80%,平均采摘时间最短为12.5s/个。     

基于滑觉检测的农业机器人果蔬柔性抓取控制研究

果蔬采摘是水果蔬菜生产种植中最繁琐、最耗时间、最费精力的部分之一,直接影响果蔬日后的价值和销售。随着经济的快速发展、外出务工人员增多及农业劳动力减少,劳动力在果蔬种植成本所占比例越来越大。实现果蔬自动化采摘是降低成本、释放农业劳动力的重要举措。20世纪80年代,美国成功生产了世界上第1台西红柿采摘机器人。近年来,随着信息技术和自动化技术的高速发展,农业采摘机器人的研究和开发取得了很大进步,但对果蔬柔性抓取的研究进展较慢。为此,基于滑觉传感检测技术与果蔬损伤机理,以农业机器人采摘控制系统为研究平台,运用离散小波变换算法,从传感器和抓取力控制着手,深入研究和设计了农业机器人柔性无损采摘控制系统。试验表明:系统运行稳定,可靠性强,对实现果蔬柔性采摘具有十分重要的应用意义。