基于FPA控制系统的多指多关节采摘机械手设计.pdf

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1、2017年5月农机化研究第5期基于FPA控制系统的多指多关节采摘机械手设计申一歌，袁铸(河南工业职业技术学院，河南南阳473000)摘要: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

2、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。关键词:多指机械手;多目标优化;FPA驱动;抓持能力;自由度中图分类号:S225;TP273文献标识码:A文章编号:1003－188X(2017)05－0249－04DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2017.05.049种既具有对大部分果实自适应采摘能力，又对大部分0引言果实损伤较小的采摘机械手。其中，典型的代表是农业的机械化实现了用机械动力和电力代替人力Monta等人研制的番茄采摘机械手，

3、其结构如图1所和畜力，以工作机械代替人的手工工具的目标。20世示。纪70年代以来，农业逐渐推广应用自动控制、电子计算机、系统工程、遥感等技术，实现部分生产作业和管理自动化，取得了提高作业质量、效率和安全、省力等效果。在果蔬采收作业时，采摘机器人是最常用的自动化和智能化机械工具之一，但在作业过程中，传统的采摘机械手的抓取动作比较单一，手指关节自由度较少，通用性较差，制约了采摘机器人的发展和应用。多指采摘机械手手指关节灵活，可以实现复杂的抓取动作，如果将其作为在采摘机器人与外界作业环境的末端执行部件，必然会提高采摘机器人的自动化水平，提高其作业范围和作

4、业能力。图1机械手番茄采摘照片Fig．1Tomatoharvestingmanipulatorphotos1基于FPA的多指采摘机械手设计该末端执行器由4个90°间隔分布的手指和1个采摘机器人设计的最重要部分之一是机械手的设吸盘组成，在采摘番茄过程中，机械手对果实的损伤计，机械手设计的好坏直接影响机械人的作业性能和较小，其工作原理如图2所示。其每个手指都是使用工作效率。机械手指的驱动是机械手设计的一个难橡胶软管进行连接，软管使用缆绳连接，拉动缆绳时，题，要在小的空间内实现多自由度的灵活动作，且还手指向内弯曲，放开缆绳，手指放松，配合压力传感器要保证

5、机械手指具有足够的抓取力。在此背景下，各和吸盘，可以完成整个果实采摘动作。为了提高手指国的农业机器人专家和学者都在积极探讨和研究一关节的灵活程度，设计了多关节灵活动作的机械手指，结构如图3所示。收稿日期:2016－03－10由于果实形状各异，为了满足机械手指的自适应基金项目:河南省自然科学基金项目(2015GZC155);南阳市科技攻关(KJGG36)能力，将其设计成模块化结构，手指数量设计为3个，作者简介:申一歌(1982－)，女，河南南阳人，讲师，硕士研究生。单个手指的关节数量设计为3个，手指间的距离可以通讯作者:袁铸(1982－)，男，河南南

6、阳人，讲师，硕士，(E－mail)yuanzhu1982@hnpi．cn。根据不同的果实调节。·249·2017年5月农机化研究第5期关节控制器系统主要是控制关节的弯曲驱动和弯曲力的大小，是机械手控制的基础构件。本设计的控制器使用的是压力比例控制阀，并利用压力反馈信号实现关节运动的调节。采摘机械手总体的控制电路如图6所示。图2机械手末端执行器原理图Fig．2Theschematicdiagramoftheendeffector图6采摘机械手总体的控制电路Fig．6Overallcontrolcircuitofpickingmanipulator采摘

7、机械手的总体控制电路可以根据采摘果实的数量和形状进行设定，通过实验标定机械手的采摘姿态、关节角度和FPA中的压力值，通过综合评估后确定各个关节合适的压力值。在采摘作业过程中，对FPA中的压力值进行闭环控制，通过闭环控制调节压力值，使其适应不同的待采摘果实作业对象，从而有图3多关节机械手指结构效地提高采摘质量和采摘效率。Fig．3Multijointmechanicalfingerstructure2多指采摘机械手几何和运动学模型多指采摘机械手的控制系统分为上位机和下位机两部分:上位机主要负责手指各个关节和多个手指的多指采摘机械手设计的关键是多指几何

8、结构，几协调工作，包括运动学计算、轨迹计算和关节控制;下何形状关系到手指的运动角度和内腔的压力，几何形位机主要负责压力和角