49、机器人变形对形状改变连杆及李子采摘机器人的影响研究-优快云博客

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机器人变形对形状改变连杆及李子采摘机器人的影响研究

机器人形状改变连杆的变形影响

背景与原理
- 传统标准机械臂的连接连杆是直的且固定，工作空间固定。如今，通过改变连接连杆形状来改变机械臂结构的新原理不断涌现，可使系统适应动态工作环境。
- 常见的电缆控制变形原理，利用薄片增加内部节段结构的刚度，但存在薄膜损坏导致真空丢失、系统刚度立即丧失的问题。而使用低熔点材料（LMPM）封装在柔性材料中的方法更合适，加热LMPM可使结构失去刚度并实现变形，不过LMPM强度较低。常用于LMPM应用的是含铋或铟的合金，如无毒且熔点为60°C的Field合金（FA）。
实验材料与方法
- 无LMPM核心的形状改变连杆及变形区域边界曲线
- 设计并制作了基于已有设计的测试形状改变连杆。确定了变形区域，该区域是在给定边界条件下连杆端点可变形的范围，仅针对二维弯曲定义。变形区域的边界曲线，一条确定为圆的渐开线，另一条为心脏线类型的摆线。
- 为测量等效应力的产生及其对LMPM核心的影响，选择沿圆的渐开线变形连杆，原因一是变形时连杆的最大伸展范围，二是曲线上每个点只有一种形状变形连杆能到达。在选定曲线上定义了三个测量点，具体坐标和旋转角度如下表：
  | 位置 | X [mm] | Z [mm] | β [°] |
  | ---- | ---- | ---- | ---- |
  | S | 0 | 106 | 0 |
  | I | 32.83 | 100.44 | 19.88 |
  | II | 58.05 | 85.64 | 41.97 |
  | III | 70.16 | 70.5 | 61.84 |
- 无LMPM的形状改变连杆的有限元分析（FEA）
- 对上述连杆和定义的端点进行FEA分析，分析为静态非线性超弹性设置。仅确定连杆要到达的端点位置，网格模型由41798个四面体单元和9185个节点组成，工业软管材料定义为硅橡胶，采用Moon - Rivlin方法描述。
- 无LMPM的形状改变连杆的力和扭矩测量
- 使用可用的力 - 扭矩系统测量变形连杆端点的力和扭矩。将连杆一端固定在支架上，另一端连接到带有力 - 扭矩传感器的机器人末端执行器，然后将末端执行器移动到测量点并保持所需方向。
- 有LMPM的形状改变连杆的等效应力影响测量
- 制作了含LMPM Fields合金的真实连杆，将其变形到位置III，然后夹在支架上，观察变形/等效应力对LMPM核心的影响，测试在72小时后因连杆形状稳定而停止。

以下是实验流程的mermaid流程图：

graph LR
    A[设计测试形状改变连杆] --> B[确定变形区域及边界曲线]
    B --> C[选择变形路径及测量点]
    C --> D[进行FEA分析]
    C --> E[测量力和扭矩]
    C --> F[制作含LMPM连杆并变形]
    F --> G[观察等效应力对LMPM核心影响]

李子采摘机器人的原型设计

背景与需求
- 李子生产前景广阔，但塞尔维亚在李子生产中未充分发挥最大产能。原因包括人口老龄化、产品销售不安全以及缺乏合适的机械设备和自动化系统。
技术要求
- 垂直范围 ：机器人手臂的垂直伸展范围应在1至6米之间，因为种植园中的李子树修剪后高度不超过5至6米。
- 水平范围 ：机器人的水平伸展（左右手臂伸展）不超过人类双手的跨度，平均为1.5米。机器人放置在拖拉机拖车上，拖拉机沿李子树行移动1 - 2米，使机器人能收获整棵树的树冠宽度（4 - 5米）。
- 深度范围 ：深度伸展应为2.5至3米，即树冠最宽部分的半径，机器人手应能深入树冠内部抓取果实。
- 采摘速度 ：人工采摘李子的周期约为35秒，目标是机器人手臂的采摘速度为4 - 6个/分钟，采摘周期为10 - 15秒，是人工的3至4倍。理论上，机器人在8小时内可收获100 - 120公斤水果，且在有足够光照的情况下可24小时工作。
- 采摘技术 ：食用李子目前仅通过手工采摘以满足严格的质量标准。机器人必须抓住李子的叶柄，避免擦掉其蓝色粉末，以保证水果新鲜。

技术要求总结如下表：
| 技术要求 | 具体范围 |
| ---- | ---- |
| 垂直范围 | 1 - 6米 |
| 水平范围 | 不超过1.5米 |
| 深度范围 | 2.5 - 3米 |
| 采摘速度 | 4 - 6个/分钟 |
| 采摘技术 | 抓叶柄，不擦粉 |

机器人变形对形状改变连杆及李子采摘机器人的影响研究

机器人形状改变连杆实验结果

FEA结果
- FEA结果仅展示了连杆变形部分和上销，以适当表示结构中的应力。对于位置I，最大等效应力为0.27 MPa；位置II为0.44 MPa；位置III为0.45 MPa。具体情况如下表所示：
  | 位置 | 最大等效应力 [MPa] |
  | ---- | ---- |
  | I | 0.27 |
  | II | 0.44 |
  | III | 0.45 |
力和扭矩测量结果
- 实际测量结果是20次测量的平均值，力和弯曲扭矩的测量结果如下表：
  | 位置 | Fx [N] | Fy [N] | Fz [N] | Mx [Nm] | My [Nm] | Mz [Nm] |
  | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
  | I | 1.29 | 0.17 | 10.64 | 0.07 | 0.14 | 0 |
  | II | 2.45 | 0.13 | 5.75 | 0.06 | 0.24 | 0 |
  | III | 2.31 | 0.08 | 0.36 | 0.06 | 0.36 | 0 |
- 随着变形增加，X轴上的力从1.29 N增加到2.31 N，而Z轴上的力从10.64 N减小到0.36 N。这表明连杆外壳有恢复到原始未变形状态的自然属性，从而影响LMPM核心。
等效应力对LMPM核心的影响结果
- 连杆上突出端点E随时间的位置变化结果以图形方式展示，端点E在不同时间的坐标如下表：
  | 时间 [h] | X [mm] | Z [mm] |
  | ---- | ---- | ---- |
  | 1 | 59 | 118 |
  | 72 | 22 | 137 |
- 由于等效应力的作用，端点从原始位置（坐标为(59, 118)）在72小时后移动到坐标(22, 137)，这表明该材料无法实现预期的变形稳定性，在相对较短的时间内形状发生了显著变化，进而改变了机器人的整个运动学结构。

以下是结果分析的mermaid流程图：

graph LR
    A[FEA分析] --> B[确定等效应力大小]
    B --> C[分析应力集中位置]
    D[力和扭矩测量] --> E[观察力分布变化]
    E --> C
    F[等效应力对LMPM核心影响测量] --> G[记录端点位置变化]
    G --> C
    C --> H[评估LMPM用于机器人的适用性]

李子采摘机器人的设计方案

机器人结构设计
- 该机器人是一个复合6自由度机器人采摘器，由一个3自由度的笛卡尔机器人和一个3自由度的伸缩式机器人手臂组成，并配有定制的夹具。
- 伸缩式机器人手臂放置在笛卡尔机器人的线性导轨上。前三个关节是线性的，用于到达位置；后三个关节是圆柱形的，用于定义夹具的方向。
- 这种机器人配置首先能够快速定位到水果附近，然后精确调整夹具的方向，以完成切断水果和采摘的最终过程。机器人将采摘的李子通过手臂运送到存储箱，并放置在指定位置。
设计优势总结
- 模拟人类动作 ：设计旨在复制人类在采摘过程中的动作，更符合实际采摘需求。
- 灵活定位 ：通过笛卡尔机器人和伸缩式手臂的组合，能够在垂直、水平和深度方向上灵活移动，满足不同位置水果的采摘要求。
- 高效采摘 ：合理的关节设计和动作规划，有助于实现快速准确的采摘，提高采摘效率。