刚柔混联欠驱动草莓采摘机械手动力耦合特性研究

The most strawberry planting in our country are cultivated in way of hill culture. In the same time, the maturation of strawberry is aperiodic, which makes the intensity and quantity of labor large. Hence, it's an urgent mission to develop strawberry harvesting manipulator instead of manual labor. According to the feature of strawberry with complicated shape and delicate surface, the multi-finger manipulator is employed as the harvesting device, and the rigid-compliant structured underactuated framework is applied for the finge unit, that combine pneumatic muscle driver to implement flexible harvesting. The figer unit with rigid-compliant structured underactuated framework is essentially dynamic systems with second-order nonholonomic constraints, which make the study of dynamic coupling become the chief analysis for the controllability of manipulator. Based on the theory of compliant machanism and principles of analytical mechanics, this proposal is to investigate the structural synthesis of compliant machanism and dynamic characteristic, dynamic model building of rigid-compliant structured underactuated system, and the characteristic of dynamic coupling. On the basis of nonlinear control theory, the integrability of nonholonomic constraints is analysed, then controllability condition of motion is obtained. The above study can provide the referrence for basic theory and application of rigid-compliant structured underactuated robots, and give the foundation for the application in agricultural engineering.

我国大面积种植草莓多采用垄作栽培方式，加之草莓果实不定期成熟的生长特点，使得人工采摘草莓劳动强度和作业量非常大，由此开发一种代替人工作业的草莓采摘机构成为亟待解决的问题。针对草莓形状复杂、外表娇嫩的特点，本项目采用多指式机械手作为末端采摘装置，将刚柔混联欠驱动结构应用于手指单元的设计，并结合气动肌腱驱动实现草莓高效低损采摘。刚柔混联欠驱动手指单元实质是一类具有二阶非完整约束的动力系统，对其进行动力耦合特性分析是实现机械手可控性的首要问题。本项目融合柔顺机构学理论与分析力学原理，深入开展对手指柔顺构件构型综合与动力特性、刚柔混联欠驱动手指单元动力学建模及动力耦合特性等问题的研究；在此基础上，基于非线性控制理论，分析非完整约束的可积性，提出手指运动输出的可控性条件。本项目的开展可为刚柔混联欠驱动机器人的基础理论与应用研究提供参考，并为其在农业工程实践中的应用奠定基础，具有重要的理论意义和实用价值。

本项目受资助后，按计划开展了刚柔混联欠驱动草莓采摘机械手动力耦合特性的研究工作，即：1) 针对草莓自动化采摘需求，考虑草莓形状复杂、外表娇嫩的特点，将曲线型分布式柔顺机构应用到采摘机械手手指设计中，创新提出刚柔混联欠驱动草莓采摘机械手结构，以及具有刚性约束构件的全柔性采摘机械手；并建立气动肌腱驱动的末端执行器摘取接触力控制系统。2) 同时基于连续介质模型，推导出连续体模型在大变形状态时的频率形式，将此频率结果作为衡量标准，评价传统伪刚体模型在进行机构动力学分析时的精度，提出伪刚体模型质量分布修正系数。3) 以扇贝脏器气吸分离装置柔顺臂为例，针对具有复杂曲线形状的分布式大变形柔顺机构，划分出合理的伪刚性段，提出等效关节扭簧常数修正公式，建立伪刚体模型，在此基础上建立等效的完全欠驱动多刚体系统的动力学模型，对其动力耦合特性进行分析。4) 将刚柔混联的欠驱动多刚体系统等效为具有二阶非完整约束的冗余多体系统，对此类系统中具有典型性的无根冗余欠驱动多体系统进行动力学建模，基于虚设机构法建立其动力学模型，并推导二阶非完整约束方程，提出耦合性能指标，针对运动学、动力学参数对系统可控性的影响进行分析。目前，本项目共发表（含录用待发表）学术论文8篇，其中被EI收录的论文3篇；后续研究成果整理已投稿论文3篇，待整理投稿论文1篇；申请专利10项，授权6项。项目研究期间，项目组成员参加国际会议3次；培养硕士研究生6名。项目创新提出的刚柔混联欠驱动采摘机械手结构，为多冗余度仿生机器人的结构简化设计提供新的思路。同时针对曲线型分布式柔顺机构的伪刚体建模与动力特性研究，为柔顺机构的研究提供了一种基于广义动力学的高效率建模方法。在此基础上，综合出刚柔混联欠驱动多体系统动力学建模的方法。研究成果为刚柔混联欠驱动机器人的基础理论与应用研究提供参考，并为其在农业工程实践中的应用奠定基础，具有重要的理论意义和实用价值。