果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制
一种果实采摘末端执行器设计与仿真分析
１ 所示） ， 该末端执行器主要 由步进 电机 、 双作 用伸缩
摘
要 ：为 了实 现 球状 果 实 的 自动 化 采摘 ， 设 计 了一 种 能 够 完 成 多 种 球状 果 实采 摘 的 机 器 人 末 端 执 行 器 。其 具
有 无需 检 测 与 果实 的 接触 力 和无 需 检 测果 柄 与 末端 执 行 器 的相 对 方位 的 突 出优 点 ， 大 大 降 低 了机 器 人末 端执 行
２ ０ １ ３年 １月
农 机 化 研 究
第 １期
一
种 果 实 采 摘 末 端 执 行 器 设 计 与 仿 真 分 析
丁加 军 ，刘 桂 芝 ，杨 文亮
（ １ ． 南 京 工业 职 业 技术 学 院 ，南 京 ２ １ ０ ０ ４ ６；２ ．南 京 工 程学 院 ，南 京 ２ １ ｌ １ ６ ７）
过程 中出现 松 动 或 者 挤 碎 果 实 的情 况 就 要 添 加 压 力 传感 器 ， 对 抓取力进行控制 ， 这 样 就 增 加 了末 端 执 行 器 的成 本 及 控 制 系 统 的 设 计 难 度 与 末 端执 行 器 的方 位 也需 要 增 加 相
此 目标任务 可以有 以下几种方式 ： ①抓牢果 实后 ， 模 仿人采摘时手腕的掰拧动作将果柄拧断 ； ②用微型 电
锯将果柄割 断； ③ 抓 紧果 实 后 ， 利 用 一定 速 度 的刀 片
定采摘姿态 ， 同 时保 证 结 构 紧 凑 简 明 ， 具 有 较 高 的采
将 果 柄砍 断 ； ④ 判断 果 柄 位 置 ， 利用剪刀将果柄剪断 ； ⑤ 夹 住果 实 后 ， 用激 光将 果柄 烧 断 。 这 几 种方 案 中 ， 其 中第 １种 方 案 对 于柔 韧 果 柄 和 枝条 的情 况 采 摘 成 功 率 低 ； 第 ２—５种 方 案 对 于 打 断
一种水果采摘机器人末端执行器
一种水果采摘机器人末端执行器一种水果采摘机器人的末端执行器随着科技的不断进步，机器人技术正在越来越广泛地应用于各种领域。
其中，水果采摘领域也不例外。
水果采摘机器人的末端执行器是实现采摘水果的关键部分，它能够通过精确的操作，快速、高效地完成水果采摘任务。
一、末端执行器的设计水果采摘机器人的末端执行器一般采用机械手或机器人手臂的设计。
它通常由多个关节组成，具有高度的灵活性和操作性。
末端执行器可以通过感应器来感知水果的位置和形状，并通过复杂的算法来确定最佳的采摘路径。
二、末端执行器的操作流程1、感应水果：末端执行器使用感应器来探测水果的位置和形状。
这些感应器可以是光学相机、红外相机或深度相机等。
通过对采集到的图像进行处理和分析，可以确定水果的精确位置和大小。
2、路径规划：一旦确定了水果的位置，末端执行器将通过复杂的算法计算出最佳的采摘路径。
这些算法通常考虑多种因素，如机械手的灵活性、水果的位置和形状等。
3、采摘水果：在规划好路径后，末端执行器将开始执行采摘操作。
它可以使用夹持器或剪刀等工具来抓住或切断水果的茎干。
在采摘过程中，末端执行器需要保证水果不受损伤，同时也要保证机械手的操作安全。
4、放置水果：一旦采摘完成，末端执行器将把水果放置到指定的位置。
这个位置可以是篮子、箱子或其他容器。
放置过程中，末端执行器需要保证水果的稳定性和整齐性，以便后续的处理和运输。
三、末端执行器的优势1、高效性：末端执行器可以快速、准确地完成采摘任务，大大提高了采摘效率。
2、准确性：通过感应器和算法的配合，末端执行器可以精确地定位水果的位置和形状，从而保证采摘的准确性。
水果采摘机器人末端执行器的研究进展随着现代农业技术的不断发展，自动化和机器人技术在农业生产中的应用越来越广泛。
其中，水果采摘机器人在提高生产效率、降低劳动成本、提升水果质量等方面具有明显优势。
然而，采摘水果的精度和效率在很大程度上取决于机器人末端执行器的设计和功能。
采摘机器人简介
.
目录
1摘要 2果树采摘机器人的特点 3国内外采摘机器人的研究进展 4采摘机器人的结构组成 5果蔬采摘机器人的主要问题和关键技术
6参考文献
.
1采摘机器人的特点
①作业对象娇嫩、形状复杂且个体状况之间的差 异性大，需要从机器人结构、传感器、控制系统 等方面加以协调和控制； ②采摘对象具有随机分布性，大多被树叶、树枝 等掩盖，增大了机器人视觉定位难度，使得采摘 速度和成功率降低，同时对机械手的避障提出了 更高的要求； ③采摘机器人工作在非结构化的环境下，环境条 件随着季节、天气的变化而发生变化，环境信息 完全是未知的、开放的，要求机器人在视觉、知 识推理和判断等方面有相当高的智能；
.
3．2机械手
机械手又称操作机，是指具有和人手臂相似的动作功 能，并使工作对象能在空间内移动的机械装置，是机 器人赖以完成工作任务的实体。在收获机器人中，机 械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的 目标果实所处的位置，
直角坐标
圆柱坐标
极坐标
球坐标
多关节 （类人）
其工作空间要求机器人能够达到任何一个目标果实。 相比其它结构比较起来，要求更加灵活和方便。机械 手的自由度是衡量机器人性能的重要指标之一，它直 接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性。
西红柿
葡萄
目对于西瓜等作物的藤茎在地面上的果实，使用上述两 种行走装置显然不适合。移动机构的设计必须要保证机 器人运动平稳和灵活避障。荷兰开发的黄瓜收获机器人 以铺设于温室内的加热管道作为小车的行走轨道。日本 等尝试将人形机器人引入到移动式采摘机器人中；但这 种技术目前还不成熟，有待进一步的研制开发。采用智 能导航技术的无人驾驶自主式小车是智能采摘机器人行 走部分的发展趋势。
《采摘机器人末端执行器设计与抓取特性研究》
《采摘机器人末端执行器设计与抓取特性研究》一、引言随着科技的进步和农业现代化的推进，采摘机器人成为了提高农业生产效率和减少人工成本的重要工具。
而末端执行器作为采摘机器人的核心部分，其设计和抓取特性直接影响着机器人的工作效率和准确性。
因此，对采摘机器人末端执行器设计与抓取特性的研究具有重要的现实意义。
二、采摘机器人末端执行器设计1. 设计要求与目标采摘机器人末端执行器设计需满足以下要求：适应不同形状和大小的果实，确保抓取的稳定性和准确性，同时要保证轻便、耐用和低能耗。
设计目标是通过精确的机械结构和智能控制系统，实现自动化、高效化的果实采摘。
2. 结构设计末端执行器主要由夹持机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
夹持机构负责与果实接触并实现夹持动作，驱动机构提供夹持动作的动力，控制机构则负责整个执行器的控制与协调。
其中，夹持机构的设计是关键，需根据果实的形状和大小进行定制化设计。
3. 材料选择执行器的材料选择需考虑其强度、耐磨性、耐腐蚀性以及轻量化等因素。
常用的材料包括高强度合金、工程塑料等。
此外，为保证执行器的耐用性，还需对关键部件进行表面处理，如喷涂防腐漆等。
三、抓取特性研究1. 抓取稳定性研究抓取稳定性是评价末端执行器性能的重要指标。
通过优化夹持机构的结构和材料，以及合理设置夹持力的大小和方向，可提高抓取的稳定性。
此外，还可通过引入视觉系统和力觉传感器，实现精确的定位和力控制，进一步提高抓取的稳定性。
2. 抓取速度与效率研究为提高采摘机器人的工作效率，需对末端执行器的抓取速度与效率进行研究。
通过优化驱动机构的传动方式和控制策略，可实现更快的夹持动作和更高的工作效率。
同时，结合智能控制算法，可实现多任务并行处理和优化调度，进一步提高机器人的工作效率。
四、实验与分析为验证设计的合理性和抓取特性的有效性，我们进行了大量的实验和分析。
实验结果表明，优化后的末端执行器能够适应不同形状和大小的果实，具有较高的抓取稳定性和工作效率。
水果采摘机器人采摘装置机研究现状
Hans Journal of Agricultural Sciences 农业科学, 2021, 11(2), 129-132Published Online February 2021 in Hans. /journal/hjashttps:///10.12677/hjas.2021.112018水果采摘机器人采摘装置机研究现状刘袁，黄彪，陈昌银，杨文达，张华东，杨涛贵州理工学院，贵州贵阳收稿日期：2021年1月22日；录用日期：2021年2月17日；发布日期：2021年2月24日摘要采摘装置是水果采摘机器人的关键组成部分，与果实直接接触，在很大的程度上影响着果实的采摘率和损坏率。
随着科技的高速发展，我国研究出很多种类型的水果采摘装置，并且也得到了大众的认可。
下面我们将抽取不同的水果采摘装置进行比较，总结水果采摘机器人采集装置现存的主要问题及未来的发展趋势。
关键词水果采摘，末端执行器，研究进展，发展趋势Research Status of Fruit Picking RobotPicking DeviceYuan Liu, Biao Huang, Changyin Chen, Wenda Yang, Huadong Zhang, Tao YangGuizhou Institute of Technology, Guiyang GuizhouReceived: Jan. 22nd, 2021; accepted: Feb. 17th, 2021; published: Feb. 24th, 2021AbstractThe picking device is the key component of the fruit picking robot. It directly contacts with the fruit, which affects the picking rate and damage rate of the fruit to a great extent. With the rapid development of science and technology, many types of fruit picking devices have been developed in China, and have been recognized by the public. Next, we will extract different fruit picking de-vices for comparison, and summarize the main existing problems and future development trend of fruit picking robot collecting devices.刘袁等KeywordsFruit Picking, End-Effector, Research Progress, the Development TrendCopyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言根据《2020-2026年中国水果行业市场运营格局及投资策略探讨报告》发布数据显示：2018年我国水果产量达2.57亿吨，稳居全球第一。
基于稳定抓取力学模型的末端执行器控制器设计
被抓物体变形前位置 ， 不考虑末端执行器 、 力传感器变形
的影 响 ， 果蔬受 到末 端执 行器 的主要 夹持力 为 ： 厂 ｔ ＝｝ｔ （ ｔ 一 。 ＋ （） ｔ （） Ｊ ） （） ） ｂ ｔ 立（） ｉ （ （） １
式 中 （）一 烫 果蔬 受 到末 端 执 行 器 作 用 的夹 持 厂 力 ；（）～ 烫 果蔬 瞬 间被 抓取 时 的 刚度 ；（）一 烫 果 ｜ｔ ｉ ｝ ｂｔ 蔬瞬 间被抓 取 时 的阻 尼 ； ｔ 一 烫 果 蔬 在抓 取 过 （）一 程 中的瞬间 变形量 ； （） 烫果蔬 在 抓取 过程 中的瞬 ｚ一
用夹持器。专用夹 持器结构简单 、 控制方便、 载能力 负
强 、 性高 ， 于苹果 抓 取 应该 用 专 用 夹 持器 ， 于软 可靠 对 对
等。Ｓｈ ａ 等采用内力约束条件抓取和操作变形体 ， ｏｉＧ ｒ ｌ ｇ 并得 出指尖力和指尖速度与变形有关。在末端执行器坐
标系中， 为末 端 执行 器在 果蔬 上 的实 际夹持 位置 ； 为 ‰
物体抓取采取阻抗控制和基于力外环控制 ， 但是大都采 取以固定抓持力抓取 ， 自主采摘程度低 ， 另一种利用滑觉
传感器 ， 来判别 物体 是 否 有滑 动 和 滑动 控 制程 度 实 现 用 自主抓 取 ， 自主 眭好 ， 不能精 确控 制 。本 文对 苹果 的 但是 两手指 末端 执行器 抓 取苹 果 进行 建 模 分析 ， 对抓 取 时遇 到 的问题及相 应 的施力 策 略进 行 研 究 ， 根 据建 模 和 分 并
（ ｏｅｅｏ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ Ｎ ｊ ｇＡ ｃｌ ｒｌ ｎｖｒｔ， ａｊ ｇ２０３ ，Ｃ ｉａ ＣＨ ｇ ｆ ｎｉ ｅｉ ， ａ ｉ ｕｔ ａ Ｕ ｉ ｓｙ Ｎ ｉ １０ １ ｈ ） ｎ ｓ ｒ ｃ ：Ａｉ ｎ ｔ ｈ ｔａ ｙｇ ａ ｂ ｎ ｆ ｈ ｎ ｍｉｇ ａ ｅｓｅ ｄ ｒ ｂ ｉ ｇｏ ｅ ｅ ｄ—ａ ｔａ ｏ ｆａ ｐ ｅ—ｐ ｃ ｉ ｇｒ ｂ ｔ ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｉａ ｄ ｌ ｆ ｐ ｌ ａ ｂ ｎ ｒ ｔ ｔ ｃｕ ｔｒｏ ｌ ｐ ｉｋ ｎ ｏ ， ｈ ｃ ａ ｃ ｍｏ ｅ ｐ ｅｇ ｉ ｇｆ ｏ ｎ ｌ ｏａ ｂ ｏ ｔ ｏ—ｆ ｇ ｒｅ ｄ—ａ ｔａ ｏｓｗａ ｓａ ｌ ｈ ｄ ｗ ｉ ｅ ｎ ｎ ｃｕ ｔ ｒ ｓ ｅ ｔ ｉ ｅ ．Ｂ ｅ ｎ ｔｅ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｄ ｅ ，ｔ ｅｏ ｔ ｌ ｏ ｔ ｌｍｅｈ ｉ ｃ ｅ ｅａ ｉｎ ｓ ｎ ｏ ｅ － ｂ ｓ ｓ ａ ｄ ｏ ｃ ａ ｉａ ｍｏ ｌ ｈ ｐ ｉ ｈ ｌ ｍａ ｃ ｎ ｒ ｔ ｏ ｗ ｔ ａ ｃ ｌｒ ｔ ｅ ｓ ｒｆ ｄ ｏ ｄ ｈ ｏ ｅ ｂ ｃ ｓ ｒ ｐ ｓ ｄ ａ ｄ ｏ ｅ ｋ ｎ ｆａ ａ ｔ ｅ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｃ ｎｒ ｌ ｒｂ ｓ ｄ ｏ Ｐ ｎ ｕ ａ ｅｗ ｒ ｄ Ｐ Ｄ ｃ ｎ ｒ ｌ ａ ｅ ｉｎ ｄ ａ ｋ Ｗａ ｐ ｏ ｏ ｅ ｎ ｉ ｄ ｏ ｄ ｐ ｉ ｐ ｉ ａｉ ｏ ｔ ｌ ａ ｅ ｎ Ｂ ｅ ｌ ｎ ｔ ｏ ｋ ａ Ｉ ｏ ｔｏ ｓ ｄ ｓ ｅ ． ｎ ｖ ｍｉ ｏ ｏｅ ｒ ｎ ｗ ｇ Ｋｅ ｒ ｓ Ｅ ｄ—ａ ｔ ａｏ ；Ｍｅ ｈ ｎｃ ｌｍｏ ｅ ；Ｃ ｎ ｒｌ ｒ ｄ ｐ ｉｅ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｎ ｃ ｕ ｔｒ ｃ ａ ｉ ａ ｄ ｌ ｏ ｔｏ ｅ ；Ａ ａ ｔ ｐ ｉ ａｉ ｖ ｍｉ ｏ
果蔬采摘机器人末端执行器的结构组成现状分析
果蔬采摘机器⼈末端执⾏器的结构组成现状分析采摘机机器末端执⾏器研究现状分析末端执⾏器是果蔬采摘机器⼈的另⼀重要部件，它的设计通常被认为是机器⼈的核⼼技术之⼀。
⼀般果蔬的外表⽐较脆弱，它的形状及⽣长状况通常复杂。
在机器⼈采摘过程中果蔬外表发⽣损伤的原因主要有：①果蔬位置识别或机械臂控制规划有误，导致末端执⾏器划伤或刺伤果蔬外表；②末端执⾏器夹持或抓取⼒过⼤，压伤果蔬外表；③末端执⾏器抓持不稳定导致果蔬掉落，与地⾯或其他坚硬物体接触⽽碰上外表。
作为采摘机器⼈的执⾏装置，末端执⾏器应根据不同果蔬果实的⽣物、机械特性及栽培⽅式，采取不同的专⽤机构以提⾼采摘的成功率并减⼩对果蔬的损伤为主要⽬标。
⼀般集成两项功能：①检测果实的位姿，为执⾏机构提供导航信息；②以适当⼒度夹持果实或果梗并剪切果柄，完成采摘动作。
在动作上通常包括获取果实和果实与植株分离两部分。
为了安全与⾼效的完成采摘动作，末端执⾏器还可能加⼊吸盘、推杆等附加机构以及各类传感器以完成准确采摘并减⼩损伤。
1.获取⽅式获取和分离果实是采摘机器⼈末端执⾏器必须实现的两⼤关键动作，即⾸先通过抓取、吸⼊、勾取等⼀定⽅式获取果实，再通过扭断、剪切等不同⽅法完成果实与果梗的分离。
从⽬前发表的⽂献来看，获取果实的⽅式主要归为⾮夹持类和夹持类两种。
分离果实与果梗的⽅式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪⼑或切⼑进⾏切断，还有新式的热切割⽅法等。
1.1.直接切断式这类末端执⾏器⼀般都是直接剪断果梗，由于其本⾝不能实现果实的回收，因此剪掉的果实直接落地或者落⼊事先放置的果箱中。
例如，⽇本开发的甜椒采摘机器⼈末端执⾏器、茄⼦采摘末端执⾏器、番茄采摘末端执⾏器、美国柑橘采摘末端执⾏器均为此类结构，如下图所⽰。
1甜椒采摘末端执⾏器2茄⼦采摘末端执⾏器3番茄采摘末端执⾏器这类末端执⾏器的结构更能较为简单，适⽤于植株冠层内枝叶较稀疏，且果实具有⼀定抗冲击能⼒的果蔬。
对于果梗较短的植株，往往造成⽆法剪切或碰上果实的现象，对于冠层空间⽐较复杂的植株，果实下落过程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影响果实的回收。
基于PLC的果蔬采摘机械手系统控制设计
基于PLC的果蔬采摘机械手系统控制设计
蒲维杰
【期刊名称】《南方农机》
【年(卷),期】2024(55)7
【摘要】【目的】随着人们对绿色安全果蔬需求量的增加以及果蔬种植面积的扩大,及时高效采摘成熟果蔬成为重要研究课题。
为实现对成熟果蔬的高效采摘,文章提出了一种基于PLC(可编程逻辑控制器)的果蔬采摘机械手系统。
这一系统的设计旨在通过技术手段提高果蔬采摘的效率和及时性。
【方法】所设计的系统以PLC 控制器为核心,利用程序命令控制机械手的移动、夹持、切割等操作。
系统的自动化设计能够完成果蔬的采摘和储存工作,同时提供自动和手动不同的操作功能。
为了确保系统高效运行,对果蔬采摘机械手进行了细致的调试和优化。
【结果】相对于传统人工采摘方式,基于PLC的果蔬采摘机械手在多方面具有显著优势。
该果蔬采摘机械手系统工作效率高,能够实现24 h不间断工作,及时采摘当季果蔬。
【结论】高效的工作模式能够为果蔬农户创造更大的经济效益,因此,智能机械手在现代果蔬采摘领域具有巨大的应用潜力和价值。
【总页数】4页(P66-69)
【作者】蒲维杰
【作者单位】临夏现代职业学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP241;S225
【相关文献】
1.果蔬采摘欠驱动灵巧机械手的设计
2.基于PLC控制系统的果蔬采摘机械手设计研究
3.一种多机械手编码控制系统的果蔬采摘机器人设计
4.基于PLC三轴伺服控制系统的果蔬采摘机械手设计
5.农业果蔬采摘机器人机械手设计
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电机电磁转矩： M e Kt i 基尔霍夫定律： di L Ri E um dt 反电势： EK
b m
（2）
注：m 为手指质量，kg；l 为夹持器长度，m；c 为转动刚度，N/rad；θt 为夹持器顶端的角位置，rad；θe 为碰撞时接触面的角位置，rad。 Note: m is finger weight, kg; l is the length of gripper, m; c is the stiffness of rotate, N/rad; θt is the angular position of the tip arm, rad; θe is the equilibrium angular position of the impact surface, rad.
B Ma t e t Ket Kee Ml
2 2 2
（12）
式中： M a ml ； K e ke l ； Be be l ； K e e 为一 恒定值，可看作系统扰动，去除该项，获得无扰动 系统，再对式（10）和式（12）拉式变换，可得： M l (s) c(l (s) t (s)) （13）
收稿日期：2013-06-17 修订日期：2014-03-28
控制精度依赖于对环境的精确了解。王学林等[11-12] 提出基于力外环的果蔬抓取控制策略，将控制算法 的力偏差转换为末端执行器的速度控制，但该控制 方法需要测量抓取时果蔬的瞬间变形量和瞬间变 形速度，在实际测量时具有一定的误差。近年来， 广义比例积分控制由于不需要对跟踪误差进行求 导计算，能够避免求导带来的延时和噪声问题，同 时，对系统模型不确定和参数变化具有较强的鲁棒 性，因而被引入到抓取力准确跟踪控制中[13-17]。 基于果蔬采摘机器人末端执行器柔顺抓取特 点和要求[18-24]，本文提出一种基于广义比例积分的 力矩控制方法。将末端执行器的动力学模型看作质 点模型，分别对直流电机和末端执行器建模，进而 得出末端执行器整体模型，在此基础上，使用力传 感器测出的负载压力作为反馈量[25]，利用积分重构 器设计广义比例积分力矩控制器，最后通过仿真和 末端执行器抓取试验，验证该控制方法的有效性。
lim
M l (s) c l (s)
（16）
1.3
末端执行器整体模型 从式（16）得出负载的角速度和角加速度： Ml ， M l ，代入式（8）中得： l l c c BM （17） Acu M
c l l 1
第9期
姬
伟等：果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制
M (t ) e M (0) Ac eu ( )d e
本文以安装在刚性机械手手臂顶端的两指末 端执行器为研究对象，末端执行器采用由直流电机 和减速齿轮组构成的舵机驱动的轻质灵活杆组成。 由于两指末端执行器的结构完全对称，因此只需分
20
农业工程学报
2014 年
析其中一只手指。 1.1 电机模型 直流电机的动力学特性方程如式（1）～（6） 所示[26-27]。 运动方程式： D M M J M （1）
1
末端执行器模型建立
基金项目：江苏省博士后基金资助项目（1102110C） ；东南大学复杂工 程系统测量与控制教育部重点实验室开放课题基金 （MCCSE2013A03） ； 江苏省高校优势学科建设工程资助项目（苏政办发〔2011〕6 号） 作者简介：姬 伟（1974－） ，男，四川绵阳人，副教授，博士，主要 从事农业机器人、智能控制研究。镇江 江苏大学电气学院，212013。 Email: jwhxb@
第 30 卷 2014 年
第9期 5月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.30 No.9 May 2014 19
果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制
姬 伟 1,3，罗大伟 1，李俊乐 1，杨 俊 2，赵德安 1,3
0
引
言
果蔬采摘机器人是通过果蔬和末端执行器的 手指之间作用力来实现果蔬的稳定夹持，但如果抓 取力太大，容易损伤果蔬。相反，如果抓取力太小， 则果蔬容易滑落。 因此， 在保证抓取稳定的前提下， 如何有效避免末端执行器对果蔬的损伤，实现柔顺 抓取，是末端执行器控制的研究重点[1-6]。力/位置 混合控制和阻抗控制是目前较为广泛使用的 2 种主 动柔顺控制方法[7-8]。Raibert 等[9]在 Mason 的基础 上提出了混合力/位置控制， 基本思想是当末端执行 器与环境发生接触，通过雅可比矩阵将笛卡儿空间 任意方向的力和位置分配到各个关节控制器上，这 种方法必须对环境约束精确建模，且计算复杂。 Hogan[10]提出阻抗控制，基本思想是调整机器人末 端刚度，使力和位置满足某种理想的动态关系。阻 抗控制是通过调整参考位置间接地实现力控制， 它的
c
式中：β0~β3 为控制增益。 将式（23）代入到式（24）中，得到闭环系统 的数学表达式（25），该表达式是以系统输出跟踪 误差 eM 作为自变量的微积分方程，eM 为指数稳定 的平衡点。
M 3e M 2 eM 1 eM ( )d e
0
t
0 eM ( 2 )d 2 d 1 1 0
t (s)(Ma s2 Be s Ke ) Ml (s)
c( s 2
（14）
由上两式得出负载力矩和电机角度之间的关系：
它表示电机的输入电压和电磁转矩之间的关 系。将式（7）代入式（1）中，整理后得到：
B Auc l l 0
（8）
其中：
ห้องสมุดไป่ตู้
Mn n ， A Kt K s ， B ( D K t K b ) ζ0 nRJ J RJ Jn 1.2 末端执行器模型 果蔬采摘机器人末端执行器材质为轻质连杆， 末端执行器由直流电机驱动且不受重力影响，假定 末端执行器的质量全部集中在顶端且将微小的形 变考虑在内。该碰撞模型被看作弹簧阻尼模型，如 图 1 所示。 M Coul
0 0
t 1
（25）
对式（25）进行 2 次时间微分，然后进行拉氏 变换，得出特征多项式：
p ( s ) s 4 3 s 3 2 s 2 1 s 0 0
（26）
1
因此，现在任务是选择合适的反馈控制器增益 来使上述 Hurwitz 多项式稳定。 M ， e M 为力矩跟踪 然而，控制器需要使用到 e 误差的时间导数，即力矩跟踪误差速度，但实际并 不希望计算测得的力矩跟踪误差的导数。因此，设 计一种积分重构器来避免力矩跟踪误差速度的计 算。对式（23）一次积分可得：
（1. 江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013；2. 东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室，南京 210096； 3. 机械工业设施农业测控技术与装备重点实验室，镇江 212013） 摘 要： 为了尽可能减小采摘机器人末端执行器在采摘过程中对果蔬的损伤， 提出了一种基于广义比例积分 （GPI, generalized proportional integral）的抓取力矩控制方法。首先，对由电机驱动的末端执行器建立模型，推导出电机 输入电压与负载力矩之间的数学关系；然后，利用积分重构器设计 GPI 力矩反馈控制器，将力偏差转化为电机的 输入电压控制。该方法不需要对力矩跟踪误差进行求导计算，避免了求导所带来的系统延时和噪声问题。仿真和 实物抓取试验结果表明，采用 GPI 的末端执行器力矩控制对跟定信号的跟踪误差达到 10-3 量级，具有良好的力矩 跟踪能力，与传统 PI（proportional integral）控制方法相比，其控制力矩和电机控制电压输出平稳，降低了末端执 行器抓取时对果蔬的损伤，无损采摘效率达到 90%，比 PI 控制的采摘完好率高出 8 个百分点，适合于对果蔬的柔 顺抓取控制。该研究可为果蔬采摘机器人无损采摘提供参考。 关键词：机器人；模型；控制系统；末端执行器；广义比例积分；柔顺控制 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.09.003 中图分类号：TP24; S126 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-09-0019-08 姬 伟，罗大伟，李俊乐，等. 果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制[J]. 农业工程学报，2014，30(9)： 19－26. Ji Wei, Luo Dawei, Li Junle, et al. Compliance grasp force control for end-effector of fruit-vegetable picking robot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(9): 19－26. (in Chinese with English abstract)
（11） t t e 式中：c=3EI/l，EI 为转动刚度系数；ke 和 be 分别为 环境刚度系数和环境阻尼系数；Δθt=θt−θe，由于 θe ， 和 分别为 为常数，所以， ，
t t t t
t t
角速度和角加速度。由此，可得出：
t e t e t l
M l c(l t )
（10）
u m K s uc
（6）
式中：J 为电机转动惯量，kg·m2；D 为电机黏滞摩 N·m； θm 擦阻力系数； Mcoul 为未知的库仑摩擦力矩， 为电机转动角度；θl 为负载转角，rad；Me 为电磁转 矩，N·m；Mn 为折算到电机端的负载转矩，N·m； Ml 为实际负载转矩，N·m；Kt 为电机的转矩常数； n 为齿轮减速比；E 为电机反电势，V；um 为电机 电枢电压，V；uc 为控制电压，V；i 为电枢电流， A；L 为电机电感，H；R 为电枢电阻，Ω；Kb 为电 机反电势常数；Ks 为功率放大系数。通常多数场合 L 小到可以忽略不计，因此，如果令 L=0，则由式 （1）～（6）可得到： K ) M e t (um nK b l R （7）