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1、 一体式蔬菜钵苗取苗爪夹持力检测传感器设计与试验 金 鑫 索宏斌 张恒毅 姬江涛,3 张 博 林 诚(1.河南科技大学农业装备工程学院, 洛阳 471003; 2.龙门实验室成套装备科技创新中心, 洛阳 471003;3.河南省机械装备先进制造协同创新中心, 洛阳 471003)0 引言钵苗夹持力是指移栽机作业过程中取苗爪对穴盘苗钵体基质的作用力,是决定钵体破损率与取苗成功率的关键因素1。现有的移栽取苗机构多采用纯机械夹紧方式,缺少对取苗夹持力的感知与检测2。移栽过程中受穴盘苗品种、生长状况以及移栽机稳定性等因素影响,容易导致钵苗夹持力发生改变,出现穴盘苗钵体破损、散坨、漏栽等问题3-5。同时
2、,传感器结构与安装方式易造成夹持力变化,影响取苗爪正常取投动作与传感器自身精度及使用寿命6-8。因此,开展传感器检测与取苗爪作业互适性研究,在实现夹持力检测不干涉取苗爪正常工作的同时,可为后续移栽机末端执行器反馈控制研究提供技术支撑,对全自动蔬菜钵苗移栽机智能升级与低损高效作业具有重要意义。为提高钵苗移栽质量,国内外相关人员做了大量有益探索与研究,相继出现了一些夹持力检测方法与装置。TING等9采用电容式位移传感器检测夹持机构对钵苗施加的夹持力,但检测精度低、灵敏度差;COTTON等10将压电陶瓷作为敏感元件,通过计算传感器与接触物体间的摩擦因数,检测并调节执行机构施加果蔬上的夹持力。周俊等1
3、1用压敏电阻作为敏感材料制作了一种灵敏的触觉传感器,用于感知果蔬抓取过程中的力。崔玉国等12提出用电阻应变片来检测钳指的夹持力,采用柔性杠杆放大机构,实现了微小夹持力的测量。JIANG等13将拉力与压力传感器集成在四针夹爪取苗末端执行器上,测定并分析了穴盘与末端执行器对钵体基质的粘附力与夹持力。王俊等14利用压电效应将夹持力转化为电荷量,通过将PVDF压电薄膜粘贴在右取苗爪内侧表面的方式,实现了取苗爪对苗钵夹持力的实时监测。刘双斌等15对绝缘硅橡胶填充纳米导电填料制备出压敏硅橡胶,实现压力数值与范围的检测。LI等16基于线性霍尔元件研制了一种夹茎秆式末端执行器,通过与取苗爪连接的弹性致动片产生
4、类悬臂梁弯曲转化为霍尔传感器的电压变化,实现对夹持力的检测。在已有相关文献中,对夹持力检测多集中于果蔬采摘领域,其末端执行器作业速度慢,传感器安装空间大,作业对象相对穴盘苗较大。针对蔬菜钵苗移栽机夹持力检测,多通过机构设计与优化并配套检测装置实现夹持力检测,少有对夹持力检测传感器与取苗爪作业过程的互适性研究。基于上述研究,针对取苗爪体积小,夹持力检测传感器结构与安装方式干涉取苗爪正常取投动作等问题,本文以PDMS薄膜为介电层,设计一种内置式钵苗夹持力检测传感器,并采用嵌入方式与取苗爪一体化封装,通过传感器性能标定试验与室内取苗试验,验证夹持力传感器的稳定性与适应性。1 取苗爪结构设计1.1 研
5、究对象本文以入钵夹取式全自动蔬菜钵苗移栽机取苗爪为研究对象,以取苗爪正常完成取投动作的同时实现夹持力检测为目标,对移栽机取苗爪作业过程进行分析。取苗移栽机部件及取苗爪如图1所示。取苗过程为:穴盘运动到取苗爪夹取位置后,固定在凸轮上的取苗机构带动取苗爪运动,取苗爪由初始竖直状态变为前伸状态,插入穴孔并夹紧穴盘苗钵体基质,之后随轮系旋转将钵苗带出并投放至鸭嘴漏斗,取苗爪由前伸状态变为竖直状态,准备下一次夹取动作,如此循环,完成取投苗作业。图1 取苗移栽机部件示意图1.2 钵苗夹持力受力分析分析取苗爪夹持钵体基质受力情况,可为传感器安装位置提供参考。不考虑钵体的蠕变及不均匀性,取苗过程中钵体基质受力
6、状况如图2所示。其中Fj1、Fj2为取苗爪对钵体基质的夹持力,Ff1、Ff2为取苗爪对钵体基质的摩擦力,Ff3、Ff4为钵穴与钵体基质间的摩擦力,FN1、FN2为钵体基质与钵穴间切向粘附力,FN3为钵体基质与钵穴间法向粘附力,G为钵体基质自身重力,为夹持角度。为简化计算,将钵体基质在竖直向下的合力定义为FH,则FH满足图2 取苗过程钵体受力分析FH=(Ff3+Ff4+FN1+FN2)cos+FN3+G(1)由于取苗爪径向尺寸较小且外表比较光滑,对钵体基质的内聚力影响较小,忽略取苗过程中取苗爪对钵体基质损失率的影响。为保证取苗成功,钵体基质在竖直方向上的合力必须满足(2)Fj表示不同位置钵体基质
7、对取苗爪的作用力,方向与接触面垂直,计算式为Fj=jA(3)式中j取苗爪不同位置处抗压强度,kPaA钵体基质的夹持受力面积,mm2在计算中,一般将取苗爪对钵体基质的夹持力简化为Fj1、Fj2,在取苗爪夹紧过程中,钵体基质的压缩量随着取苗爪插入深度的增加而增大,相应的取苗爪测力区域与钵体基质不同接触位置夹持力也不同,传感器无法准确输出所需的夹持力。为此,提出一种内置式电容夹持力检测传感器,采用嵌入方式与取苗爪一体化封装,通过表面保护层盖板,将取苗爪测力区域受力平均分散在整个盖板上,使接触区域下压距离相同,传感器输出准确一致的夹持力,有效解决了因取苗爪测力区域不同位置夹持力不一致导致传感器无法输出
8、有效值的问题。1.3 取苗过程耦合仿真针对夹持力受力分析的局限性,为使夹持力检测更加精准,对取苗过程进行柔性体-离散元耦合仿真,利用SolidWorks对取苗爪、穴盘进行建模,将取苗爪导入ANSYS LS-PrePost中进行网格划分,通过EDEM对钵体基质建模,通过LS-Dyna软件对取苗过程进行柔性体-离散元耦合仿真,进而得到取苗爪与钵体基质受力云图,仿真材料参数如表1所示。表1 EDEM离散元仿真材料参数其中,钵体基质建模过程中,由于钵体基质颗粒模型均为球形且半径相差小,为方便模拟并减少计算量,统一将基质颗粒尺寸半径定为0.5 mm,根据128穴盘尺寸设置相应的Total Mass,由F
9、actory生成基质颗粒并在重力作用下落入穴孔中,设置颗粒间接触模型为EEPA模型,之后对模型额外施加压板压缩颗粒使基质颗粒间生成连接键,最终得到钵体颗粒模型。钵体夹取仿真模型如图3所示。图3 钵苗夹取仿真模型仿真模拟取苗爪插入基质及将基质整体带出两个主要过程。如图4所示,通过求解得到插入过程与提取过程中取苗爪与钵体基质的受力云图。图4 插取过程取苗爪与钵体基质仿真应力云图由仿真模拟取苗爪插入基质并将基质整体带出两个主要过程可知,夹取过程中取苗针与钵体基质接触部分最大受力区域为距尖端1015 mm以上的长形区域,该区域是嵌入传感器的最佳位置。1.4 取苗爪结构参数设计根据取苗爪与钵体基质间受力
10、分析以及取苗过程夹持力仿真模型分析,设计在取苗爪距离入土尖端15 mm处开槽,开槽部分尺寸为6 mm26 mm,深1.5 mm。根据栽植要求,取苗过程中取苗爪插入钵体基质的深度为3540 mm,因此,本设计可保证取苗爪插入钵体基质时,传感器与钵体基质完全接触。此外,取苗爪预留布线槽,布线槽深度0.2 mm,以便引出传感器导线,待布线完成后,使用环氧树脂胶将导线槽封闭。嵌入传感器式取苗爪三维结构和实物如图5所示。图5 嵌入传感器式取苗爪三维结构与实物图2 传感器原理设计2.1 传感器测量原理电容感知是机器触觉感知中最常用的原理之一,电容式传感器具有高灵敏度和高分辨率的特点,能够在机器振动、极端温
11、湿度等较为恶劣的环境中保持良好的工作性能17-19。现针对钵苗夹持力检测提出一种内置式电容传感器,利用其优良性能获取钵苗夹持力。电容式触觉传感器最常见的结构形式是3层结构,主要由上下极板和介电层组成,结构示意图如图6所示。图6 受压后电容传感器结构示意图电容传感器的基本工作原理是基于被测物理量的变化可以转换为电容变化的这一特点。两极板间的距离发生微小变化时,将引起电容变化,通过对电容变化的转换来测量施加在传感器上的压力。平行板电容器的电容为(4)式中0真空介电常数,F/mr介电层相对介电常数,F/mA两极板间重叠面积,mm2d两极板间距,m由式(4)可知,传感器电容变化主要由上下极板间重叠面积
12、A与两极板间距d引起,由于本研究传感器采用嵌入式安装方式,极板间重叠面积始终保持不变,电容的变化主要通过外界施加压力使传感器极板间间距改变来实现。2.2 传感器结构与封装大量研究表明,对介电层进行微结构化处理是提高柔性压力传感器灵敏度等性能指标的有效方法之一20。不同的微观结构和相对介电常数的介电层,对传感器的灵敏度和响应时间有很大的影响21-23。对此,本研究选用具有较小杨氏模量与较大介电常数的PDMS材料,可降低传感器因初始电容小易受外界干扰的影响,传感器对外表现高灵敏度与小量程特性,适用于本研究对夹持力的测量。介电层设计PDMS圆台阵列结构,底部直径100 m,顶部直径30 m,高度45
13、 m,相邻圆台间隙100 m,介电层整体尺寸为5 mm25 mm。传感器介电层结构示意图如图7所示。图7 传感器介电层结构示意图传感器由上下电极板与极板间介电层构成。上下电极板分别固定在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜上,通过垂直排列在传感器中形成电容器,电极板尺寸为5 mm20 mm,介电层采用圆台式结构阵列的PDMS薄膜,取苗过程中,当取苗爪对钵体基质施加夹持力时,PDMS介电层被压缩,两电极板之间的间距减小,电容增加。当钵苗夹持力发生变化时,PDMS介电层被压缩的程度也随之改变。撤去钵苗夹持力时,PDMS介电层由于其良好的弹性恢复形变。传感器微结构如图8所示。图8 传感器结构示意图
14、为实现取苗夹持力的检测,将传感器嵌入取苗爪开槽中,取苗爪与传感器一体化封装如图9所示,包括嵌入传感器式取苗爪、内置式电容传感器、镍铬合金保护层盖板等。其中,传感器尺寸为5 mm25 mm,封装时对取苗爪开槽部分表面进行打磨,降低表面粗糙度对传感器精度的影响,传感器通过KH502胶水粘接在取苗爪内。为降低高温对传感器性能影响,采用冷焊工艺对保护层盖板与取苗爪进行焊接,最后采用环氧树脂胶对引出线部分进行密封处理,以提高整体的防尘、防水性能。图9 传感器与取苗爪一体化封装3 夹持力传感器信号检测系统设计3.1 信号采集硬件电路设计由于表面保护层盖板及封装填充材料的影响,传感器在外力作用下输出信号较弱
15、,取苗爪作业时受机械振动、噪声信号干扰明显。为提高信噪比,设计了信号调理电路对传感器输出信号进行放大调理,信号调理电路主要包括频率电压转换模块、一级电压放大模块、二阶低通滤波模块、二级电压放大模块。同时,为降低因过多电阻、电容等传统元件搭建的信号调理电路带来的稳定性差、固有噪声多的问题,本电路采用功能型集成芯片与传统元件相结合的方式进行设计,主要包括AD8052、INA826、OP07CD及若干电阻、电容、二极管等。信号采集处理电路流程如图10所示。图10 信号采集处理电路流程图其中,频率电压转换模块主要由差动脉宽调制电路与一阶低通滤波电路组成。其中,基于运算放大器AD8052设计差动脉宽调制电路,主要作用是将电容传感器电容量变化转换为脉宽信号输出。一阶低通滤波电路主要由电阻与电容组成,将脉宽信号输入转换为直流电压信号输出;基于仪表放大器INA826设计了电压放大模块,通过共模抑制,消除了两个输入上具有相同电位的任何信号,实现对输入的直流电压信号放大,同时,将电容的高阻抗输入转换为低阻抗输出;通过电阻、电容搭建二阶低通滤波电路模块,实现对移栽机作业所产生高频噪声信号的滤除;为解决电路零飘与放大倍数过高导致输出信号失真的问题,基于OP07CD搭建了二级电压放大模块,在电路未接入传感器时,将逐级放大的无效信号调零,通过设置截止频率,控制放大倍数,完成对输出信号的优
