猕猴桃采摘机械手末端执行机构的设计

　　摘要：设计一种针对早期猕猴桃果实较硬时采摘的末端执行机构，分析猕猴桃采摘机械手末端执行机构在运动、抓取、采摘等方面的性能和技术指标。猕猴桃在采摘时被纸袋包裹，在保证夹取果实而不被压坏的最小压力下减少果实的磨损，该机械采摘末端执行机构采用旋转加拉扯共同作用，可实现猕猴桃采摘的彻底性。

　　关键词：猕猴桃;机械手;末端执行机构;设计

　　随着科技的发展，机械采摘方面也在不断发展，水果采摘机械手也在广泛使用中，不同呆蔬的生长特点和采摘要求不同，采摘的方式也不同，在末端执行机构上也存在差异[1。1。现阶段猕猴桃多采用棚架式结构栽培，生长环境标准，果实垂直于藤蔓上面，底部空间较大，不受枝干、树叶、果实等干扰，有利于采摘动作的实施卧_5]。采摘末端执行器从果实两侧抓取，左右翻转实现果柄分离，但是并没有利用好下方空间，也没有考虑对相邻果实的影响;刘继展等嘲对番茄果柄折断特性进行了研究，为果实采摘提供了依据;凌行方L73研究的“一种果品采摘机械手”采用钳刀剪切进行果实摘取，但存在实际操作困难，刀片容易损伤果实表皮的问题。

　　从目前对猕猴桃采摘机器人的研究来看，果柄分离装置主要有2种：①采用切断方式，即利用切刀将猕猴桃果柄直接切断，这种方式需要对切断点进行精准的定位，同时机械手腕还需要有足够灵活的自由度进行调节，该方法能够提高采摘的效率，但采摘风险大，控制不精准;②利用机械手的连杆机构控制机械手旋转，通过扭力实现果柄分离，避免了剪切时错位对果实的影响，机械式结构控制简单。为了实现猕猴桃在采摘过程中减小果实损伤，以及提高抓取的稳定性，本研究设计的猕猴桃采摘机械手末端执行机构是一种能够适应猕猴桃生长环境、枝条结构进行抓取和采摘的末端执行机构。机械采摘末端执行机构充分利用棚架底部的富余空间，采用钳式组合、四指抓取，在机械手指表面贴附有压力传感器，从下方接近果实，四指包络抓取果实中部。通过末端执行机构旋转，使猕猴桃果实与果柄快速分离。

　　1猕猴桃采摘机械手末端执行机构的设计方案

　　1.1设计要求

　　本装置针对猕猴桃进行采摘，普通果实的大小一般为长6cm，宽3cm[8]，在采摘过程中，针对果实规格的差异，要保证有足够大的力夹紧果实以及在抓取过程中不至于从旁边漏出，要求机械手指同步运动，采用四指抓取;在果柄分离时需要保证抓取的力不能太小，保证在旋转过程中果实不随手指相对滑动，同时夹取力不能过大而损伤果实，采用上下抓取方式，结果表明果实近似球形，球度为o.84，果实损伤压力不宜大于15N(对应弧形压头的压强为18.75kPa)，果实采摘过程中最大压力6.35N，对应压强为12.53kPa，才能保证猕猴桃果实的无损采摘[911…。另外，采摘机械手末端执行机构还需满足结构简单、体积小巧、操作方便等要求n1_”]。

　　1.2末端执行机构总体结构设计

　　设计的猕猴桃采摘机械手末端执行机构由夹持装置、自由伸缩装置、旋转装置、传感器及控制装置和驱动电机等组成。猕猴桃机械采摘末端执行机构的夹持装置设计需要有效地夹住猕猴桃的外围，并尽量保证受力均匀且不至于滑落。夹取装置的运动主要通过丝杠电机提供动力，其前端的工作手指分别安装在由2根杆件铰接与固定的四角装置上，电机的转动实现耳片的上下运动，实现手指的张开与收紧。四角装置的直径为60mm，抓取手指带有一定的弧度，能更好地与猕猴桃外表面贴合，同时手指的内侧贴有压力传感器，当压力达到预设值时电机停止工作，以防止抓取压力过大压伤果实。

　　针对以上2种猕猴桃采摘果柄分离方式存在的弊端，在原有的通过机械手旋转，利用扭力实现果柄分离的基础上进行改进。果柄分离装置是将驱动手指的电机嵌入一壳体中，与此构成一个整体，再通过伺服电机带动壳体旋转，从而带动夹持装置整体旋转，实现猕猴桃果实与果柄相对转动，使果柄分离。其次，末端执行机构变的较细长，整体结构的最大宽度为9.75cm，更好地适应了猕猴桃果实生长密集特性下的采摘。

　　1.3猕猴桃采摘机械手末端执行机构工作原理

　　猕猴桃采摘机械手末端执行机构采摘流程。工作时，通过采摘手末端的图像识别技术确定猕猴桃果实所在位置，丝杠电机7通过旋转使连接件6做上下运动，从而驱动采摘手指l的张开，接触猕猴桃果实后丝杠电机开始反向旋转，手指开始夹紧果实。为了实现猕猴桃果实采摘过程中减少磨损，在4个手指的内表面贴附贴片式压力传感器，控制夹持装置夹取猕猴桃时的压力，避免猕猴桃在采摘过程中对其外表及内部结构造成刮伤和夹伤，当夹取压力达到设定的压力值时电机停止运转，不再继续夹紧果实。此时旋转电机8开始运转，电机7安装在电机壳3中，旋转电机带动整个夹持装置做旋转运动，电机8旋转一定角度后果柄已基本分离，再由机械臂向下拉扯，从而实现采摘的彻底性。

　　2猕猴桃采摘机械手末端执行机构的运动分析

　　2.1末端执行机构运动的理论分析

　　猕猴桃采摘机械手末端执行机构四指的运动依靠丝杠电机转动带动连接件6上下运动，从而实现四指的运动，机械手指中的各杆件绕着各铰接点做不完整圆周运动。末端执行机构手指内表面贴附压力传感器，保证抓取时有足够的抓取力，在抓取和扭转时不至于产生滑动摩擦，而且压力小于果实破坏时最小压力，若没有这个条件将很难保证猕猴桃果实采摘时的精度。

　　3猕猴桃采摘机械手末端执行机构末端执

　　行机械的受力分析普通猕猴桃的单果质量在80～100g，手指的加载力为7N，对果实进行抓取受力模拟仿真分析。猕猴桃果实表面所受到的最大压力小于不受损时的压力12.53kPa，四指抓取满足无损采摘的要求。

　　4结论

　　本研究设计的～种针对猕猴桃采摘的末端执行机构采用四指抓取减少了夹取过程中果实侧漏、滑落的情况，通过在机械手指的内表面贴附压力传感器，减少了果实在采摘过程中的磨损。对机械结构的简化，降低了控制模块的复杂性，使制作成本也大幅度降低。采用旋转加拉扯共同作用，旋转使得果柄与果实的连接处出现扭转变形而松动，加之向下拉扯力的作用使果柄与果实分离，从而有效地实现了猕猴桃采摘的彻底性，也为其他水果的机械采摘提供了参考依据。本设计仍存在一些不足之处，由于猕猴桃为藤蔓植物，在设计时没有考虑到果实在采摘时的柔性变形，如果从农艺方面人手，改变枝条在棚架上的状态，可以很好地解决这个问题。

　　参考文献

　　[1]张俊雄，何芬.设施农业采摘机器人研究进展口].当代农机，2016(1)：22—24.

　　[2]高号，王虎，陈军.猕猴桃采摘机器人的研究与设计1,J1.农机化研究，2013(2)：73—76.

　　[3]胡志勇，张学炜，张伟，等.西瓜采摘末端执行器夹持力精确控制[J].农业工程学报，2014，30(17)：43—49.

　　[4]张云贤.猕猴桃T形小棚架栽培技术[J].农技服务，2016，33(2)：205，216.

　　[5]陈军，王虎，蒋浩然，等.猕猴桃采摘机器人末端执行器设计口].农业机械学报，2012，43(10)：151—154，199.

　　农艺师论文投稿刊物：《当代农机》扎根农村，面向农业，立足农机，服务农民，以介绍农机法规、培训技术人才、传递科技信息、交流致富经验为宗旨，以广大的拖拉机和农用运输车驾驶员、农机具操作手、农业机械生产经营企业和基层农机工作者为最佳读者群，以围绕农机管理、经营、使用提供信息、传授技术、交流经验、普及知识为主要内容。

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