猕猴桃采摘机器人末端执行器设计与试验

　　摘要:进行了棚架式栽培模式自然生长条件下簇生猕猴桃无损采摘机器人末端执行器的研究。基于果实与果柄的分离特性，提出面向机器人的果实采摘方法和简化几何模型，进行了果实与果柄分离试验的可行性验证;基于果实采摘方法设计了从底部接近、旋转包络分离毗邻果实并抓取、向上运动分离果实的末端执行器，并试制样机，进行了现场评价试验。结果表明，采摘模型能够实现果实与果柄的分离，末端执行器解决了毗邻果实分离问题，能够实现单个果实稳定抓取、无损采摘和采后抓持，成功率达到96.0%，平均单果耗时22s。

　　关键词:猕猴桃采摘机器人无损采摘末端执行器

　　引言

　　中国是世界上猕猴桃种植面积最大的国家，但目前靠人工采摘，是猕猴桃种植中最费时费力的环节。因此，研究猕猴桃采摘机器人具有重要意义［1］。

　　1果实采摘方法

　　1.1果实采摘简化几何模型

　　猕猴桃成熟时，果柄与果实形成以维管束为主要组织结构的离层。维管束是一种管状空心纤维组织，能承受较强的拉应力，但不易承受剪切力。果实脱落的主要原因是果柄离层受剪切力作用，导致维管束被折断［16］。末端执行器在抓取果实后以其尺寸为半径旋转，使果柄与果实惯性轴成一定夹角，同时产生对果柄离层的剪切作用折断果柄。果柄与果实惯性轴的夹角越大，剪切效果越明显，果柄分离力越小。人工采摘猕猴桃时动作为:手指抓住果实后，以果实果柄连接处后为支点，在竖直平面内旋拧果实将果实果柄连接处折断［7］。利用人手的包容性和手指的多关节保证果实采摘后不掉落。但受目前技术水平的限制，末端执行器难以达到人手的灵活性。因此，末端执行器的设计既要实现果实与树枝的分离，又要保证果实分离后不掉落，且对果实的夹持力不能太大。此外，机器人采摘过程中，末端执行器有固定支点，可实现以末端执行器的尺寸为半径旋转。为此，提出如图1所示果实采摘简化几何模型。末端执行器将果实包住后，通过旋转向上运动，使果柄与果实惯性轴形成一定角度产生剪切力从而使果实与果柄分离，并利用末端执行器的包容性保证果实不掉落。因此，需研究果柄与果实惯性轴夹角及预设末端执行器的旋转角度。

　　1.2果柄分离试验

　　为了验证所提出的采摘方法的可行性，并研究果柄与果实惯性轴成一定角度分离果柄时所需要分离力的大小，设计了果柄分离试验。

　　2末端执行器设计

　　2.1总体结构与工作原理

　　猕猴桃栽培特点是果实底部空间大遮挡少，结合目标果实采摘信息，末端执行器从果实底部更易实现毗邻果实分离与无损采摘［17］。根据基础试验和简化几何模型，针对猕猴桃的簇生特点，设计了从果实底部接近、仿生手指旋转包络分离毗邻果实并抓取，向上旋转分离果柄的末端执行器。它有3个自由度，主要由接近机构、夹持机构、旋转采摘机构和控制系统组成［18］。其总体结构如图3所示

　　2.2执行机构设计

　　2.2.1接近机构设计

　　接近机构是末端执行器微调部分，由直线步进电动机I的丝杠螺母结构、机架I、滑块I和导杆构成。导杆通过滑块I与丝杠螺母结构的传动螺母联接，带动夹持机构和旋转采摘机构实现从底部接近果实。由于同簇果实高低分布不超过100mm，将接近机构的有效行程设计为150mm，即可实现同簇果实一次性采摘。电动机行程安全和复位原点通过安装在机架I上的2对霍尔传感器实现。

　　2.2.2夹持机构设计

　　由于自然生长条件下猕猴桃多簇生，为实现单个采摘，首先需要完成毗邻果实分离。猕猴桃果实近似椭圆形，相邻果实底部形成人字形毗邻间隙，利用此特点，手指可从果实底部旋转上升伸入毗邻间隙，逐渐包络分离毗邻果实，最后实现前后夹持、抓取。

　　3采摘试验

　　3.1试验材料与方法

　　采摘试验于2013年10月在西北农林科技大学眉县猕猴桃试验站进行。试验利用高度可调的三脚架代替机械臂固定末端执行器，通过激光辅助手动使末端执行器原点(2个红外传感器中心位置)与果实花萼(果实中心点)在同一垂直线上，然后由末端执行器自行完成接近、抓取、分离果柄和释放果实等动作。

　　3.2结果与分析

　　3.2.1果实采摘过程受力分析

　　图9所示为果实采摘过程的力学特性曲线。由图中可知，整个采摘过程可分为3个阶段:首先是抓持过程，随着手指的合拢压力逐渐增大。达到预设压力后，进入第2阶段即果柄折断过程，此时由于果柄先处于松弛阶段然后逐渐受拉力作用，因此压力在预设压力附近先波动后增大，这与简化几何模型中果柄的运动过程一致。果柄分离瞬间果蒂达到了所能承受的最大剪切力果柄与果实分离，进入后抓持过程，即第3阶段，后抓持过程压力在预定压力附近较小范围波动说明压力传感器工作正常。很明显，曲线的变化过程与实际理论相符。果柄在分离瞬间，曲线出现明显波动，据此选择适当阈值，判断果柄与果实分离，实现智能化控制。

　　3.2.2采摘效果

　　图10所示为果实样本的采摘效果。图10a为从果实底部拍摄的目标样本，果实簇生，相邻之间有毗邻间隙。末端执行器利用此毗邻间隙成功实现了毗邻果实的分离，毗邻果实分离成功率100%。图10b中果柄脱落干净，果蒂部分可明显看到构成果柄离层的维管束组织，其组织如前所述呈束状分布在果柄周围。

　　4结论

　　(1)提出了一种面向机器人的自然生长条件下簇生猕猴桃果实的无损采摘方法，经试验验证该方法具有可行性。

　　(2)设计了一种从果实底部接近、旋转包络分离毗邻果实并抓取的末端执行器，采用末端执行器向上旋转方式分离果柄，有效解决了毗邻果实分离和无损采摘的问题。

　　(3)通过现场评价试验，该末端执行器对毗邻果实的分离成功率100%，采摘成功率在96.0%以上，单果平均耗时22s。

　　(4)果实带果柄原因是果实存在成熟度的差异，未成熟果实所需果柄分离力较大，末端执行器与果实惯性轴夹角较大时不利于果柄离层折断。下一步将结合机器视觉和机械臂进行系统试验。

　　参考文献

　　1崔永杰，苏帅，王霞霞，等．基于机器视觉的自然环境中猕猴桃识别与特征提取［J］．农业机械学报，2013，44(5):247－252．CuiYongjie，SuShuai，WangXiaxia，etal．Ｒecognitionandfeatureextractionofkiwifruitinnaturalenvironmentbasedonmachinevision［J］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2013，44(5):247－252．(inChinese)

　　2李秦川，胡挺，武传宇，等．果蔬采摘机器人末端执行器研究综述［J］．农业机械学报，2008，39(3):175－179．LiQinchuan，HuTing，WuChuanyu，etal．Ｒeviewofend-effectorsinfruitandvegetableharvestingrobot［J］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2008，39(3):175－179．(inChinese)

　　傅隆生1张发年1，2槐岛芳德3李桢1王滨1崔永杰1

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