草莓采摘机器人机械结构设计

草莓米摘机器人机械结构设计摘要随着草莓种植的推广。国内草莓种植面积迅猛增加，收获劳动力不足。严重制约草莓 种植的发展，因此有必要进行智能草莓采摘机器人研究，来替代人来完成该项费时、费力 的采摘工作。草莓采摘机器人要求能自动检测成熟草莓的位置信息，然后根据这些信息控 制机器人的执行机构动作，实现草莓采摘的自动化。本文首先综合叙述了草莓生产现状以及草莓采摘机器人国内外研究状况，再根据国内 北方地垄式草莓种植的情况，设计出草莓采摘机器人机械本体，提出一种五自由度关节型 草莓采摘机械手臂，五个自由度分别为：腰转、肩转、肘转、腕转和腕摆，并开发了一种 末端执行器的结构形式，该末端执行器主要由伺服电机、曲柄滑块机构、动夹、镍铬电热 丝组成，不以草莓果实作为抓取目标，而是夹切草莓果柄，不伤害果实，同时采用镍铬电 热丝切割果柄可以防止切口感染细菌而腐烂，影响果实品质。与此同时，还在solidworks中构建了草莓采摘机器人、末端执行器的三维模型，还生成了相关重要部件的工程图，便 于后期的使用。关键字：草莓采摘机器人，机械本体，五自由度草莓采摘机械手臂，末端执行器Strawberry picking robot mechanical structure designAbstract:With the popularizati on of the strawberry. The strawberry pla nti ng area in creased rapidly, the harvest labor shortage. Developme nt is restricted by the strawberry, it is n ecessary to carry out in tellige nt strawberry harvest ing robot, in stead of people to complete the time-c onsuming, laborious harvesting. Strawberry picking robot position information requirements can automatically detect ripe strawberry, then according to these information to control the robot actuator, realize the automati on of picki ng strawberry.This paper describes comprehe nsively the research status at home and abroad as well as the robot strawberry producti on status of strawberry pick ing, the n accordi ng to the North ridge type strawberry planting conditions, calculate and design the appropriate size of the strawberry picking vehicle body, put forward a kind of five degrees of freedom articulated strawberry pick ing man ipulator, and the developme nt of the structure of an end effector. At the same time, the author con structs a 3D model, strawberry picki ng robot end effector in SolidWorks, also gen erated the end effector and the mecha ni cal arm of the engin eeri ng draw ing, convenient for later view ing and process ing.Key words: Strawberry pick ing robots; Mecha ni cal body;Five degree of freedommani pulator; The end effector1绪论11.1弓I言11.2工作环境和作业要求11.3草莓采摘机器人国内外发展状况 21.3.1国外研究现状21.3.2国内研究现状21.4研究的目标和内容31.4.1研究目标31.4.2研究内容32草莓采摘机器人机械本体设计 33草莓采摘机器人五自由度机械手臂设计 43.1采摘机器人机构选型原贝U 43.2机械臂的设计53.2.1设计要求53.2.2机械手臂的选择63.3机械手手腕的设计63.3.1手腕设计的基本要求 73.3.2草莓采摘机械手手腕的结构型设计 73.4机械手的结构型式73.5机械手运动学方程的建立83.5.1正运动学模型83.5.2逆运动学模型 104草莓采摘机器人末端执行器设计134.1末端执行器介绍 134.2末端执行器的分类 134.2.1两个手爪的末端执行器 134.2.2两个以上手爪的末端执行器 144.3夹持式末端执行器的选型144.3.1夹持式末端执行选择的基本要求 144.4末端执行器的结构型式和工作原理 144.4.1整体结构144.4.2工作原理154.5主要部件设计164.5.1传动部分设计 164.5.2抓取和切断机构设计 175结论与建议175.1结论175.2工作展望和建议17参考文献18致谢19草莓采摘机器人机械结构设计草莓米摘机器人机械结构设计1绪论1.1引言草莓在世界绝大多数地区都有种植，因其甜美的味道及丰富的营养价值，颇获大家喜 欢。其中我国草莓种植面积达10万公顷。然而为了保证草莓的外观品质和营养价值，必 须在收获季节每天早晚时刻挑选并采摘草莓果实。其劳动强度之大，成本之高，约占草莓 种植生产成本的四分之一。因此减轻劳动强度，降低生产成本，成了草莓收获的重中之重。 日本率先研制出以高架栽培为种植模式的草莓采摘机器人：1，Kondo等人于2010年研制的草莓采摘机器人单循环作业用时11.5s,采摘成功率约41.3%。国内徐丽明、张铁中等人 针对垄作式草莓种植的自动化采摘设备进行了研究 2。不过上述自动化采摘设备在机械手 爪定位精度，采摘作业效率，果实无损采摘等方面距离实际需要还有一定不足。本文针对地垄栽培模式下草莓的生长方式，对草莓收获机器人的主要组成单元一一采摘机器人机械本体、机械手臂和机末端执行器进行研究并设计模型，达到对一定范围内成 熟草莓进行无损伤采摘。1.2工作环境和作业要求我国大多数草莓种植是垄作栽培模式，地垄截面成等腰梯形，垄顶宽400 mm,垄底宽600 mm，高250 mm。草莓植株生长于垄顶部，果实长出后伏在垄侧面，成熟草莓果 实上方一段果柄与垄侧壁有1020 mm间隙，相邻两垄间为宽度约 500 mm的垄沟（图 1-1）。本文要求在现有农艺条件下，设计出合适尺寸的车身模型，设计出可以达到垄面一定 范围的机械手，以及可以高效且少伤果实的末端执行器。(a)(b)（a）草莓田实景 （b）地垄截面1垄沟2地垄3果柄4草莓果实5垄侧面图1-1垄作栽培模式下的草莓田间环境1.3草莓采摘机器人国内外发展状况1.3.1国外研究现状国外自动化采摘设备发展十分迅速。自从1983年在美国诞生了第一台西红柿采摘机器 人，采摘机器人的开发和研究已经有二十多年的历史，期间摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜 和葡萄等机器人相继在日本和欧美等多家研制成功。对于草莓采摘机器人的研究，目前处于初级阶段。1）日本Kondo等人针对草莓的不同栽培模式（高架栽培模式和传统栽培模式）研制 出了相应得采摘机器人4。高架栽培模式由于适合机器人作业被越来越多地采用，该机器 人采用5自由度采摘机械手，视觉系统与西红柿采摘机器人类似，机械手采用真空系统和 切割器组成。收货时，由视觉系统计算采摘目标的空间位置，接着采摘机械手移动到预定 位置，机械手向下移动直到把草莓吸入；由光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适位 置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，由切割器旋转切断果梗，完成采摘。2） 日本宫崎大学研制设计了高地隙跨垄作业 4自由度的草莓收获机器人。该机器人 采用两个CCD照相机获取草莓的图像，计算出草莓的中心方向，用激光传感器测量手爪到 草莓的距离，通过采用两个直的手指来抓取草莓果柄，避免了对果实的伤害。采用切刀切断果柄。1.3.2国内研究现状1）草莓选果机。栃木县农业试验场开发了非常实用的草莓选果机。该设备可根据 每一个草莓的含糖量和果实大小进行选择，并可以把选好的草莓装入塑料袋内，整个过程是全自动作业，每小时可分选草莓5300多公斤。南京农业大学运用双目立体视觉技术，对 图像的二维直方图进行腐蚀、膨胀、去除小团块，用拟合曲线实现彩色图像的分割，既而 分离果实，并将二维图像恢复成三维坐标，实现了果实定位。2）浙江大学梁喜凤等人对采摘机器人的机械手做了一定的研究，提出了评价采摘机 械手工作性能的性能指标；工作空间、可操作度、避障能力、冗余空间与姿态多样性。3）中国农业大学应用草莓图像的彩色模型中的特定通道信息，对成熟草莓进行了识 别，并初步建立了桥架式直角坐标机器人，还在水果采摘机器人三维视觉系统的过程中， 提出了一种基于果实表面颜色色彩空间参照表的果实目标识别新方法，使计算机系统适用 多种果实8。目前，草莓采摘机器人的智能水平还很有限， 不管是国内还是国外的草莓采摘机器人, 离商品化和实用化还有一定的差距。差距如下：1）没有设计出合理的末端执行器，抓取过程中容易损伤草莓的果皮；2）没有设计出理想的机械手，很难达到有效的采摘范围；3）采摘效率不高，误差大。1.4研究的目标和内容1.4.1研究目标目前研制草莓采摘机器人用于国内棚载草莓的收获，使其具有使用价值，需要在以下 两个方面进行努力：1）研究结构合理，柔韧度高，不伤果皮的末端执行器；2）研究结构简单，覆盖范围广的机械手臂；3）制定出高效的采摘方案，使采摘效率要高于人工采摘效率。针对以上三点，本文将选择产量高、规模大的北方温室大棚垄作栽培的草莓为研究对 象，对草莓采摘机器人进行设计和研究。1.4.2研究内容本文对草莓采摘机器人的设计和研究包括以下几个方面:1）机械本体设计；2）五自由度机械手臂设计；3）末端执行器设计。2草莓米摘机器人机械本体设计根据上述工作环境和作业要求，草莓栽培温室具有温度高、沟垄窄而面不平整、垄面 低矮等特点，标准温室沟垄略宽且平整，垄面也略高一些。基于这些特点，草莓采摘机器 人要求做到以下几点：1）温室大棚中农民行走的路面较窄，若采用气动或液动作为动力源，气泵或液压缸个 体较大，不宜搬移；同时气动、液压成本高，不符合我国农业生产现状。因此，使用电动 装置成为最佳选择。2）为了提高生产效率，温室的草莓种植情况，如垄面宽、垄沟宽、沟深并非采取标准 尺寸，且可能比标准尺寸更小；同时沟面不平整。因此，在沟面不平整的温室中采用跨垄 式或者悬挂式移动机构，而在比较标准的温室中可以采用四轮驱动行走机构。本设计采用跨垄四轮行走机构，其实物如图 2-1所示。本体设计以步进电机作为动力 装置，根据驱动器发出的脉冲信号驱动机器人沿沟垄前进。在机身的上方是五自由度机械 手臂，用伺服电机作为动力源，根据驱动器发出的脉冲信号，使机械手臂达到指定位置。 同时在机械手下方安装一个小框，用于放置草莓果实，在设定好的时间内装满后，由工作 人员更换小框。整个执行机构都安装在小车上，可以进行固定距离的移动。图2-1草莓采摘机器人三维模型3草莓采摘机器人五自由度机械臂设计采摘机器人既要遵循工业机器人的机械臂机构，又要依据不同的采摘对象做出合理的 选择。因此本文将机械手分两个模块来进行选型和设计，即手臂和手腕。手臂是支撑末端 执行器的重要器件，使其可以在固定的范围内移动，并可以将采摘到的草莓送到小框 手腕的作用是在机械手臂运动的基础上进一步改变末端执行器在空间的方位，使机械手变 得更灵巧，适应性更强。3.1采摘机器人机构选型原则由于草莓种植环境的复杂性，不确定性和果实分布的无规则，采摘机械手在选型上既 要遵循工业机械手的基本原则，又要考虑其作物的特殊性。从而得出如下选型原则：1）遵循工业机械臂的基本选型原则，工业机械臂主要有四种形式（图3-1）,其具体功能特点如下1012:（1） 直角坐标型：其外形轮廓与数控镗铣床相似，3个关节都是移动关节，关节轴 线相互垂直。这种形式的主要特点是刚性好、精度高，缺点是占地面积大，工作空间小。（2）圆柱坐标型：选型机械臂前三个关节为两个移动关节和一个转动关节。这种形 式的机器人占用空间，结构简单。（3）极坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。改型机器人的有点是，灵活性 好，占地面积小，但刚度、精度教差。（4）关节坐标系：前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大，占地 面积小，缺点是刚度精度差。(a)直角坐标壁(a) Rectangular coordinates type(b)風柱坐标理(b) Cylindrical coord instr type(c)械坐标型(c) Polar coordinates type(d)关节坐柿理(d) Joint coordinales type图3-1工业机械臂形式2）基于具体的采摘要求，机械手要具有较好的采摘能力。包括：（1）最优的工作空间。工作空间越大，采摘范围越广，通用性也就越好。（2）具有较好额避障能力。果实采摘过程中，机械手能避开障碍物。（3）机械手设计合理。若机构设计不合理，可能会出现运动干涉或驱动装置无法设 置，机构不能运动等问题。在满足要求的前提下，尽量采用特殊机构的机械手机构， 使相邻运动副的轴线相互平行或正交。（4）农业机器人要求操作简单，成本低廉，因此尽量采用冗余度少，机构简单的形 式。3.2机械臂的设计 3.2.1设计要求机械手的手臂是采摘机器人的主要执行元件，其作用是支撑末端执行器和腕部并改变 末端执行器在空间的位置。由于机械手臂的重量比较大，受力比较复杂，在采摘草莓时受 到腕部、手爪和草莓的静（动）载荷，弓I起电位准确性。机械手手臂的机构形式的设计要 根据机器人的运动形式、抓取草莓的重量，自由度以及运动精度来决定。因此设计机械手 手臂是应该考虑一下几个要点的何：1）手臂的结构和尺寸应该满足采摘草莓时作业空间的要求。作业空间的形状和大小 与手臂的长度、关节转角的范围密切相关：2）根据手臂承受的载荷和结构的特点，合理选择手臂的材料；3）机械手手臂的运动速度要高，惯性要小。草莓采摘机械手的设计一方面要考虑机器人本身的价值和使用者的经验和教育水平， 另一方面还要考虑草莓的生长特性。3.2.2机械手臂的选择采摘机器人机械手的手臂用来决定末端执行器的位置，同时它对物体的姿态也有一定 的影响。针对草莓的生物学特性、栽培的方式和机械手机构选型的原则及工作特性，本文 选择的是多关节机械手臂。由于机械手采摘草莓的形状近似为圆柱体或球体，那么四个自 由度的机器人就可以完成机器人的采摘任务。为使采摘机器人有更好的作业能力，本文设 计的机械手具有五个自由度，其中机器人的机械化手臂具有三个旋转的自由度，手腕具有 两个自由度。三个转动自由度机械手臂结构紧凑，灵活度大大的提高，在作业空间内手臂 的干扰比较小，机械手臂的工作空间范围也会加大。但这种类型的机械手臂在进行控制时 计算量大，位置精度不高及确定末端执行器的位置和位姿时不直观等缺点。而且这种类型 的机械手手臂执行元件多，质量重。所以在设计的时候，要充分考虑机械手作业对象的特 点和作业目的，确保机械手在作业时的合理性。图 3-2是这种机械手手臂的关节构成。77T7H77图3-2三自由关节型机械手手臂3.3机械手手腕的设计机械手手腕是连接机械手手臂和末端执行器的装置，它的作用主要是在机械手手臂运 动的基础上进一步改变末端执行器在空间的方位，在扩大机械手动作的范围的同时，使机 械手变得更灵巧，适应性更强。通过机械接口，连接并支撑末端执行器。3.3.1手腕设计的基本要求1）结构要紧凑、重量要轻 手腕位于机械手手臂的末端，手腕的设计直接会影响到手 臂的机构和运转性能。为使得手臂的承受载荷减轻，应该要求手腕的部分结构紧凑，重量 要轻以及体积较小。2）转动灵活、合理选择自由度 手腕的自由度越多，末端执行器的动作灵活性越高， 整个采摘机器人对采摘的适应性越好。但是自由度的增加会导致手腕的结构复杂，控制也 相应的困难。因此，在设计手腕结构的时候，只要能够达到工作的要求就可以，不要过多 增加手腕的自由度。3）合理布局，手腕是连接手臂和末端执行器的机构，它同时也起到了支撑两者的作用。所以设计手腕的时候，除了保证力和运动的要求以外还应综合考虑，合理布局11。3.3.2草莓采摘机械手手腕的结构型设计机械手的腕部直接连接末端执行器和手臂，起支撑作用，为使得末端执行器能够达到空间的任意位置，理论上腕部实现对空间三坐标轴X、Y、Z的转动，即具有沿XY平面回转和YZ平面的回转。也就是说手腕部具有独立的自由度。在实际设计的过程中，基于草 莓的物理特性，在机械手采摘草莓的时候，末端执行器首先旋转为合适的角度，再前进抓 住果柄，同时有一个镍铬电热丝切割果柄。这一系列的动作需要手腕有两个自由度，即手 腕绕i轴和绕j轴的两个回转运动。即手腕有腕转和腕摆两个自由度。3.4机械手的结构型式通过机械手手臂和手腕的型式说明，选取3个自由度的机械手的手臂和两个自由度的手腕进行配合，得到草莓采摘机械手的机构型式。这种型式的机械手在避障、工作的空间 以及采摘的工作效率方面都是比较好的。选择5个自由度的机械手，会让末端执行器的动作更加灵活，使得它能够绕开障碍物进行采摘作业。具体结构型式见图3-3./图3-3草莓采摘机械手结构型式3.5机械手运动学方程的建立机械手运动学主要是研究末端执行器、各个运动构件的位置姿态和各个关节变量之间 的联系。因此考虑机械手的运动要从两个方面说明，即正运动学和逆运动学。正运动学是 指先给定机械手各个关节的位移、速度、加速度然后求解各个杆件和末端执行器的位置和 姿态。逆运动学指的是先给定杆件和手爪的位置然后求解所需要的关节变量的位置、速度 和加速度等。求解这两种运动学问题多采用齐次变化法和向量法等。本文以设计五个自由 度机械手为例，简单说明正运动和逆运动学解析方法 12。3.5.1正运动学模型为了描述草莓采摘机械手各个连杆的特征参数以及相互之间的运动关系，采用Denavit-Hartenberg （简称D-H矩阵：笛卡尔坐标系的齐次坐标变换矩阵）方法设定杆件 的坐标系，图3-4为草莓采摘机器人机械手的结构以及各个连杆的坐标系。各个连杆的编 号是从底座到末端执行器依次为 0，1，2，3，4，5。X5Z5Z3Z4X3X4Z2X2Z1a&X13-4草莓采摘连杆坐标系表3-1草莓采摘机器人连杆参数iai丄di10900200I1=2300l 24090l3-500|44510草莓采摘机器人机械结构设计在建立草莓采摘机械手正运动学模型的时候，可以把草莓采摘机器人机械手手臂看成 是由一系列关节连接起来的连杆构成的。为每一个连杆建立一个三维坐标系，并用齐次变 换来描述这些坐标之间的相对位置和姿态。用矩阵iJT来描述第i号连杆相对于第i-1号连 杆的位姿关系，通过齐次变换得到相邻各个连杆之间的齐次变换矩阵为:IC 缶SQ i-diS；id i j diSi d(i=1,2 5)111草莓采摘机器人机械结构设计1#草莓采摘机器人机械结构设计式中Ce： COS Sr： SinC、；i : COS、 iS、 i d : sin、1#草莓采摘机器人机械结构设计1#草莓采摘机器人机械结构设计i和：连杆坐标系i相对于i-1的变化矩阵:-iJ :从Zi丄到乙绕Xi旋转的角度（逆时针为正） a从Zi到乙沿Xi测量的距离di :从Xi丄到X i沿乙测量的距离小：从X到Xi绕乙旋转的角度（逆时针为正）由图3-4和表3-1可知-cos 日 1-sin 日 100_T sinycos 日 10011 00100001-cos 日 30 sin 日 30 一3 =01 00sin 0 30 cos 日 3l 200 01-cos85-怖5004t =sin 日 5cos日 50051001丨40001cos85sin0500sin 日 5 cos日 5 0 0001l40001c o(s20s i n20 一0100si n 20c o(s2l10001c o40sin40 一0100si n40c o4l 300011#草莓采摘机器人机械结构设计1#草莓采摘机器人机械结构设计则草莓采摘机器人机械手运动学方程为:C 1 C 234 C 5 -S1 S5 灯彳/即丹卽=S1C234CC1S5 S234 C 50_CQ 23451C234 S5 _CQ5234 S50C1 S234S1 S234C 2340l 2C1 S2 J3C1S23bC1S234I2S1S2 |3SS23 |4SSl 1 l 2C2 l 3C 23 l 3C34 l 3C 2341#草莓采摘机器人机械结构设计1#草莓采摘机器人机械结构设计其中 C1 O1,C2 =CO2,CCO5,C234 二82=3 =3)其 S =sin日 1$ Kin日 2，S5=sin日 5S234 Fn(日 2+日 3十日3)1#草莓采摘机器人机械结构设计设草莓在基座坐标系 Xo,Yo，Zo冲的位置矢量pPx，Py，PzI，方向向量n,o,a分别为n=hx，nY，nzT，o =0x，oy，ozT，a =kx，aY，azT，则草莓在基座坐标系中的位姿可以用下面的矩Ox Oy Oz0阵表示:C1C234C5 S1S5C 1 C234 S5 -S1S5C1S234I2C1S2 +I3C1S23 +| 4C1S234SQ234C5CS5-SQ234 S5 C1C5S1S23412S1S2 +I3S1S23 +| 4S1S234S234C5S234 S5C23411 +l 2 C2 +| 3C23 +l 3C 34 +l 3C2340001-nxOxaxPxnYOyaYPynzOzazPz0001ax aY az0Px Py Pz1上式就是草莓采摘机械手的正运动学模型3.5.2逆运动学模型图3-5是本文设计的垂直多关节型5自由度的采摘机器手连杆的几何关系。此机械手 上下臂等长，设为丨。手爪中心位置P的坐标设为（Px，Py.Pz）,腕部旋转中心B的坐标设为 （Qx，Qy,Qz）。由图3-5可知下面的几何关系式。12草莓采摘机器人机械结构设计13草莓采摘机器人机械结构设计L二 4图3-5机械手连杆几何关系tg + pxPyOB Wlcos = Q：Q：Q；QZ =l【cosd2 asG2 = 3）】日3丄日3=21 cos 3 cos（ r v ）2 2 2设；轴与BP的夹角是贝U存在下面的关系式：匕=3Q： =p： -BPcos（ ： pcosHQ： = p： _BPcos（ ；! -；）sin v 1Q；二p； BPsinj -；）宀到二4的值由下面的计算公式可以得出：二 1 -arctg 卫:二 2arccos2 2Qx Qx QPx2l-arc cos2lcos 32上面得出机械手各个关节位置的各式是基于采摘机械手的上下臂相等的情况得到的, 基于草莓的生长特性以及草莓采摘机器人工作的具体情况，参考相关的文献，以及草莓采 摘机械手设计时的一些约束条件， 本文选取机械手的上下臂长度为510mm，上下臂的回转 角度的取值为-45与2叩10，乞*叩20。机械手腰关节长度取为100mm。在机器人工作时,机械手要采摘地垄左右侧的草莓，因此腰关节的旋转角度r取值为-180厂乞佗。为保证末端执行器可以采摘到最低的草莓，手腕部分的长度应尽量的大些，因此手腕的长度定位850mm,手腕结构参数寸4用于调整末端执行器的位姿，使得末端执行器以不同的位姿接近果实，腕关节 阴实现手腕的俯仰动作，因此将手腕的参数定为： 034叮20,-180 45叮80。 跟据设计的采摘机器人机械手机构参数， 从而构建机械手的三维结构模型，如图3-6所示。 从而得到机械手的重量为24.884kg,可以达到以腰关节为圆心，半径为1713mm的半圆为采 摘范围。同时也展示了机械手张开采摘与折叠收缩放入框中的位姿，如图3-7和3-8所示。图3-6机械手三维机构模型图3-7机械手张开采摘草莓的位姿图3-8机械手折叠收缩放草莓入框的位姿4草莓采摘机器人末端执行器设计4.1末端执行器介绍为了提高机械手的采摘效率，机械手的机构设计要合理并能有效的控制，但是要顺利 并且高效的采摘到草莓，机械手手爪设计是十分重要的。所以一般将装在机械手前端并直 接与采摘对象基础的部分称为末端执行器。末端执行器安装在机械手的末端，其功能类似 与人手，是直接与目标物接触。但末端执行器的结构完全不同于人手，其基本结构取决于 具体工作对象的特性与工作方式。对于采摘草莓的末端执行器来说，因为各个草莓之间存 在不同的个体之间的差异，在设计末端执行器时要考虑诸多因素。末端执决于工作对象的特性及工作行器的基本结构取方式。大多数末端执行器的结构 和尺寸是根据其不同的作业任务要求来设计的，因而末端执行器的结构多种多样。到目前 为止，末端执行器都是专用的。在设计末端执行器的时候，应该考虑手指数量、手指关节 数量、以及摘取果实时的方式等等。末端执行器是直接接触果实的一个很重要部件，所以 在采摘果实时，为避免碰伤果实，大多采摘机器人的手指内侧接触果实的部位采用尼龙或 橡胶材料14 04.2末端执行器的分类草莓采摘机器人的末端执行器有多种类型1516，根据其用途和结构的不同可以将末端 执行器分为机械式夹持器和吸附式夹持器；按手爪的运动方式可以分为平移型和回转型。 回装型手爪又分为单支点回转型和双支点回转型。按夹持方式分为外夹式和内撑式；按驱 动方式又可以分为电动、液压和气动三种；按手爪个数又可以分为双指和多指。4.2.1两个手爪的末端执行器最初，用于草莓采摘的机器人末端执行器有两个平行的手指，由于草莓成束成长，这 种末端执行器在收获果实时容易损坏邻近的果实和茎干，为解决上述问题，可以让手爪直 接夹持草莓果柄。两个手爪的末端执行器具有采摘成功率高，但是对于一些隐藏在花梗、叶子、果实等后面的成熟果实，末端执行器还不能进行有效的避障。422两个以上手爪的末端执行器相对于两个手爪的末端执行器，多爪的末端执行器在抓取草莓的时候稳固性有所提 高。如固定式草莓采摘机器人的末端执行器有四个平行且弯曲的手指，这种末端执行器可 以采摘各种形状和大小的草莓，同时也适合采摘别的水果。虽然手爪的数量越多抓取效果 越好，但是手爪的控制也越复杂。末端执行器有三个手爪，手指内各有一条线连接指间的 钢丝绳，指尖围成一个圆形，三个手指内侧有橡胶。在采摘果实的时候，钢丝绳拉紧，三 个手指向中心弯曲，抓住果实后用剪刀剪切下来；钢丝绳松开的时候，三指在弹簧的作用 下张开，所以在末端执行器不工作的时候处于张开状态。4.3夹持式末端执行器的选型夹持式末端执行器也称之为夹持式手部，它是直接用于草莓接触的部件，执行人手的 功能。夹持式手部是由手指、传动结构和驱动装置三部分组成的，它可以抓取各种形状和 大小的果实。一般情况下，这种手指采用两指。驱动装置多采用传动机构，驱动源有液压 式、气动式和电动的几种形式。传动装置通过滑槽、斜楔、齿轮齿条和连杆机构实现加紧 和松开。夹持式手部一般是由转动副和移动副组成的机构，它可以实现手爪的单纯回转、 单纯的平移。因此夹持式手部分平移型和回转型两种方式。4.3.1夹持式末端执行选择的基本要求1）应具有适当的夹紧力和驱动力机器人手部机构靠手爪夹紧作业对象并进行采摘，最后将采摘对象移送到目标位置。 由于草莓本身的重量以及在机械手动作过程中产生的惯性力和振动等，机器人的手爪必须 要有足够的夹紧力，才能防止在作业过程中草莓不会滑落。因此末端执行器手爪的夹紧力 大小要合适。末端执行器的驱动装置应该有足够的驱动力。一般情况下，机械手爪的夹紧 力为作业对象的两到三倍。在一定的夹持力的情况下，机构传动比不同，所需要的驱动力 的大小也是不同的。2）手指要有一定的开闭范围手指具有足够的开闭角度或开闭距离，以便在采摘果实的时候能够顺利的采摘和松开 果实；另外手爪夹持草莓中心位置变化要小。3）保证果实在末端执行器手爪中的夹持的精度为使采摘对象和采摘机器人的手爪保持准确的相对位置，必须根据作业对象的形状选 择相应的手爪形状进行定位。4）末端执行器的结构要求紧凑、重量轻、采摘的效率高，并且要确保本身的刚度和 强度。4.4末端执行器的结构型式和工作原理 4.4.1整体结构16草莓采摘机器人机械结构设计整体结构如图4-1所示，末端执行器全长309m（机械手爪顶端到回转底座），主要包 括一个伺服电机，一套曲柄滑块机构，一个镍铬电热丝，二个机械手爪，二个橡胶垫片。151曲柄滑块机构 2伺服电机3镍铬电热丝 4橡胶掉片5机械手爪2217草莓采摘机器人机械结构设计2#草莓采摘机器人机械结构设计143右移-放松左移图4-1末端执行器整体结构4.4.2工作原理由机器人本体上的视觉定位系统定位果实，机械臂带动末端执行器运动到指定位置采摘果实1）根据标准对将要采摘的水果尺寸、成熟度和表面有无损伤进行识别，将检测信号 反馈给上位机，上位机根据信号启动末端执行器电机。2）由曲柄连杆机构17，把电机的转动转换为直线运动，当滑块 1向右运动时，销3 在两个杠杆4的滑槽中移动，使得与支架2相连的两个手指实现松开动作；反之，当滑块1向左运动时，手指夹紧，如图4-2所示1滑块2销3手爪4支架图4-2滑块工作说明图2#草莓采摘机器人机械结构设计4.5主要部件设计设计的整体思路就是在很好达到预期效果的基础上，结构尽量简单，操作容易，运动 灵活，安全可靠且成本低廉。整个末端执行器只采用一个动力源一伺服电机。4.5.1传动部分设计此部分由基座，伺服电机，传动轴，曲柄，连杆，滑块，U型槽，销组成。如图4-3所示。8712341曲柄2传动轴3伺服电机4基座5销6 U型槽7滑块8连杆4-3末端执行器的传动机构示意图电机主轴通过联轴器带动曲柄旋转，然后由曲柄滑块机构把旋转运动转换为滑块的往 复运动17，当连杆在初始位置时（如图4-4所示），手爪松开。当连杆逆时针转动，滑块 左移，使销在滑槽中移动，手爪夹紧（如图4-5所示）。当连杆顺时针转动，滑块左移，手爪夹紧，恢复初始位置18。4-4末端执行器连杆初始位置4-5末端执行器连杆夹紧位置4.5.2抓取和切断机构设计此部分由两个个机械手爪（具体尺寸见手爪工程图），两个橡胶垫片组成和一根镍铬 电热丝组成。抓取时不以草莓果实作为抓取目标，而是夹切草莓果柄，不伤害果实，同时 采用镍铬电热丝切割果柄可以防止切口感染细菌而腐烂，影响果实品质。5结论与建议5.1结论本文研制的草莓采摘机器人用于国内棚载草莓的收获，具有使用价值。得出如下结论:1、本文重点设计了一台草莓采摘机器人，并且制作了三维模型图，适合国内草莓的 种植环境。根据查阅不同渠道的资料以及实地勘察的数据，以电动装置作为驱动源，降低 了生产成本，符合国内农业生产行情。采用该机构，可以在较窄且不平坦的垄沟中行走。2、本文还将重点放在研究了一种结构简单、高效、不伤果实的草莓采摘机械手，并 且制作了三维模型图。针对目前国内外市场草莓采摘机械手爪在设计上还没有实质性突 破，实用性差，无法应用于实际草莓采摘作业环境的情况，巧妙地设计并研制了一种动力 单一、外形小巧、简单实用、操作方便的机械手爪19。5.2工作展望和建议草莓的自动采摘是一个非常复杂的过程，它包含了多个任务，需要对环境进行动态实 时分析解析。笔者在本文的研究中，重点放在了草莓采摘机械本体、机械手和末端执行器 上，但是对于视觉系统，控制系统，驱动系统等方面的内容并未做深入研究，建议后续研 究。19草莓采摘机器人机械结构设计参考文献1 梁丽娟.草莓采摘机器人结构设计和实验硕士论文.中国农业大学.2007.52 冯青春，郑文刚，姜凯，等.高架栽培草莓采摘机器人系统设计.农机化研究，2012:123 1243 重庆蔬菜信息.农业机械.日本的果蔬采摘机器人.2005.12.144 胡桂仙，于勇，王俊.农业机器人的开发与应用.实验与研究，2002,45 475 徐丽明，张铁中，果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策.农业工程学报，2004.9，第五期6 赵匀，武传宇，胡旭东.农业机器人的研究进展及存在的问题.农业工程学报.2003.17 高锐.草莓收获机器人的初步研究.中国农业大学，硕士论文，2004.38 汤修映，张铁中.果蔬收获机器人研究综述，机器人，2005.19 余长.软质水果收获机器人J.机器人技术与应用.1998 : 22 2510 草莓的收采技术.农业实用科技，2006年2期.52 5411 吴镇彪.工业机器人M.华中理工大学出版社，1997.12 9512 熊有伦.机器人学M.北京工业出版社，199113 张铁，谢存禧.机器人学M.华南理工大学出版社，2001,42 8514 张兴国等.机器人末端执行器的系统研究J. 1997:91115 周伯英.工业机器人设计M.机械工业出版社，1996.616 李允文.工业机械手设计M.机械工业出版社，1996.517 申永胜.机械原理教程.清华大学出版社.1999.818 Seiichi Arima，Naoshi Kondo，Mitsuji Monta，etal. Strawberry Harvesting Robot on Table top Culture C / /2004 ASAE /CSAE Annual International Meeting ，2004， Paper Number: 043089.Naoshi Kondo， Kazunori Ninomiya， Shigehiko Hayashi， etal. A New Challenge of Robot for Harvesting Strawberry Grown on Table Top Culture C / /2005 ASAE Annual International Meeting ，2005 .20草莓采摘机器人机械结构设计致谢本论文是在老师的精心指导下完成。从选题、论证、设计、到毕业论文的撰写无不渗 透着恩师的心血。老师严谨的治学态度、渊博的知识、对问题的敏锐的洞察力、精益求精 的务实学风让我受益良多；同时，老师在生活和学习上对我给予了无微不至的关怀和教诲 最后，再次表示衷心的感谢。21