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：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； 末端执行器夹持或抓取力过大， 压伤果蔬外表；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：检测果实的位姿，为执行机构提供导航信息；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1.2 吸入式这类非夹持类末端执行器主要是通过真空系统将果实吸入末端 执行器内，再通过切断、扭断等方式分离果实和果梗。如图4所示的柑橘采摘末端执行器结构图，由真空吸盘先吸持住果实向后拉动， 同时末端执行器的弹性盖板向前移动， 使果实进入笼 体内，然后盖板收缩进而保住果实，随后一对割刀合拢切断果梗。4柑橘采摘末端执行器如图5 (a)所示比利时开发的苹果采摘机器人末端执行器，设计 成漏斗的形状，漏斗内安置摄像机，当有果实进入手爪范围的时候，真 空吸引器打开将果实吸入，再通过旋转扭断果梗将果实采摘下来。图5 (b)所示英国开发的苹果采摘机器人末端执行器，由一截管道、两个内置圆环和两个弹簧盖组成，该末端执行器获取果实的原理也是吸入+扭断式，当苹果的位置信息传来之后，真空系统将果实吸入，再 扭断果梗采摘下苹果。(a)( b)图5苹果采摘末端执行器还有吸入+勾取的方式来获取果实等等。吸入式的末端执行器硬件设计简单，工作原理类似，对于果实娇嫩、果梗柔弱细长的草莓等果实，采取吸入加勾取比夹持的获取方式更可行，但这类末端执行器对果实个体尺寸差异适应能力较差动作速度较慢，稳定性不高， 而且相邻的未成熟的果实也容易被一同吸入和采摘下来。1.3夹持类这类末端执行器其夹持器通常由带有真空吸引器和数目不等的手指构成。按手爪的个数可分为两指和多指型，目前大多数果蔬采摘机器人末端执行器为两指，也有一些三指和四指的末端执行器，用于外形不规则或较大的果实。因此，一般情况下，对于形状较为规格，尺寸 和质量部太大的果实，应首选较少手指进行抓持。1.3.1 两指夹持如图6所示，日本东京大学乔俊（Jun Qiao）等人开发设计的甜椒采摘机器人末端执行器， 该末端执行器具有两个瘦长形的手指， 长度 为160mm ,厚度和宽度分别只有1mm和10mm。两个手指组成的手爪 抓住果柄的过程由依靠一个凸轮的瞬时针旋转运动进行张开和夹紧动作，凸轮的旋转运动由一个步进电机进行驱动，凸轮为椭圆形,旋转90度后手爪就完成一次张开或夹紧的过程。图6日本的甜椒采摘机器人末端执行器.中国农业大学张凯良等人设计了草莓采摘机器人，其机械原理如图 7所示，该末端执行器的夹持机构主要有机械爪及其附属部件构成。丝 杠与内螺纹管通过螺纹连接，由电机带动丝杠旋转，从而螺纹管进行前 后运动，进而带动两根手指做闭合或张开动作，完成对果实的获取 在两手指的内侧上装有橡胶垫，增加了缓冲，可使末端执行器更可靠地夹持，同时，在靠近手指根部的位置安装了一对间距可调的机械触点，作为机械爪夹持力度的反馈装置。可见，该末端执行器 的夹持装置获取果实的精确性、可靠性以及对果实的保护程度明显要好于日本的甜椒采摘机器人末端执行器。1.手指2.内螺纹管3.丝杠4.电机图7机械爪机构示意图刘继展等研制了番茄采摘机器人末端执行器（图8）,由于番茄的成串生长增加了真空吸盘装置，避免了采摘时将相邻的未成熟果实一同夹持。真空吸盘装置由真空发生设备、真空检测控制元件、吸盘和连 接附件组成。采用小型压缩气罐为气源，采用适应曲面及不平整工件、具有良好缓冲性能的真空波纹吸盘由真空软管、接头等附件连接组成末端执行器的真空系统。真空波纹吸盘固定于齿轮的前端，通过齿轮齿条传动带动吸盘前进和后退，并与真空系统相配合，完成吸住并拉动果实的任务。采用两指夹持机构，如图9所示，手指指面设计成圆弧并贴有5mm厚的橡胶，增强了夹持的可靠性。手指夹持机构由直流伺服电机 驱动，通过锥齿轮的传动，带动具有左旋和右旋两段螺纹的双向螺杆传动，使与之组成螺旋副的两手指产生平行相对运动，从而合拢或