柔性草莓采摘器

裴雷 劉 歡 王愷

摘 要：本論文研究一種低成本、防夾漏的柔性草莓采摘器，包括底座，底座上沿周向設置至少三個結構相同的四連桿機構；四連桿機構由主臂、指段、副臂、底座依次鉸接而成；指段的末端向下延伸成為夾持端，三個指段的夾持端相向設置；主臂上端鉸接在底座上，副臂與底座之間設置彈性張緊裝置；主臂與底座之間設置拉繩驅動裝置。采摘器上設置攝像頭自動識別，設置超聲定位裝置確定位置，可以自動識別成熟草莓并確定距離；副臂與底座之間設置彈性張緊裝置，主臂與底座之間設置拉繩驅動裝置，使夾持端可以同步柔性合攏與張開，也作為緩沖裝置防止夾壞草莓且成本低廉。夾持端為平夾裝置，防止夾漏且控制簡單。

關鍵詞：草莓；柔性；四連桿；平夾

1 背景技術：

國內草莓種植面積和產量有逐年增加的趨勢，但是由于采摘環節落后的人工作業方式，制約了草莓種植業的發展。目前有相關研究針對我國常見的溫室里高壟畦作栽培的草莓，初步建立了草莓采摘機器人實驗系統，在草莓果實目標識別、提取、定位、采摘機器人及手爪等方面的研究取得了一定成果。還有跨壟作業4個自由度的草莓收獲機器人設備。該機器人采用兩個俯視地面的CCD攝像機獲取草莓的圖像，計算出草莓的方位，用激光傳感器測量機械手爪到草莓的距離；采用氣動機械手爪抓取草莓果柄，并用剪切式切刀切斷果柄。但這僅僅只是一個草莓采收實驗裝置，體積比較龐大，且沒有驅動裝置，成本高，無法進行大規模、產業化應用。

草莓采摘器即草莓采摘機械手末端執行器，是用來采摘草莓的機構。草莓的外表比較脆弱，采摘時候容易損傷。為了解決這個問題，常使用的辦法是設置柔性爪子或者采用剛柔混合機構。這種機構往往比較復雜，而且成本高、控制復雜。

2 結構原理：

圖1采摘器結構圖。圖2為采摘器四連桿機構示意圖（彈性張緊裝置為扭簧）。圖3為采摘器四連桿機構示意圖（彈性張緊裝置為橡皮筋）。圖4為采摘器軸測圖。

如圖1所示，一種柔性草莓采摘器1，包括底座11，底座11上沿周向設置至少2個結構相同的四連桿機構。四連桿機構由主臂12、指段13、副臂14、底座11依次鉸接而成。指段 13的末端向下延伸成為夾持端131，三個指段13的夾持端131相向設置。主臂12上端較接在底座11上，副臂14與底座11之間設置彈性張緊裝置15。主臂12與底座11之間設置拉繩驅動裝置。通過四連桿機構的運動使夾持端131合攏或分開。

四連桿機構的鉸接點之間依次連線組成平行四邊形，使夾持端131運動過程中只平移、角度不變，三個夾持端131構成平夾狀態。指段13和底座11兩個鉸接點的連線為互相平行，底座11是固定的，方向不會發生變化，所以夾持端131角度也不會改變，僅僅在四連桿機構所在平面內平移。這樣夾持草莓時，夾持更方便、準確，不容易夾漏。控制上也比較簡單，誤差小。）

拉繩驅動裝置指：每個主臂12與底座11鉸接處設置銷軸16，銷軸16任意一側的主臂12上設置主臂繩孔121，在底座11上設置各自對應的底座繩孔111。底座繩孔111到銷軸16 的距離與主臂繩孔121到銷軸16的距離相等，如圖2所示。在底座11上設置轉動盤17，在主臂繩孔121、底座繩孔111，轉動盤17之間設置繩子18。繩子18的一端固定在轉動盤17上，另一端順時針或逆時針依次穿過底座繩孔111、主臂繩孔121最后固定，將三個主臂12與對應的底座11通過繩子18串聯在一起。驅動裝置驅動轉動盤17轉動帶動繩子18收緊使夾持端131向內合攏。繩子18具有一定的彈性，是一種彈性繩。繩子18收緊到夾持端131觸碰到草莓時，因為繩子18的彈性及變形，起到一定的緩沖作用，使夾持端從觸碰到夾緊草莓的過程中不會損傷草莓。底座繩孔111、銷軸16、主臂繩孔121之間夾角優選為銳角，方便受力。每個主臂12上都設置主臂繩孔121，并在底座11上設置各自對應的底座繩孔111。這樣，轉動盤17旋轉時，繩子18收緊，使臂繩孔121 和底座繩孔111之間距離逐漸變小，直到重合。幾個主臂12 可以同步轉動，帶動夾持端131同步合攏。反向旋轉時，繩子18放松，主臂12在副臂14與底座11之間彈性張緊裝置15的彈力下被拉回到原位，夾持端131分開。本實施例中，轉動盤17為舵機帶動的舵盤，繩子18兩端相隔180度固定在舵盤上。以銷軸16為支點，主臂1 2為一個杠桿，主臂12位千銷軸16的兩端分別為杠桿的長邊、短邊；主臂12的短邊的小的位移可以轉化為主臂12長邊的大的位移。這樣，驅動裝置處比較大的驅動力可以轉換為夾持端131比較小的夾持力，避免損傷草莓。

參考文獻

[1] 高銳. 草莓收獲機器人的初步研究[D]. 北京：中國農業大學，2004.

[2] Harrell R C，Slaughter D C，Adsit P D. A fruit—tracking sys-tem for robotic harvesting[J]. Machine Vision and Applica-tions，1989（2）：69 - 80.

[3] Kondo N，Nishitsuji Y，Ling P，et a1. Visual feedback guided robotic cherry tomato harvesting [J]. Transactions of the ASAE，1996，39（6）：2331 - 2338.

[4] 崔玉潔，張祖立，白曉虎. 采摘機器人的研究進展與現狀分析[J]. 農機化研究，2007（2）：4 - 7.

作者簡介：裴雷（1997-），男，漢族，鄭州大學機械工程學院2016級學生