雙孢菇采摘機械手末端執行器設計與分析

摘要：為解決雙孢菇人工采摘效率低的問題，設計了一種雙孢菇采摘機械手末端執行器。該末端執行器采用仿形彈性夾持套結構，套筒內填充有液性塑料，由氣缸驅動液性塑料內推桿的伸長，使夾持套上部張開下部收縮，實現夾持功能。該裝置采用整體式外觀及彈性材料，可代替人工實現雙孢菇柔性采摘，清洗方便，有效保證了采摘質量和清潔度。

關鍵詞：采摘;末端執行器;設計;液性塑料

0 ? ?引言

雙孢菇（俗稱“白蘑菇”）味道鮮嫩，含有多種營養物質，是全球性栽培的食用菌。隨著現代栽培技術的發展，工廠化生產已成趨勢。我國雙孢菇采用工廠化生產后，產量逐年增加，目前種植范圍遍及全國，年產量和年出口量均居世界前列[1]。雙孢菇工廠化栽培、采摘、檢測、分級包裝過程中，對周圍設施要求較高，如菇房的溫度、濕度、CO2含量及各種雜菌等因素對雙孢菇生產品質有較大影響。目前雙孢菇的采摘為人工操作，效率較低且影響菇房環境，不利于提高生產效率和產品質量。隨著勞動力日益緊缺，設計先進的采摘、分揀機器人勢在必行。采摘、分揀機器人是一種高效的自動化裝置，其關鍵部件為機械手末端執行器，用來夾持蘑菇，完成采摘和分揀動作。

國內外許多科研機構和學者對采摘機械手末端執行器進行了大量的研究[2-5]，目前采摘機械手多采用剛性夾持，研究內容多為運動分析。雙孢菇品質嬌嫩，對夾持力要求嚴格，不宜采用一般的剛性機械手進行夾持。

本文設計了一種機械手末端執行器并對夾持力進行了分析，在機械手臂的作用下，采用柔性夾持力，完成對雙孢菇的按壓、夾持、旋轉、摘取四個動作，整體式的外形，保證了雙孢菇的品質，容易清洗，不會對采摘對象及周圍造成污染。

1 ? ?采摘機械手末端執行器設計

雙孢菇菌絲貼基質表面成簇生長，生長過程中，大小不一，位置方向不確定，沒有固定的行距和株距。采摘期的雙孢菇菌蓋直徑5～12 cm，白色半球形，表面光滑，具有彈性;菌柄近圓柱形，直徑1.5～3.5 cm，長4.5～9 cm。雙孢菇質量較輕，所需的夾持力較小，在菌蓋上產生極小的變形量即可實現夾持。

用機械手去采摘雙孢菇時，不能直接用力，以免拉動根部的基質，影響其周圍其他菇的正常生長。實際采摘時，先接觸雙孢菇，向下施加壓力，然后通過夾持套內的圓周力夾緊雙孢菇頭部，機械手腕扭動一定角度，雙孢菇隨之轉動一定角度，雙孢菇根部脫開基質的束縛，機械手臂抬升，完成采摘動作。因此，機器人執行采摘動作，需要機械手臂、手腕和末端執行器共同配合完成工作。機器人控制系統通過控制機械手臂、手腕位置，使末端執行器定位于空間某個預定位置。

末端執行器是指與機械手的腕部末端相連的裝置，末端執行器的動作由機器人控制器直接控制。機械手手腕是連接機械手手臂和末端執行器的裝置，它的作用主要是在機械手手臂運動的基礎上進一步改變末端執行器在空間的方位，在擴大機械手動作范圍的同時，使機械手變得更靈巧，適應性更強。為使得末端執行器能夠到達空間的任意位置，腕部具有獨立的自由度，能夠實現在空間三個坐標軸上的轉動。本文僅研究末端執行器，設計的末端執行器能夠實現夾持器的向下壓力和圓周的夾緊力。

1.1 ? ?末端執行器結構組成

采摘機械手末端執行器結構如圖1所示。

該裝置由氣缸和彈性夾持機構組成。氣缸為動力元件，夾持套為夾緊元件。氣缸安裝在末端執行器上端，用螺栓連接，帶動推桿上下移動。夾持套內充填液性塑料，夾持套上部有蓋板將液性塑料封閉在球形容器內。

夾持套外形為整體式，結構簡單，方便清潔消毒，不會對夾持物及周圍環境造成污染，適用于對清潔度要求比較高的環境。夾緊部位為圓形，夾持角度廣，可采摘不同角度、不同大小的蘑菇。夾持套的材料為彈性材料，采用柔性夾持力，對采摘目標施加有限的夾持力，適用于對外觀質量要求比較高的蘑菇進行采摘。

1.2 ? ?工作原理

在機械臂的作用下（本文不對此做研究），末端執行器移至雙孢菇上方。氣缸工作，使推桿下移，擠壓夾持套內部的液性塑料，使其產生膨脹力，夾持套產生微變形，一方面向下移動，對雙孢菇施加向下的壓力，另一方面夾持套上部被漲開，下部同時產生反方向的微變形，夾緊雙孢菇。上述兩種力同時施加在雙孢菇菇蓋上，完成按壓、夾持動作。隨后，機械手臂產生旋轉動作，帶動夾持套及雙孢菇旋轉，手臂提升，將采摘的雙孢菇移到指定位置。此時，氣缸帶動推桿上移，夾持套內液性塑料膨脹力消失，松開雙孢菇，采摘工作結束。

2 ? ?夾持力分析

代入數據，得ΔR=0.22 mm。即該點的夾持變形量為0.22 mm，變形較小，對雙孢菇的影響可忽略不計。

由上述分析可知，液性塑料工作壓力對夾緊力的影響規律與推桿伸長量有關，伸長量越大，液性塑料的壓力越大，夾持套的彈性變形越大。

3 ? ?結語

本文設計了一種采摘機械手末端執行器，該裝置由氣缸和彈性夾持機構組成，安裝在采摘機器人手臂上，配合機械手臂完成夾持、按壓動作，代替人工采摘雙孢菇，能適應不同大小、不同方位的雙孢菇采摘，具有柔性夾持、容易清洗等特點。

[參考文獻]

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收稿日期：2020-01-17

作者簡介：程鼎豪（1998—），男，河南洛陽人，研究方向：機械制造及自動化。