基于氣壓傳動的蘋果采摘機器人末端執行器的設計

趙竹

摘 要：隨著我國蘋果種植規模化的發展，蘋果采摘機器人成為蘋果機械化生產環節中最重要的一環。本文以蘋果為采摘對象，研究蘋果的物理性質，分析蘋果采摘末端執行器組成和工作原理，結合當前蘋果采摘末端執行器結構存在的不足，設計一款基于氣壓傳動原理的蘋果采摘末端執行器。

關鍵詞：氣壓傳動;蘋果采摘;末端執行器

Design of end-Effector of Apple Picking Robot based on pneumatic transmission

Zhao Zhu

Liaoning Agricultural Technical College LiaoningYingKou 115009

Abstract：With the large-scale development of apple planting in China，apple picking robot has become the most important link in the mechanization of apple production.Taking apples as the picking object，this paper studies the physical properties of apples，analyzes the composition and working principle of the apple-picking end-effector，and designs an apple-picking end-effector based on the pneumatic transmission principle in combination with the deficiencies of the current apple-picking end-effector structure.

Key words：Pneumatic transmission;Apple picking;End-Effector

我國是世界最大的蘋果種植國，產量和面積均占世界50%以上。隨著蘋果種植規模化和機械化的發展，蘋果采摘機器人成為蘋果機械化生產環節中重要一環。蘋果采摘機器人最重要部位為末端執行器，末端執行器直接關系采摘質量，是整個蘋果采摘機器人研究的熱點和難點。一些西方發達國家在蘋果采摘機器人方面研究起步早，設計出多款末端執行器，但采摘效果不理想[1]。我國對蘋果采摘機器人研究起步晚，在末端執行器的設計方面存在很多不足。隨著我國蘋果規模化種植的發展，蘋果采摘機器人需求越加強烈，設計合理高效的末端執行器具有重要現實意義。

1 采摘蘋果的物理特性分析

蘋果的物理特性是末端執行器設計的依據[2]。機器人采摘蘋果時，手指夾持力要適宜，所施加的夾持力既不能損傷果實又要保證果實不掉落，這就需要事先對采摘對象蘋果的基本物理特性和力學特性進行充分研究。

1.1 基本物理特性

根據中華人民共和國農業行業標準NY/T439-2001《蘋果外觀等級標準》規定，按照蘋果主要品種單果重等級要求劃分為特等果、一等果和二等果，規格劃分如下表所示;國家標準GB/T10651-2008《鮮蘋果》規定，蘋果直徑≥60mm為一等果，直徑≥55mm為二等果。

1.2 力學特性

在利用末端執行器進行蘋果夾持采摘作用時，蘋果所受力學特性的相關性對作業效果影響最大。

（1）壓縮、拉伸、剪切特性。蘋果采摘過程，末端執行器對蘋果枝條做功，施加壓縮、拉伸和彎曲三種應力，三種應力不是單純存在，是綜合作用。有研究學者對蘋果樹枝所能承受的綜合型應力進行研究，西北農林科技大學全朋坤在蘋果成熟季樹枝力學綜合應力研究、蘋果樹枝的力學試驗與其結構參數的聯系等文章中，通過試驗找到蘋果樹枝能承受破壞的閥值，從蘋果樹枝抗壓最大彈性強度為261394MPa，屈服階段強度為8.57399MPa，彈性模量為13777546MPa，樹枝抗拉最大彈性強度為655138MPa，屈服階段強度為846630MPa，彈性模量為8168531MPa，樹枝的彈性彎曲正應力為76.02595MPa[3]。

（2）黏彈性特性。我們把蘋果作為同時具有彈性和黏性兩種特性的黏彈性體處理，先在農產品上施加一定負荷，變形量會隨著時間增加而增加，這種現象稱為蠕變。

四要素模型用式子表示時刻t的變形：

（3）摩擦特性。為使末端執行器能適當地夾持蘋果，需掌握蘋果的摩擦因數。通常采用傾斜法測定摩擦因數及滾動穩定角。查閱資料發現摩擦因數在0.3～0.9范圍內變化，具體數值與表面粗糙度有關;靜態穩定角在11°～18°;動態穩定角在2.5°～5°，具有與靜態穩定角相反的傾向。

此外，蘋果電氣特性和其他特性對末端執行器的設計均有影響，有效利用蘋果的特性，可實現蘋果采摘機器末端執行器的高效設計。

2 蘋果采摘末端執行器組成和工作原理

蘋果采摘機器人主要通過各種傳感器檢測蘋果位置，利用自動控制技術控制末端執行器實現空間移動、轉動等動作，完成對檢測出蘋果果實的采摘。蘋果采摘末端執行器作為采摘機器人的重要組成部分，由夾持機構（或吸引機構）、切割機構、動力裝置、控制裝置及傳動裝置組成。工作方式主要有兩種：第一種方式是模仿人類采摘動作。末端執行器上設計夾持機構，利用夾持機構對果實進行夾持，再利用腕關節的轉動模擬人掰擰果柄的動作或利用切斷機構對果柄切斷（或者燒斷）[4]。這即需要控制適宜的夾持力又需要控制適宜的切斷力。第二種方式是利用吸引力將蘋果吸入末端執行器中，再利用切斷機構或其他方式將果柄打斷（燒斷）。這種機構的一個優點是可以吸收并消除末端執行器和果實的位置偏移。

夾持機構分為手指以支點為中心開閉型、手指平行開閉型、多指機械手型以及SMA型。手指以支點為中心開閉型，如圖1所示，這種機構類似剪刀一樣，由前后直線運動的推桿和手指、連桿構成，推桿的直線運動通過連桿傳遞到手指，手指以支點為中心開閉，手指開閉時前端運動軌跡為弧形;手指平行開閉型，是相對按照的手指保持平行狀態進行開閉動作的機構，常采用平行連桿傳動機構或者是齒輪齒條傳動機構;多指機械手是包含三個以上手指的末端執行器;SMA型是形狀記憶合金，接通電流就可以自動變形和運動。

切斷機構通常采用刀片進行切割，也有在電級上施加高頻高壓電，利用熱能來燒斷果梗，這種方式可以控制水分蒸發與染病。

3 蘋果采摘機器人末端執行器結構設計

3.1 蘋果采摘末端執行器夾持機構的設計

本文設計蘋果采摘機器的末端執行器是采用夾持和切割方式。夾持裝置首先將蘋果夾持，然后切割裝置對果柄進行切割，待切割裝置完成切割動作后，夾持裝置將蘋果放入指定位置，夾持裝置和切割裝置運動由氣壓傳動裝置提供。末端執行器的機械結構如圖2所示，是一種氣壓驅動的三爪式夾持機構。夾持機構主要由三個采摘爪、三組搖臂以及氣缸組成，當氣缸活塞向左移動時，三個采摘爪呈閉合趨勢;當氣缸活塞向右側移動時，三個采摘爪則打開。采摘蘋果時，采摘爪能夠根據蘋果重量及大小自由調節，保證采摘爪夾持在蘋果的關鍵部位，保證夾持力度恰當。在實際使用時，還可在采摘爪上套柔性海綿材料和橡膠套，保證采摘爪有足夠緩沖，并保證足夠的抓取摩擦力。

3.2 蘋果采摘末端執行器切斷機構的設計

人工采摘蘋果時，果柄需盡可能剪短保證蘋果裝箱后，果柄不會損傷相接觸處蘋果的果皮，便于保存和運輸，在以往的切割裝置設計中，對這一要素考慮較少。切割力大小要適宜，如果切割力太大會增加末端執行器的重量和尺寸，對蘋果采摘機器整體造成不必要的負擔;如果切割力太小，不能順利切斷果柄，無法完成切割任務[5]。因此必須根據蘋果果柄的物理特性，測定果梗切斷阻力，并以此為依據設計切斷機構。本文中的切斷機構采用刀片式結構，分為動刀片、靜刀片及氣缸等部分組成，動刀片和靜刀片采用窄式加長設計，可以有效插入蘋果果梗有效作業區域，避免對其他關聯枝條的影響。蘋果采摘末端執行器受機器視覺和機械手臂影響很大。機器視覺檢測位置會存在誤差，影響末端執行器的工作。機械手臂在伸縮、移動和旋轉過程中會出現位移偏差，也會影響末端執行器的最終作業效果，所以蘋果采摘末端執行器要具備對于機器視覺和機械手臂等機構誤差的魯棒性。

4 結論

蘋果采摘機器人是未來果園機械化作用中重要一環，研究末端執行器提高采摘效率具有現實意義。本文對采摘對象蘋果的基礎物理特性、力學特性和其他特性進行研究分析，提出一種基于氣壓傳動末端執行器的結構設計。在此基礎上，探索更加優化的采摘方式和結構是今后的研究方向。

參考文獻：

[1]李建偉，陳艷艷.蘋果采摘機器人末端執行器的原理及試驗研究[J].農機化研究，2017，39（09）：139-142.

[2]喬海龍，李衛國，王利利.基于TRIZ理論的蘋果采摘機器人末端執行器的設計[J].機電信息，2016（09）：113+115.

[3]全朋坤，等.蘋果成熟季樹枝力學綜合應力研究[J].科技創新與應用，2016（21）：17-18.

[4]楊文亮，等.基于氣壓驅動的球狀果實采摘機器人末端執行器研制[J].農機化研究，2019，41（11）：149-154.

[5]近藤直.農業機器人[M].北京：中國農業大學出版社，2009.