果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)組成現(xiàn)狀分析[18頁]

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1、采摘機機器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀分析 末端執(zhí)行器是果蔬采摘機器人的另一重要部件，它的設(shè)計通常被認為是機器人的核心技術(shù)之一。一般果蔬的外表比較脆弱，它的形狀及生長狀況通常復(fù)雜。在機器人采摘過程中果蔬外表發(fā)生損傷的原因主要有：①果蔬位置識別或機械臂控制規(guī)劃有誤，導(dǎo)致末端執(zhí)行器劃傷或刺傷果蔬外表；②末端執(zhí)行器夾持或抓取力過大，壓傷果蔬外表；③末端執(zhí)行器抓持不穩(wěn)定導(dǎo)致果蔬掉落，與地面或其他堅硬物體接觸而碰上外表。 作為采摘機器人的執(zhí)行裝置，末端執(zhí)行器應(yīng)根據(jù)不同果蔬果實的生物、機械特性及栽培方式，采取不同的專用機構(gòu)以提高采摘的成功率并減小對果蔬的損傷為主要目標。一般集成兩項功能：①檢測果實的位姿，為執(zhí)行

2、機構(gòu)提供導(dǎo)航信息；②以適當力度夾持果實或果梗并剪切果柄，完成采摘動作。在動作上通常包括獲取果實和果實與植株分離兩部分。為了安全與高效的完成采摘動作，末端執(zhí)行器還可能加入吸盤、推桿等附加機構(gòu)以及各類傳感器以完成準確采摘并減小損傷。 1.獲取方式 獲取和分離果實是采摘機器人末端執(zhí)行器必須實現(xiàn)的兩大關(guān)鍵動作，即首先通過抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實，再通過扭斷、剪切等不同方法完成果實與果梗的分離。從目前發(fā)表的文獻來看，獲取果實的方式主要歸為非夾持類和夾持類兩種。分離果實與果梗的方式有傳統(tǒng)的扭斷、折斷、拉斷以及通過剪刀或切刀進行切斷，還有新式的熱切割方法等。 1.1.直接切斷式 這類末端執(zhí)

3、行器一般都是直接剪斷果梗，由于其本身不能實現(xiàn)果實的回收，因此剪掉的果實直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本開發(fā)的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器、茄子采摘末端執(zhí)行器、番茄采摘末端執(zhí)行器、美國柑橘采摘末端執(zhí)行器均為此類結(jié)構(gòu)，如下圖所示。 1甜椒采摘末端執(zhí)行器 2茄子采摘末端執(zhí)行器 3番茄采摘末端執(zhí)行器 這類末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)更能較為簡單，適用于植株冠層內(nèi)枝葉較稀疏，且果實具有一定抗沖擊能力的果蔬。對于果梗較短的植株，往往造成無法剪切或碰上果實的現(xiàn)象，對于冠層空間比較復(fù)雜的植株，果實下落過程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影響果實的回收。 1.2 吸入式 這類非夾持類末

4、端執(zhí)行器主要是通過真空系統(tǒng)將果實吸入末端執(zhí)行器內(nèi)，再通過切斷、扭斷等方式分離果實和果梗。 如圖4所示的柑橘采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖，由真空吸盤先吸持住果實向后拉動，同時末端執(zhí)行器的彈性蓋板向前移動，使果實進入籠體內(nèi)，然后蓋板收縮進而保住果實，隨后一對割刀合攏切斷果梗。 4 柑橘采摘末端執(zhí)行器 如圖5（a）所示比利時開發(fā)的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器，設(shè)計成漏斗的形狀，漏斗內(nèi)安置攝像機，當有果實進入手爪范圍的時候，真空吸引器打開將果實吸入，再通過旋轉(zhuǎn)扭斷果梗將果實采摘下來。圖5（b）所示英國開發(fā)的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器，由一截管道、兩個內(nèi)置圓環(huán)和兩個彈簧蓋組成，該末端執(zhí)行器獲取果實的原理也是

5、吸入+扭斷式，當蘋果的位置信息傳來之后，真空系統(tǒng)將果實吸入，再扭斷果梗采摘下蘋果。 （a） （b） 圖5 蘋果采摘末端執(zhí)行器 還有吸入+勾取的方式來獲取果實等等。吸入式的末端執(zhí)行器硬件設(shè)計簡單，工作原理類似，對于果實嬌嫩、果梗柔弱細長的草莓等果實，采取吸入加勾取比夾持的獲取方式更可行，但這類末端執(zhí)行器對果實個體尺寸差異適應(yīng)能力較差動作速度較慢，穩(wěn)定性不高，而且相鄰的未成熟的果實也容易被一同吸入和采摘下來。 1.3 夾持類 這類末端執(zhí)行器其夾持器通常由帶有真空吸引器和數(shù)目不等的手指構(gòu)成。按手爪的個數(shù)可分為兩指和多指型，

6、目前大多數(shù)果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器為兩指，也有一些三指和四指的末端執(zhí)行器，用于外形不規(guī)則或較大的果實。因此，一般情況下，對于形狀較為規(guī)格，尺寸和質(zhì)量部太大的果實，應(yīng)首選較少手指進行抓持。 1.3.1 兩指夾持 如圖6所示，日本東京大學喬?。↗un Qiao）等人開發(fā)設(shè)計的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器具有兩個瘦長形的手指，長度為160mm，厚度和寬度分別只有1mm和10mm。兩個手指組成的 手爪抓住果柄的過程由依靠一個凸輪的瞬時針旋轉(zhuǎn)運動進行張開和夾緊動作，凸輪的旋轉(zhuǎn)運動由一個步進電機進行驅(qū)動，凸輪為橢圓形，旋轉(zhuǎn)90度后手爪就完成一次張開或夾緊的過程。 圖6 日本的

7、甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器 .中國農(nóng)業(yè)大學張凱良等人設(shè)計了草莓采摘機器人，其機械原理如圖7所示，該末端執(zhí)行器的夾持機構(gòu)主要有機械爪及其附屬部件構(gòu)成。絲杠與內(nèi)螺紋管通過螺紋連接，由電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，從而螺紋管進行前后運動，進而帶動兩根手指做閉合或張開動作，完成對果實的獲取。在兩手指的內(nèi)側(cè)上裝有橡膠墊，增加了緩沖，可使末端執(zhí)行器更可靠地夾持，同時，在靠近手指根部的位置安裝了一對間距可調(diào)的機械觸點，作為機械爪夾持力度的反饋裝置?？梢?，該末端執(zhí)行器的夾持裝置獲取果實的精確性、可靠性以及對果實的保護程度明顯要好于日本的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器。 1.手指 2.內(nèi)螺紋管 3.絲杠 4.電機 圖7

8、機械爪機構(gòu)示意圖 劉繼展等研制了番茄采摘機器人末端執(zhí)行器（圖8），由于番茄的成串生長增加了真空吸盤裝置，避免了采摘時將相鄰的未成熟果實一同夾持。真空吸盤裝置由真空發(fā)生設(shè)備、真空檢測控制元件、吸盤和連接附件組成。采用小型壓縮氣罐為氣源，采用適應(yīng)曲面及不平整工件、具有良好緩沖性能的真空波紋吸盤由真空軟管、接頭等附件連接組成末端執(zhí)行器的真空系統(tǒng)。真空波紋吸盤固定于齒輪的前端，通過齒輪齒條傳動帶動吸盤前進和后退，并與真空系統(tǒng)相配合，完成吸住并拉動果實的任務(wù)。 采用兩指夾持機構(gòu)，如圖9所示，手指指面設(shè)計成圓弧并貼有5mm厚的橡膠，增強了夾持的可靠性。手指夾持機構(gòu)由直流伺服電機驅(qū)動，通過錐齒輪的傳動，

9、帶動具有左旋和右旋兩段螺紋的雙向螺桿傳動，使與之組成螺旋副的兩手指產(chǎn)生平行相對運動，從而合攏或松開，完成對番茄果實的夾持。 1.手指 2.真空波紋吸盤 3.雙向螺桿4、8、11.直流伺服電動機 5.激光聚焦透鏡 6.齒條 7.外殼 9、10.錐齒輪 12.齒輪 圖8 番茄采摘機器人末端執(zhí)行器主體結(jié)構(gòu)示意圖 圖9 手指尺寸及吸盤行程 馬履中等研制的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器的夾持機構(gòu)如圖10所示，氣缸的活塞桿通過銷軸與兩手指后端滑槽的高副連接，最終把導(dǎo)桿的直線運動轉(zhuǎn)化成兩手指繞轉(zhuǎn)軸的擺動，從而組成滑槽導(dǎo)桿機構(gòu)，實現(xiàn)對果實的夾持。手指圓弧面內(nèi)側(cè)設(shè)計覆蓋了海綿橡膠層，這樣可以保證在

10、抓取過程中抓取力分布均勻，增大手指與蘋果的摩擦力，可以減少夾持時對蘋果的損傷，但海綿彈性系數(shù)過小，受很小的力就會產(chǎn)生過大的壓縮變形，不能起到很好保護果實的作用。 1.薄型氣缸 2.支架 3.活塞桿 4.導(dǎo)桿 5.銷軸 6.轉(zhuǎn)軸 7.手指 8.海綿材料 9.橡膠材料 10.滑槽 圖10 蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器夾持機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 1.3.2 多指夾持類 手指的數(shù)目越少，夾持的穩(wěn)定性越差，多指的末端執(zhí)行器雖然夾持更為穩(wěn)定可靠，但機構(gòu)和控制的復(fù)雜性大大增加，同時在采摘過程中與果梗、枝葉的干涉現(xiàn)象也會隨之增多。 如圖11所示的茄子采摘機器人末端執(zhí)行器抓取機構(gòu)簡圖，該抓取機構(gòu)

11、由4根夾持手指（直徑4mm的鋼絲，可以形變，手指外包有1cm厚的海綿）、2個滑軌（每個滑軌的一端固定在機械手本體上，另一端固定在夾持手指上）和雙向絲杠（帶螺母，每個螺母分別與夾持手指固定）組成。 4根夾持手指兩兩相對（圖中僅能看到兩個），左面的兩個連在同一滑軌上，并與雙向絲桿的左螺母固定；右面的兩個連在同一滑軌上，并與雙向絲桿的右螺母固定。通過電機帶動雙向絲杠，使左右兩個滑軌相向而行。蝸輪蝸桿的傳動比是1:10，電機正向轉(zhuǎn)動時，雙向絲杠的兩個螺母沿相向方向運動，運動速度為電機的1/10。當螺母運動到定位果實的位置時，完成夾持動作。而且，雙向絲杠的中間部分無螺紋結(jié)構(gòu)，于是，夾持手指的預(yù)緊力可以

12、夾持到設(shè)定的最小的茄子果實，以后絲杠轉(zhuǎn)動而螺母原地不動；當兩個螺母在連在其之間的回位彈簧張力的作用下，螺母向相反的方向運動隨雙向絲杠的轉(zhuǎn)動，螺母重新回到絲杠的螺紋上，沿著螺紋向兩邊運動，從而完成松開夾持的果實的動作。 該末端執(zhí)行器收獲茄子的范圍僅是3～6.5cm，作業(yè)時很容易造成遺漏掉果實，當松開夾持的果實時，回位彈簧降低了執(zhí)行器的整體穩(wěn)定。 1.滑軌 2.夾持手指 3.絲杠上的螺母 4.末端執(zhí)行器外壁 5.雙向絲杠 6.蝸桿 7.蝸輪 8.電機軸 9.回位彈簧 圖11 末端執(zhí)行器抓取機構(gòu)簡圖 居洪玲、姬長英設(shè)計了一種多用途的末端執(zhí)行器（圖12），不僅能收獲蘋果和梨

13、，其他生長類似的果實也可以一同收獲。含有三個機械爪，如圖13所示。此末端執(zhí)行器的抓取機構(gòu)主要由3個機械爪（寬25mm，長75mm的鋼板，外包有彈性材料）、直線滑軌和止動塊組成。電機反轉(zhuǎn)帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪帶動齒條，將轉(zhuǎn)動化為平動，進而通過連接桿帶動機械爪向里運動，實現(xiàn)對果實的抓取采摘。水果的直徑是20～90mm。 3個機械爪分布在3600的圓周上，用螺絲與連接桿固定在一起，連接桿安裝在齒條上，齒條安裝在直線滑軌上?；墐蓚?cè)用止動塊限制運動界限，從而控制手爪的抓取范圍。 彈性材料的變形適應(yīng)能力，可以避免快速抓取帶來的損害，還能依據(jù)果實的外形包裹果實，防止果實脫落。 1.機械爪 2 彈性材

14、料 3 傳感器 4 上護蓋 5 齒條 6 止動塊 7直線滑軌 8 支撐套 9 定外環(huán) 10 電磁離合器 11 聯(lián)軸器 12 座架 14 電機 15電磁離合器 16 轉(zhuǎn)盤 17 墊腳 18 連接桿 19 齒輪 20 傳動軸 圖12 末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu) 1.機械爪 2.彈性材料硅膠 3.連接桿 4.止動塊 5.滑軌 6.轉(zhuǎn)盤.7.齒條 8.齒輪 圖13 末端執(zhí)行器的抓取機構(gòu) 美國研制了研究員提出了一種西紅柿采摘機器人，該機器人末端執(zhí)行器采用了真空吸盤+四指機械爪，真空吸盤本身具備抓取功能，四個夾持手指對稱分布，使用塑料質(zhì)地代替尼龍材料，減小了夾持時的側(cè)向運動，通過線纜連接

15、起來共同驅(qū)動，可以更穩(wěn)定的抓持住果實。如圖14所示，這種柔性手指彎曲曲線平滑，具有一定的補償能力，能夠很好適應(yīng)果實的大小差異。但該柔性手指由一個動力驅(qū)動4個手指的所有關(guān)節(jié)，屬于高度欠驅(qū)動機構(gòu)，當遇到枝葉稠密等障礙物時，手指容易發(fā)生彎曲，易造成果實抓取的失敗。 圖14 美國的西紅柿采摘機器人末端執(zhí)行器 2.分離方式 無論夾持類和非夾持類采摘機器人末端執(zhí)行器，都需要通過一定的方式完成果梗的切斷或果梗與果實的分離，才能最終實現(xiàn)采摘果實。現(xiàn)有的采摘機器人末端執(zhí)行器研究成果來看，多采用扭斷、折斷或剪切的分離方式，一些末端執(zhí)行器對新的切割原理進行了嘗試。 2.1 扭斷、折斷、拉斷

16、扭斷是利用手腕的旋轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在執(zhí)行器抓牢果實后擰斷果柄，需要多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開果梗，末端執(zhí)行器需要較大的工作空間，這樣就難于避障。這種方式對于果柄易斷的果蔬較為實用，如番茄的采摘，但對于果柄柔韌性較高的果蔬則采摘成功率較低。而且無論扭斷、折斷或拉斷都只適用于果實被充分夾持的情況下，其優(yōu)點是無需再附加另外的分離裝置和動力，但這就要求末端執(zhí)行器的夾持機構(gòu)夾持果實要足夠可靠，對果實提供充分的作用力，又不能造成對果實的損傷，這樣夾持器對果實的夾持力要有較高的控制。同時，還要根據(jù)采摘對象的果梗力學特性驚醒不同方式的選擇和實驗，否則難以達到預(yù)期的效果。 2.2剪切 相當部分的采摘機器人末端執(zhí)行器安

17、裝了剪刀或切刀裝置，用來切斷果梗實現(xiàn)果實、果梗分離。 如圖15所示馬履中等人研制的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器的切割裝置示意圖，切割裝置采用直流電機作為動力源，利用軟管鋼絲傳動，驅(qū)動刀片繞手指外廓做近一周的旋轉(zhuǎn)，以切割位于手指周向上任意位置的蘋果柄。這樣省掉了檢測果柄方位和調(diào)整末端執(zhí)行器位姿的復(fù)雜過程,提高了采摘效率。同時，刀片設(shè)計成楔形，使得在切割過程中果柄與刀刃有滑動，更易切斷果柄，保證了采摘的成功率。但刀片的旋轉(zhuǎn)很難保證不對周圍的果實或植物進行傷害。 1 直流電機 2 微型蝸輪蝸桿減速器 3 鋼絲繞盤 4 鋼絲 5 下軟管架 6 彈性軟管 7 上軟管架 8 刀架 9 刀架轉(zhuǎn)輪

18、10 轉(zhuǎn)盤軸 11 契形刀片 圖 15 切割裝置示意圖 如圖16所示的茄子采摘機器人末端執(zhí)行器的切割機構(gòu)簡圖，該部分主要由三角傳動支架、刀架、刀架導(dǎo)向桿(內(nèi)有導(dǎo)向槽)和鋸齒輪盤切刀組成。三角傳動支架的后端移動端固定在雙向絲杠移動的螺母上，前端同刀架固定在一起。刀架的后端鉸接在電機軸上，前端固定在三角傳動支架上，隨三角傳動支架移動可沿導(dǎo)向桿前后往復(fù)運動。隨著電機轉(zhuǎn)動帶動夾持動作的進行，雙向螺母向中間運動,三角傳動支架頂點前伸，帶刀架在導(dǎo)向槽內(nèi)前進，從而使得鋸齒輪盤切刀前進，完成切割。 1 刀架轉(zhuǎn)向桿 2 據(jù)齒輪盤切刀 刀架 4 三角傳動支架 5 同步帶 6 同步帶輪 7 滑

19、軌 8 和絲杠配合的螺母 9蝸輪 10雙向螺旋絲杠 11 蝸桿 12 電機軸 圖 16 末端執(zhí)行器切割機構(gòu)簡圖（俯視） 利用切刀直接切斷果柄。這種方法可適用于夾持類和非夾持類各種類型末端執(zhí)行器，適用范圍較廣。首先剪刀必須能夠直接接觸到果梗，對果柄的方位要做出精確的檢測，手腕要有必要的自由度，才能準確地切斷果柄。同時其要求配置相應(yīng)的傳動、執(zhí)行機構(gòu)和動力，造成末端執(zhí)行器裝置的復(fù)雜、體積和質(zhì)量的加大，增加了機器人結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性，成本較高，這往往成為其走向?qū)嵱没囊淮笳系K。而剪切還可能由于剪刀的重復(fù)使用而造成植株間病菌的相互傳染，切口還會導(dǎo)致果實水分的流失。 2.3 熱切割 荷蘭瓦寧根大學

20、開發(fā)的黃瓜采摘機器人末端執(zhí)行器，改變了傳統(tǒng)的果梗分離方法，采用兩個相對的熱電極，當兩電極與果梗接觸時產(chǎn)生高頻電流，果梗的高含水率使之迅速產(chǎn)生高溫而將果梗“切”斷。這種方式避免了病菌的相互傳染和水分流失問題，但是這種方式要求兩電極必須與果?？煽拷佑|，同樣受到果梗長度和植株冠層空間的限制，對于常規(guī)栽培方式和品種的番茄，這種方式同剪刀剪切方式都難以達到滿意的效果。 2.4 激光切斷 圖17所示的果梗切斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖，通過非接觸式的激光切斷果梗，降低了機器人末端執(zhí)行器裝置的復(fù)雜性和對夾緊力控制精度的要求。 果梗激光切斷裝置由激光發(fā)生控制單元和果梗聚焦切斷單元組成。其中激光發(fā)生控制單元由尺寸僅為

21、92 mm86 mm20 mm的小型30W高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器和保護控制電路組成,保護控制電路對激光器進行直流供電和穩(wěn)壓保護，通過并聯(lián)的可變電阻調(diào)節(jié)激光器供電電流。果梗聚焦切斷單元由聚焦透鏡、直流伺服電動機、聯(lián)接與支承部件組成。激光器通過標準的SMA905型光纖連接頭與聚焦透鏡聯(lián)接。作業(yè)時由固定于機械手上的雙目視覺系統(tǒng)與末端執(zhí)行器上的距離傳感器相配合，以進行果梗的精確定位；通過直流伺服電動機帶動聚焦透鏡轉(zhuǎn)動，使透鏡對準果梗；由電磁閥控制激光器打開，激光束聚焦于果梗上(焦距為50 mm)將其切斷。聚焦透鏡的傾角可以進行調(diào)整，以滿足不同品種果實的梗長需要。 1 聚焦透鏡 2 固定環(huán) 3 直推軸承 4 直流伺服電動機 5 光纖 6 電壓表 7 時間繼電器 8 可變電阻 9 電流表 10 電源開關(guān) 11 鋰電池組 圖 17 果梗切斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖 如圖18所示的草莓采摘機器人切割器剪切果柄示意圖，該切割裝置采用了低壓直流電熱切割的方法，通過在鎳鉻電熱絲兩端加載低壓直流電，其產(chǎn)生的高溫可在短時間內(nèi)將草莓果柄燒斷。 圖 18 電熱切割器剪切果柄 電熱切割法的優(yōu)勢在于：一是切口處的病毒在高溫環(huán)境下被殺滅，可有效防止病害傳播；二是果柄切口處因高溫被封閉，可有效防止水分流失,延長果實的保鮮時間。