獼猴桃采摘機械手末端執行機構的設計

　　摘要：設計一種針對早期獼猴桃果實較硬時采摘的末端執行機構，分析獼猴桃采摘機械手末端執行機構在運動、抓取、采摘等方面的性能和技術指標。獼猴桃在采摘時被紙袋包裹，在保證夾取果實而不被壓壞的最小壓力下減少果實的磨損，該機械采摘末端執行機構采用旋轉加拉扯共同作用，可實現獼猴桃采摘的徹底性。

　　關鍵詞：獼猴桃;機械手;末端執行機構;設計

　　隨著科技的發展，機械采摘方面也在不斷發展，水果采摘機械手也在廣泛使用中，不同呆蔬的生長特點和采摘要求不同，采摘的方式也不同，在末端執行機構上也存在差異[1。1。現階段獼猴桃多采用棚架式結構栽培，生長環境標準，果實垂直于藤蔓上面，底部空間較大，不受枝干、樹葉、果實等干擾，有利于采摘動作的實施臥_5]。采摘末端執行器從果實兩側抓取，左右翻轉實現果柄分離，但是并沒有利用好下方空間，也沒有考慮對相鄰果實的影響;劉繼展等嘲對番茄果柄折斷特性進行了研究，為果實采摘提供了依據;凌行方L73研究的“一種果品采摘機械手”采用鉗刀剪切進行果實摘取，但存在實際操作困難，刀片容易損傷果實表皮的問題。

　　從目前對獼猴桃采摘機器人的研究來看，果柄分離裝置主要有2種：①采用切斷方式，即利用切刀將獼猴桃果柄直接切斷，這種方式需要對切斷點進行精準的定位，同時機械手腕還需要有足夠靈活的自由度進行調節，該方法能夠提高采摘的效率，但采摘風險大，控制不精準;②利用機械手的連桿機構控制機械手旋轉，通過扭力實現果柄分離，避免了剪切時錯位對果實的影響，機械式結構控制簡單。為了實現獼猴桃在采摘過程中減小果實損傷，以及提高抓取的穩定性，本研究設計的獼猴桃采摘機械手末端執行機構是一種能夠適應獼猴桃生長環境、枝條結構進行抓取和采摘的末端執行機構。機械采摘末端執行機構充分利用棚架底部的富余空間，采用鉗式組合、四指抓取，在機械手指表面貼附有壓力傳感器，從下方接近果實，四指包絡抓取果實中部。通過末端執行機構旋轉，使獼猴桃果實與果柄快速分離。

　　1獼猴桃采摘機械手末端執行機構的設計方案

　　1.1設計要求

　　本裝置針對獼猴桃進行采摘，普通果實的大小一般為長6cm，寬3cm[8]，在采摘過程中，針對果實規格的差異，要保證有足夠大的力夾緊果實以及在抓取過程中不至于從旁邊漏出，要求機械手指同步運動，采用四指抓取;在果柄分離時需要保證抓取的力不能太小，保證在旋轉過程中果實不隨手指相對滑動，同時夾取力不能過大而損傷果實，采用上下抓取方式，結果表明果實近似球形，球度為o.84，果實損傷壓力不宜大于15N(對應弧形壓頭的壓強為18.75kPa)，果實采摘過程中最大壓力6.35N，對應壓強為12.53kPa，才能保證獼猴桃果實的無損采摘[911…。另外，采摘機械手末端執行機構還需滿足結構簡單、體積小巧、操作方便等要求n1_”]。

　　1.2末端執行機構總體結構設計

　　設計的獼猴桃采摘機械手末端執行機構由夾持裝置、自由伸縮裝置、旋轉裝置、傳感器及控制裝置和驅動電機等組成。獼猴桃機械采摘末端執行機構的夾持裝置設計需要有效地夾住獼猴桃的外圍，并盡量保證受力均勻且不至于滑落。夾取裝置的運動主要通過絲杠電機提供動力，其前端的工作手指分別安裝在由2根桿件鉸接與固定的四角裝置上，電機的轉動實現耳片的上下運動，實現手指的張開與收緊。四角裝置的直徑為60mm，抓取手指帶有一定的弧度，能更好地與獼猴桃外表面貼合，同時手指的內側貼有壓力傳感器，當壓力達到預設值時電機停止工作，以防止抓取壓力過大壓傷果實。

　　針對以上2種獼猴桃采摘果柄分離方式存在的弊端，在原有的通過機械手旋轉，利用扭力實現果柄分離的基礎上進行改進。果柄分離裝置是將驅動手指的電機嵌入一殼體中，與此構成一個整體，再通過伺服電機帶動殼體旋轉，從而帶動夾持裝置整體旋轉，實現獼猴桃果實與果柄相對轉動，使果柄分離。其次，末端執行機構變的較細長，整體結構的最大寬度為9.75cm，更好地適應了獼猴桃果實生長密集特性下的采摘。

　　1.3獼猴桃采摘機械手末端執行機構工作原理

　　獼猴桃采摘機械手末端執行機構采摘流程。工作時，通過采摘手末端的圖像識別技術確定獼猴桃果實所在位置，絲杠電機7通過旋轉使連接件6做上下運動，從而驅動采摘手指l的張開，接觸獼猴桃果實后絲杠電機開始反向旋轉，手指開始夾緊果實。為了實現獼猴桃果實采摘過程中減少磨損，在4個手指的內表面貼附貼片式壓力傳感器，控制夾持裝置夾取獼猴桃時的壓力，避免獼猴桃在采摘過程中對其外表及內部結構造成刮傷和夾傷，當夾取壓力達到設定的壓力值時電機停止運轉，不再繼續夾緊果實。此時旋轉電機8開始運轉，電機7安裝在電機殼3中，旋轉電機帶動整個夾持裝置做旋轉運動，電機8旋轉一定角度后果柄已基本分離，再由機械臂向下拉扯，從而實現采摘的徹底性。

　　2獼猴桃采摘機械手末端執行機構的運動分析

　　2.1末端執行機構運動的理論分析

　　獼猴桃采摘機械手末端執行機構四指的運動依靠絲杠電機轉動帶動連接件6上下運動，從而實現四指的運動，機械手指中的各桿件繞著各鉸接點做不完整圓周運動。末端執行機構手指內表面貼附壓力傳感器，保證抓取時有足夠的抓取力，在抓取和扭轉時不至于產生滑動摩擦，而且壓力小于果實破壞時最小壓力，若沒有這個條件將很難保證獼猴桃果實采摘時的精度。

　　3獼猴桃采摘機械手末端執行機構末端執

　　行機械的受力分析普通獼猴桃的單果質量在80～100g，手指的加載力為7N，對果實進行抓取受力模擬仿真分析。獼猴桃果實表面所受到的最大壓力小于不受損時的壓力12.53kPa，四指抓取滿足無損采摘的要求。

　　4結論

　　本研究設計的～種針對獼猴桃采摘的末端執行機構采用四指抓取減少了夾取過程中果實側漏、滑落的情況，通過在機械手指的內表面貼附壓力傳感器，減少了果實在采摘過程中的磨損。對機械結構的簡化，降低了控制模塊的復雜性，使制作成本也大幅度降低。采用旋轉加拉扯共同作用，旋轉使得果柄與果實的連接處出現扭轉變形而松動，加之向下拉扯力的作用使果柄與果實分離，從而有效地實現了獼猴桃采摘的徹底性，也為其他水果的機械采摘提供了參考依據。本設計仍存在一些不足之處，由于獼猴桃為藤蔓植物，在設計時沒有考慮到果實在采摘時的柔性變形，如果從農藝方面人手，改變枝條在棚架上的狀態，可以很好地解決這個問題。

　　參考文獻

　　[1]張俊雄，何芬.設施農業采摘機器人研究進展口].當代農機，2016(1)：22—24.

　　[2]高號，王虎，陳軍.獼猴桃采摘機器人的研究與設計1,J1.農機化研究，2013(2)：73—76.

　　[3]胡志勇，張學煒，張偉，等.西瓜采摘末端執行器夾持力精確控制[J].農業工程學報，2014，30(17)：43—49.

　　[4]張云賢.獼猴桃T形小棚架栽培技術[J].農技服務，2016，33(2)：205，216.

　　[5]陳軍，王虎，蔣浩然，等.獼猴桃采摘機器人末端執行器設計口].農業機械學報，2012，43(10)：151—154，199.

　　農藝師論文投稿刊物：《當代農機》扎根農村，面向農業，立足農機，服務農民，以介紹農機法規、培訓技術人才、傳遞科技信息、交流致富經驗為宗旨，以廣大的拖拉機和農用運輸車駕駛員、農機具操作手、農業機械生產經營企業和基層農機工作者為最佳讀者群，以圍繞農機管理、經營、使用提供信息、傳授技術、交流經驗、普及知識為主要內容。

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