果蔬采摘机器人末端执行器的结构组成现状分析

采摘机机器末端执行器研究现状分析

末端执行器是果蔬采摘机器人的另一重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术之一。一般果蔬的外表比较脆弱，它的形状及生长状况通常复杂。在机器人采摘过程中果蔬外表发生损伤的原因主要有：①果蔬位置识别或机械臂控制规划有误，导致末端执行器划伤或刺伤果蔬外表；②末端执行器夹持或抓取力过大，压伤果蔬外表；③末端执行器抓持不稳定导致果蔬掉落，与地面或其他坚硬物体接触而碰上外表。

作为采摘机器人的执行装置，末端执行器应根据不同果蔬果实的生物、机械特性及栽培方式，采取不同的专用机构以提高采摘的成功率并减小对果蔬的损伤为主要目标。一般集成两项功能：①检测果实的位姿，为执行机构提供导航信息；②以适当力度夹持果实或果梗并剪切果柄，完成采摘动作。在动作上通常包括获取果实和果实与植株分离两部分。为了安全与高效的完成采摘动作，末端执行器还可能加入吸盘、推杆等附加机构以及各类传感器以完成准确采摘并减小损伤。 1.获取方式

获取和分离果实是采摘机器人末端执行器必须实现的两大关键动作，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法完成果实与果梗的分离。从目前发表的文献来看，获取果实的方式主要归为非夹持类和夹持类两种。分离果实与果梗的方式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪刀或切刀进行切断，还有新式的热切割方法等。

1.1.直接切断式

这类末端执行器一般都是直接剪断果梗，由于其本身不能实现果实的回收，因此剪掉的果实直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器、茄子采摘末端执行器、番茄采摘末端执行器、美国柑橘采摘末端执行器均为此类结构，如下图所示。

1甜椒采摘末端执行器

2茄子采摘末端执行器

3番茄采摘末端执行器

这类末端执行器的结构更能较为简单，适用于植株冠层内枝叶较稀疏，且果实具有一定抗冲击能力的果蔬。对于果梗较短的植株，往往造成无法剪切或碰上果实的现象，对于冠层空间比较复杂的植株，果实下落过程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影响果实的回收。 1.2 吸入式

这类非夹持类末端执行器主要是通过真空系统将果实吸入末端执行器内，再通过切断、扭断等方式分离果实和果梗。

如图4所示的柑橘采摘末端执行器结构图，由真空吸盘先吸持住果实向后拉动，同时末端执行器的弹性盖板向前移动，使果实进入笼体内，然后盖板收缩进而保住果实，随后一对割刀合拢切断果梗。

4 柑橘采摘末端执行器

如图5（a）所示比利时开发的苹果采摘机器人末端执行器，设计成漏斗的形状，漏斗内安置摄像机，当有果实进入手爪范围的时候，真空吸引器打开将果实吸入，再通过旋转扭断果梗将果实采摘下来。图5（b）所示英国开发的苹果采摘机器人末端执行器，由一截管道、两个内置圆环和两个弹簧盖组成，该末端执行器获取果实的原理也是吸入+扭断式，当苹果的位置信息传来之后，真空系统将果实吸入，再扭断果梗采摘下苹果。

（a） （b）

图5 苹果采摘末端执行器

还有吸入+勾取的方式来获取果实等等。吸入式的末端执行器硬件设计简单，工作原理类似，对于果实娇嫩、果梗柔弱细长的草莓等果实，采取吸入加勾取比夹持的获取方式更可行，但这类末端执行器对果实个体尺寸差异适应能力较差动作速度较慢，稳定性不高，而且相邻的未成熟的果实也容易被一同吸入和采摘下来。 1.3 夹持类

这类末端执行器其夹持器通常由带有真空吸引器和数目不等的

手指构成。按手爪的个数可分为两指和多指型，目前大多数果蔬采摘机器人末端执行器为两指，也有一些三指和四指的末端执行器，用于外形不规则或较大的果实。因此，一般情况下，对于形状较为规格，尺寸和质量部太大的果实，应首选较少手指进行抓持。 1.3.1 两指夹持

如图6所示，日本东京大学乔俊（Jun Qiao）等人开发设计的甜椒采摘机器人末端执行器，该末端执行器具有两个瘦长形的手指，长度为160mm，厚度和宽度分别只有1mm和10mm。两个手指组成的 手爪抓住果柄的过程由依靠一个凸轮的瞬时针旋转运动进行张开和夹紧动作，凸轮的旋转运动由一个步进电机进行驱动，凸轮为椭圆形，旋转90度后手爪就完成一次张开或夹紧的过程。

图6 日本的甜椒采摘机器人末端执行器

.中国农业大学张凯良等人设计了草莓采摘机器人，其机械原理如图7所示，该末端执行器的夹持机构主要有机械爪及其附属部件构成。丝杠与内螺纹管通过螺纹连接，由电机带动丝杠旋转，从而螺纹管进行前后运动，进而带动两根手指做闭合或张开动作，完成对果实的获取。在两手指的内侧上装有橡胶垫，增加了缓冲，可使末端执行

器更可靠地夹持，同时，在靠近手指根部的位置安装了一对间距可调的机械触点，作为机械爪夹持力度的反馈装置。可见，该末端执行器的夹持装置获取果实的精确性、可靠性以及对果实的保护程度明显要好于日本的甜椒采摘机器人末端执行器。

1.手指 2.内螺纹管 3.丝杠 4.电机

图7 机械爪机构示意图

刘继展等研制了番茄采摘机器人末端执行器（图8），由于番茄的成串生长增加了真空吸盘装置，避免了采摘时将相邻的未成熟果实一同夹持。真空吸盘装置由真空发生设备、真空检测控制元件、吸盘和连接附件组成。采用小型压缩气罐为气源，采用适应曲面及不平整工件、具有良好缓冲性能的真空波纹吸盘由真空软管、接头等附件连接组成末端执行器的真空系统。真空波纹吸盘固定于齿轮的前端，通过齿轮齿条传动带动吸盘前进和后退，并与真空系统相配合，完成吸住并拉动果实的任务。

采用两指夹持机构，如图9所示，手指指面设计成圆弧并贴有5mm厚的橡胶，增强了夹持的可靠性。手指夹持机构由直流伺服电机驱动，通过锥齿轮的传动，带动具有左旋和右旋两段螺纹的双向螺杆传动，使与之组成螺旋副的两手指产生平行相对运动，从而合拢或

松开，完成对番茄果实的夹持。

1.手指 2.真空波纹吸盘 3.双向螺杆4、8、11.直流伺服电动机 5.激光聚焦透镜 6.齿条 7.外壳 9、10.锥齿轮 12.齿轮

图8 番茄采摘机器人末端执行器主体结构示意图

图9 手指尺寸及吸盘行程

马履中等研制的苹果采摘机器人末端执行器的夹持机构如图10所示，气缸的活塞杆通过销轴与两手指后端滑槽的高副连接，最终把导杆的直线运动转化成两手指绕转轴的摆动，从而组成滑槽导杆机构，

实现对果实的夹持。手指圆弧面内侧设计覆盖了海绵橡胶层，这样可以保证在抓取过程中抓取力分布均匀，增大手指与苹果的摩擦力，可以减少夹持时对苹果的损伤，但海绵弹性系数过小，受很小的力就会产生过大的压缩变形，不能起到很好保护果实的作用。

1.薄型气缸 2.支架 3.活塞杆 4.导杆 5.销轴 6.转轴 7.手指 8.海绵材料 9.橡胶材料 10.滑槽

图10 苹果采摘机器人末端执行器夹持机构结构示意图

1.3.2 多指夹持类

手指的数目越少，夹持的稳定性越差，多指的末端执行器虽然夹持更为稳定可靠，但机构和控制的复杂性大大增加，同时在采摘过程中与果梗、枝叶的干涉现象也会随之增多。

如图11所示的茄子采摘机器人末端执行器抓取机构简图，该抓取机构由4根夹持手指（直径4mm的钢丝，可以形变，手指外包有1cm厚的海绵）、2个滑轨（每个滑轨的一端固定在机械手本体上，另一端固定在夹持手指上）和双向丝杠（带螺母，每个螺母分别与夹

持手指固定）组成。

4根夹持手指两两相对（图中仅能看到两个），左面的两个连在同一滑轨上，并与双向丝杆的左螺母固定；右面的两个连在同一滑轨上，并与双向丝杆的右螺母固定。通过电机带动双向丝杠，使左右两个滑轨相向而行。蜗轮蜗杆的传动比是1:10，电机正向转动时，双向丝杠的两个螺母沿相向方向运动，运动速度为电机的1/10。当螺母运动到定位果实的位置时，完成夹持动作。而且，双向丝杠的中间部分无螺纹结构，于是，夹持手指的预紧力可以夹持到设定的最小的茄子果实，以后丝杠转动而螺母原地不动；当两个螺母在连在其之间的回位弹簧张力的作用下，螺母向相反的方向运动随双向丝杠的转动，螺母重新回到丝杠的螺纹上，沿着螺纹向两边运动，从而完成松开夹持的果实的动作。

该末端执行器收获茄子的范围仅是3～6.5cm，作业时很容易造成遗漏掉果实，当松开夹持的果实时，回位弹簧降低了执行器的整体稳定。

1.滑轨 2.夹持手指 3.丝杠上的螺母 4.末端执行器外壁 5.双向丝杠 6.蜗杆 7.蜗轮 8.电机轴 9.回位弹簧

图11 末端执行器抓取机构简图

居洪玲、姬长英设计了一种多用途的末端执行器（图12），不仅能收获苹果和梨，其他生长类似的果实也可以一同收获。含有三个机械爪，如图13所示。此末端执行器的抓取机构主要由3个机械爪（宽25mm，长75mm的钢板，外包有弹性材料）、直线滑轨和止动块组成。电机反转带动齿轮转动，齿轮带动齿条，将转动化为平动，进而通过连接杆带动机械爪向里运动，实现对果实的抓取采摘。水果的直径是20～90mm。

3个机械爪分布在3600的圆周上，用螺丝与连接杆固定在一起，连接杆安装在齿条上，齿条安装在直线滑轨上。滑轨两侧用止动块限制运动界限，从而控制手爪的抓取范围。

弹性材料的变形适应能力，可以避免快速抓取带来的损害，还能依据果实的外形包裹果实，防止果实脱落。

1.机械爪 2 弹性材料 3 传感器 4 上护盖 5 齿条 6 止动块

7直线滑轨 8 支撑套 9 定外环 10 电磁离合器 11 联轴器 12 座架 14 电机 15电磁离合器 16 转盘 17 垫脚 18 连接杆 19 齿轮 20 传动轴

图12 末端执行器的整体结构

1.机械爪 2.弹性材料硅胶 3.连接杆 4.止动块 5.滑轨 6.转盘.7.齿条 8.齿轮

图13 末端执行器的抓取机构

美国研制了研究员提出了一种西红柿采摘机器人，该机器人末端执行器采用了真空吸盘+四指机械爪，真空吸盘本身具备抓取功能，四个夹持手指对称分布，使用塑料质地代替尼龙材料，减小了夹持时的侧向运动，通过线缆连接起来共同驱动，可以更稳定的抓持住果实。如图14所示，这种柔性手指弯曲曲线平滑，具有一定的补偿能力，能够很好适应果实的大小差异。但该柔性手指由一个动力驱动4个手指的所有关节，属于高度欠驱动机构，当遇到枝叶稠密等障碍物时，

手指容易发生弯曲，易造成果实抓取的失败。

图14 美国的西红柿采摘机器人末端执行器

2.分离方式

无论夹持类和非夹持类采摘机器人末端执行器，都需要通过一定的方式完成果梗的切断或果梗与果实的分离，才能最终实现采摘果实。现有的采摘机器人末端执行器研究成果来看，多采用扭断、折断或剪切的分离方式，一些末端执行器对新的切割原理进行了尝试。 2.1 扭断、折断、拉断

扭断是利用手腕的旋转和周转关节在执行器抓牢果实后拧断果柄，需要多次往复扭转才能断开果梗，末端执行器需要较大的工作空间，这样就难于避障。这种方式对于果柄易断的果蔬较为实用，如番茄的采摘，但对于果柄柔韧性较高的果蔬则采摘成功率较低。而且无论扭断、折断或拉断都只适用于果实被充分夹持的情况下，其优点是无需再附加另外的分离装置和动力，但这就要求末端执行器的夹持机构夹持果实要足够可靠，对果实提供充分的作用力，又不能造成对果实的损伤，这样夹持器对果实的夹持力要有较高的控制。同时，还要根据采摘对象的果梗力学特性惊醒不同方式的选择和实验，否则难以

达到预期的效果。 2.2剪切

相当部分的采摘机器人末端执行器安装了剪刀或切刀装置，用来切断果梗实现果实、果梗分离。

如图15所示马履中等人研制的苹果采摘机器人末端执行器的切割装置示意图，切割装置采用直流电机作为动力源，利用软管钢丝传动，驱动刀片绕手指外廓做近一周的旋转，以切割位于手指周向上任意位置的苹果柄。这样省掉了检测果柄方位和调整末端执行器位姿的复杂过程,提高了采摘效率。同时，刀片设计成楔形，使得在切割过程中果柄与刀刃有滑动，更易切断果柄，保证了采摘的成功率。但刀片的旋转很难保证不对周围的果实或植物进行伤害。

1 直流电机 2 微型蜗轮蜗杆减速器 3 钢丝绕盘 4 钢丝 5 下软管架 6 弹性软管 7 上软管架 8 刀架 9 刀架转轮 10 转盘轴 11 契形刀片

图 15 切割装置示意图

如图16所示的茄子采摘机器人末端执行器的切割机构简图，该部分主要由三角传动支架、刀架、刀架导向杆(内有导向槽)和锯齿轮盘切刀组成。三角传动支架的后端移动端固定在双向丝杠移动的螺母上，前端同刀架固定在一起。刀架的后端铰接在电机轴上，前端固定在三角传动支架上，随三角传动支架移动可沿导向杆前后往复运动。随着电机转动带动夹持动作的进行，双向螺母向中间运动,三角传动支架顶点前伸，带刀架在导向槽内前进，从而使得锯齿轮盘切刀前进，完成切割。

1 刀架转向杆 2 据齿轮盘切刀 刀架 4 三角传动支架 5 同步带 6 同步带轮 7 滑轨 8 和丝杠配合的螺母 9蜗轮 10双向螺旋丝杠 11 蜗杆 12 电机轴

图 16 末端执行器切割机构简图（俯视）

利用切刀直接切断果柄。这种方法可适用于夹持类和非夹持类各种类型末端执行器，适用范围较广。首先剪刀必须能够直接接触到果梗，对果柄的方位要做出精确的检测，手腕要有必要的自由度，才能准确地切断果柄。同时其要求配置相应的传动、执行机构和动力，造成末端执行器装置的复杂、体积和质量的加大，增加了机器人结构和

控制的复杂性，成本较高，这往往成为其走向实用化的一大障碍。而剪切还可能由于剪刀的重复使用而造成植株间病菌的相互传染，切口还会导致果实水分的流失。 2.3 热切割

荷兰瓦宁根大学开发的黄瓜采摘机器人末端执行器，改变了传统的果梗分离方法，采用两个相对的热电极，当两电极与果梗接触时产生高频电流，果梗的高含水率使之迅速产生高温而将果梗“切”断。这种方式避免了病菌的相互传染和水分流失问题，但是这种方式要求两电极必须与果梗可靠接触，同样受到果梗长度和植株冠层空间的限制，对于常规栽培方式和品种的番茄，这种方式同剪刀剪切方式都难以达到满意的效果。 2.4 激光切断

图17所示的果梗切断装置结构示意图，通过非接触式的激光切断果梗，降低了机器人末端执行器装置的复杂性和对夹紧力控制精度的要求。

果梗激光切断装置由激光发生控制单元和果梗聚焦切断单元组成。其中激光发生控制单元由尺寸仅为92 mm×86 mm×20 mm的小型30W高功率光纤耦合半导体激光器和保护控制电路组成,保护控制电路对激光器进行直流供电和稳压保护，通过并联的可变电阻调节激光器供电电流。果梗聚焦切断单元由聚焦透镜、直流伺服电动机、联接与支承部件组成。激光器通过标准的SMA905型光纤连接头与聚焦透镜联接。作业时由固定于机械手上的双目视觉系统与末端执行器上

的距离传感器相配合，以进行果梗的精确定位；通过直流伺服电动机带动聚焦透镜转动，使透镜对准果梗；由电磁阀控制激光器打开，激光束聚焦于果梗上(焦距为50 mm)将其切断。聚焦透镜的倾角可以进行调整，以满足不同品种果实的梗长需要。

1 聚焦透镜 2 固定环 3 直推轴承 4 直流伺服电动机 5 光纤 6 电压表 7 时间继电器 8 可变电阻 9 电流表 10 电源开关 11 锂电池组

图 17 果梗切断装置结构示意图

如图18所示的草莓采摘机器人切割器剪切果柄示意图，该切割装置采用了低压直流电热切割的方法，通过在镍铬电热丝两端加载低压直流电，其产生的高温可在短时间内将草莓果柄烧断。

图 18 电热切割器剪切果柄

电热切割法的优势在于：一是切口处的病毒在高温环境下被杀灭，可有效防止病害传播；二是果柄切口处因高温被封闭，可有效防止水分流失,延长果实的保鲜时间。

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