草莓采摘机器人机械结构设计

草莓采摘机器人机械结构设计

摘要

随着草莓种植的推广。国内草莓种植面积迅猛增加，收获劳动力不足。严重制约草莓种植的发展，因此有必要进行智能草莓采摘机器人研究，来替代人来完成该项费时、费力的采摘工作。草莓采摘机器人要求能自动检测成熟草莓的位置信息，然后根据这些信息控制机器人的执行机构动作，实现草莓采摘的自动化。

本文首先综合叙述了草莓生产现状以及草莓采摘机器人国内外研究状况，再根据国内北方地垄式草莓种植的情况，设计出草莓采摘机器人机械本体，提出一种五自由度关节型草莓采摘机械手臂，五个自由度分别为：腰转、肩转、肘转、腕转和腕摆，并开发了一种末端执行器的结构形式，该末端执行器主要由伺服电机、曲柄滑块机构、动夹、镍铬电热丝组成，不以草莓果实作为抓取目标，而是夹切草莓果柄，不伤害果实，同时采用镍铬电热丝切割果柄可以防止切口感染细菌而腐烂，影响果实品质。与此同时，还在solidworks 中构建了草莓采摘机器人、末端执行器的三维模型，还生成了相关重要部件的工程图，便于后期的使用。

关键字：草莓采摘机器人，机械本体，五自由度草莓采摘机械手臂，末端执行器

Strawberry picking robot mechanical structure design Abstract：

With the popularization of the strawberry. The strawberry planting area increased rapidly, the harvest labor shortage. Development is restricted by the strawberry, it is necessary to carry out intelligent strawberry harvesting robot, instead of people to complete the time-consuming, laborious harvesting. Strawberry picking robot position information requirements can automatically detect ripe strawberry, then according to these information to control the robot actuator, realize the automation of picking strawberry.

This paper describes comprehensively the research status at home and abroad as well as the robot strawberry production status of strawberry picking, then according to the North ridge type strawberry planting conditions, calculate and design the appropriate size of the strawberry picking vehicle body, put forward a kind of five degrees of freedom articulated strawberry picking manipulator, and the development of the structure of an end effector. At the same time, the author constructs a 3D model, strawberry picking robot end effector in SolidWorks, also generated the end effector and the mechanical arm of the engineering drawing, convenient for later viewing and processing.

Key words: Strawberry picking robots; Mechanical body;Five degree of freedom manipulator; The end effector

目录

1 绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 工作环境和作业要求 (1)

1.3 草莓采摘机器人国内外发展状况 (2)

1.3.1国外研究现状 (2)

1.3.2 国内研究现状 (2)

1.4 研究的目标和内容 (3)

1.4.1 研究目标 (3)

1.4.2 研究内容 (3)

2 草莓采摘机器人机械本体设计 (3)

3 草莓采摘机器人五自由度机械手臂设计 (4)

3.1 采摘机器人机构选型原则 (4)

3.2 机械臂的设计 (5)

3.2.1 设计要求 (5)

3.2.2 机械手臂的选择 (6)

3.3 机械手手腕的设计 (6)

3.3.1 手腕设计的基本要求 (7)

3.3.2 草莓采摘机械手手腕的结构型设计 (7)

3.4 机械手的结构型式 (7)

3.5 机械手运动学方程的建立 (8)

3.5.1 正运动学模型 (8)

3.5.2 逆运动学模型 (10)

4 草莓采摘机器人末端执行器设计 (13)

4.1 末端执行器介绍 (13)

4.2 末端执行器的分类 (13)

4.2.1 两个手爪的末端执行器 (13)

4.2.2 两个以上手爪的末端执行器 (14)

4.3 夹持式末端执行器的选型 (14)

4.3.1 夹持式末端执行选择的基本要求 (14)

4.4 末端执行器的结构型式和工作原理 (14)

4.4.1 整体结构 (14)

4.4.2 工作原理 (15)

4.5 主要部件设计 (16)

4.5.1 传动部分设计 (16)

4.5.2 抓取和切断机构设计 (17)

5 结论与建议 (17)

5.1 结论 (17)

5.2 工作展望和建议 (17)

参考文献 (18)

致谢 (19)

草莓采摘机器人机械结构设计

1 绪论

1.1 引言

草莓在世界绝大多数地区都有种植，因其甜美的味道及丰富的营养价值，颇获大家喜欢。其中我国草莓种植面积达10万公顷。然而为了保证草莓的外观品质和营养价值，必须在收获季节每天早晚时刻挑选并采摘草莓果实。其劳动强度之大，成本之高，约占草莓种植生产成本的四分之一。因此减轻劳动强度，降低生产成本，成了草莓收获的重中之重。日本率先研制出以高架栽培为种植模式的草莓采摘机器人［1]，Kondo 等人于2010年研制的草莓采摘机器人单循环作业用时11.5s ，采摘成功率约41.3%。国内徐丽明、张铁中等人针对垄作式草莓种植的自动化采摘设备进行了研究[2]。不过上述自动化采摘设备在机械手爪定位精度，采摘作业效率，果实无损采摘等方面距离实际需要还有一定不足。

本文针对地垄栽培模式下草莓的生长方式，对草莓收获机器人的主要组成单元——采摘机器人机械本体、机械手臂和机末端执行器进行研究并设计模型，达到对一定范围内成熟草莓进行无损伤采摘。 1.2 工作环境和作业要求

我国大多数草莓种植是垄作栽培模式，地垄截面成等腰梯形，垄顶宽400 mm ，垄底宽600 mm ，高250 mm [3]。草莓植株生长于垄顶部，果实长出后伏在垄侧面，成熟草莓果实上方一段果柄与垄侧壁有10 ～20 mm 间隙，相邻两垄间为宽度约500 mm 的垄沟( 图1-1) 。

本文要求在现有农艺条件下，设计出合适尺寸的车身模型，设计出可以达到垄面一定范围的机械手，以及可以高效且少伤果实的末端执行器。

（a ）

2

1

3

5

4

(b）

( a) 草莓田实景( b) 地垄截面

1 垄沟

2 地垄

3 果柄

4 草莓果实

5 垄侧面

图1-1垄作栽培模式下的草莓田间环境

1.3 草莓采摘机器人国内外发展状况

1.3.1国外研究现状

国外自动化采摘设备发展十分迅速。自从1983年在美国诞生了第一台西红柿采摘机器人，采摘机器人的开发和研究已经有二十多年的历史，期间摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等机器人相继在日本和欧美等多家研制成功。

对于草莓采摘机器人的研究，目前处于初级阶段。

1）日本Kondo等人针对草莓的不同栽培模式（高架栽培模式和传统栽培模式）研制出了相应得采摘机器人[4]。高架栽培模式由于适合机器人作业被越来越多地采用，该机器人采用5自由度采摘机械手，视觉系统与西红柿采摘机器人类似，机械手采用真空系统和切割器组成。收货时，由视觉系统计算采摘目标的空间位置，接着采摘机械手移动到预定位置，机械手向下移动直到把草莓吸入；由光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，由切割器旋转切断果梗，完成采摘。

2）日本宫崎大学研制设计了高地隙跨垄作业4自由度的草莓收获机器人[5]。该机器人采用两个CCD照相机获取草莓的图像，计算出草莓的中心方向，用激光传感器测量手爪到草莓的距离，通过采用两个直的手指来抓取草莓果柄，避免了对果实的伤害。采用切刀切断果柄。

1.3.2 国内研究现状

1）草莓选果机[6]。栃木县农业试验场开发了非常实用的草莓选果机。该设备可根据每一个草莓的含糖量和果实大小进行选择，并可以把选好的草莓装入塑料袋内，整个过程

是全自动作业，每小时可分选草莓5300多公斤。南京农业大学运用双目立体视觉技术，对图像的二维直方图进行腐蚀、膨胀、去除小团块，用拟合曲线实现彩色图像的分割，既而分离果实，并将二维图像恢复成三维坐标，实现了果实定位[7]。

2）浙江大学梁喜凤等人对采摘机器人的机械手做了一定的研究，提出了评价采摘机械手工作性能的性能指标；工作空间、可操作度、避障能力、冗余空间与姿态多样性。

3）中国农业大学应用草莓图像的彩色模型中的特定通道信息，对成熟草莓进行了识别，并初步建立了桥架式直角坐标机器人，还在水果采摘机器人三维视觉系统的过程中，提出了一种基于果实表面颜色色彩空间参照表的果实目标识别新方法，使计算机系统适用多种果实[8]。

目前，草莓采摘机器人的智能水平还很有限，不管是国内还是国外的草莓采摘机器人，离商品化和实用化还有一定的差距。差距如下：

1）没有设计出合理的末端执行器，抓取过程中容易损伤草莓的果皮；

2）没有设计出理想的机械手，很难达到有效的采摘范围；

3）采摘效率不高，误差大。

1.4 研究的目标和内容

1.4.1 研究目标

目前研制草莓采摘机器人用于国内棚载草莓的收获，使其具有使用价值，需要在以下两个方面进行努力：

1）研究结构合理，柔韧度高，不伤果皮的末端执行器；

2）研究结构简单，覆盖范围广的机械手臂；

3）制定出高效的采摘方案，使采摘效率要高于人工采摘效率。

针对以上三点，本文将选择产量高、规模大的北方温室大棚垄作栽培的草莓为研究对象，对草莓采摘机器人进行设计和研究。

1.4.2 研究内容

本文对草莓采摘机器人的设计和研究包括以下几个方面：

1）机械本体设计；

2）五自由度机械手臂设计；

3）末端执行器设计。

2 草莓采摘机器人机械本体设计

根据上述工作环境和作业要求，草莓栽培温室具有温度高、沟垄窄而面不平整、垄面低矮等特点，标准温室沟垄略宽且平整，垄面也略高一些。基于这些特点，草莓采摘机器人要求做到以下几点：

1) 温室大棚中农民行走的路面较窄，若采用气动或液动作为动力源，气泵或液压缸个

体较大，不宜搬移；同时气动、液压成本高，不符合我国农业生产现状。因此，使用电动装置成为最佳选择。

2) 为了提高生产效率，温室的草莓种植情况，如垄面宽、垄沟宽、沟深并非采取标准尺寸，且可能比标准尺寸更小；同时沟面不平整。因此，在沟面不平整的温室中采用跨垄式或者悬挂式移动机构，而在比较标准的温室中可以采用四轮驱动行走机构。

本设计采用跨垄四轮行走机构，其实物如图2-1所示。本体设计以步进电机作为动力装置，根据驱动器发出的脉冲信号驱动机器人沿沟垄前进。在机身的上方是五自由度机械手臂，用伺服电机作为动力源，根据驱动器发出的脉冲信号，使机械手臂达到指定位置。同时在机械手下方安装一个小框，用于放置草莓果实，在设定好的时间内装满后，由工作人员更换小框。整个执行机构都安装在小车上，可以进行固定距离的移动。

图2-1 草莓采摘机器人三维模型

3 草莓采摘机器人五自由度机械臂设计

采摘机器人既要遵循工业机器人的机械臂机构，又要依据不同的采摘对象做出合理的选择。因此本文将机械手分两个模块来进行选型和设计，即手臂和手腕。手臂是支撑末端执行器的重要器件，使其可以在固定的范围内移动，并可以将采摘到的草莓送到小框[9]。手腕的作用是在机械手臂运动的基础上进一步改变末端执行器在空间的方位，使机械手变得更灵巧，适应性更强。

3.1 采摘机器人机构选型原则

由于草莓种植环境的复杂性，不确定性和果实分布的无规则，采摘机械手在选型上既要遵循工业机械手的基本原则，又要考虑其作物的特殊性。从而得出如下选型原则：

1）遵循工业机械臂的基本选型原则，工业机械臂主要有四种形式（图3-1），其具体功能特点如下[10—12]：

（1）直角坐标型：其外形轮廓与数控镗铣床相似，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直。这种形式的主要特点是刚性好、精度高，缺点是占地面积大，工作空间小。

（2）圆柱坐标型：选型机械臂前三个关节为两个移动关节和一个转动关节。这种形式的机器人占用空间，结构简单。

（3）极坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。改型机器人的有点是，灵活性好，占地面积小，但刚度、精度教差。

（4）关节坐标系：前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大，占地面积小，缺点是刚度精度差。

图3-1 工业机械臂形式

2) 基于具体的采摘要求，机械手要具有较好的采摘能力。包括：

（1）最优的工作空间。工作空间越大，采摘范围越广，通用性也就越好。

（2）具有较好额避障能力。果实采摘过程中，机械手能避开障碍物。

（3）机械手设计合理。若机构设计不合理，可能会出现运动干涉或驱动装置无法设置，机构不能运动等问题。在满足要求的前提下，尽量采用特殊机构的机械手机构，使相邻运动副的轴线相互平行或正交。

（4）农业机器人要求操作简单，成本低廉，因此尽量采用冗余度少，机构简单的形式。

3.2 机械臂的设计

3.2.1 设计要求

机械手的手臂是采摘机器人的主要执行元件，其作用是支撑末端执行器和腕部并改变末端执行器在空间的位置。由于机械手臂的重量比较大，受力比较复杂，在采摘草莓时受到腕部、手爪和草莓的静（动）载荷，引起电位准确性。机械手手臂的机构形式的设计要根据机器人的运动形式、抓取草莓的重量，自由度以及运动精度来决定。因此设计机械手手臂是应该考虑一下几个要点的[13]：

1) 手臂的结构和尺寸应该满足采摘草莓时作业空间的要求。作业空间的形状和大小与手臂的长度、关节转角的范围密切相关：

2) 根据手臂承受的载荷和结构的特点，合理选择手臂的材料；

3) 机械手手臂的运动速度要高，惯性要小。

草莓采摘机械手的设计一方面要考虑机器人本身的价值和使用者的经验和教育水平，另一方面还要考虑草莓的生长特性。

3.2.2 机械手臂的选择

采摘机器人机械手的手臂用来决定末端执行器的位置，同时它对物体的姿态也有一定的影响。针对草莓的生物学特性、栽培的方式和机械手机构选型的原则及工作特性，本文选择的是多关节机械手臂。由于机械手采摘草莓的形状近似为圆柱体或球体，那么四个自由度的机器人就可以完成机器人的采摘任务。为使采摘机器人有更好的作业能力，本文设计的机械手具有五个自由度，其中机器人的机械化手臂具有三个旋转的自由度，手腕具有两个自由度。三个转动自由度机械手臂结构紧凑，灵活度大大的提高，在作业空间内手臂的干扰比较小，机械手臂的工作空间范围也会加大。但这种类型的机械手臂在进行控制时计算量大，位置精度不高及确定末端执行器的位置和位姿时不直观等缺点。而且这种类型的机械手手臂执行元件多，质量重。所以在设计的时候，要充分考虑机械手作业对象的特点和作业目的，确保机械手在作业时的合理性。图3-2是这种机械手手臂的关节构成。

图3-2 三自由关节型机械手手臂

3.3 机械手手腕的设计

机械手手腕是连接机械手手臂和末端执行器的装置，它的作用主要是在机械手手臂运动的基础上进一步改变末端执行器在空间的方位，在扩大机械手动作的范围的同时，使机

械手变得更灵巧，适应性更强。通过机械接口，连接并支撑末端执行器。

3.3.1 手腕设计的基本要求

1）结构要紧凑、重量要轻手腕位于机械手手臂的末端，手腕的设计直接会影响到手臂的机构和运转性能。为使得手臂的承受载荷减轻，应该要求手腕的部分结构紧凑，重量要轻以及体积较小。

2）转动灵活、合理选择自由度手腕的自由度越多，末端执行器的动作灵活性越高，整个采摘机器人对采摘的适应性越好。但是自由度的增加会导致手腕的结构复杂，控制也相应的困难。因此，在设计手腕结构的时候，只要能够达到工作的要求就可以，不要过多增加手腕的自由度。

3）合理布局,手腕是连接手臂和末端执行器的机构，它同时也起到了支撑两者的作用。所以设计手腕的时候，除了保证力和运动的要求以外还应综合考虑，合理布局[11]。

3.3.2 草莓采摘机械手手腕的结构型设计

机械手的腕部直接连接末端执行器和手臂，起支撑作用，为使得末端执行器能够达到空间的任意位置，理论上腕部实现对空间三坐标轴X、Y、Z的转动，即具有沿XY平面回转和YZ平面的回转。也就是说手腕部具有独立的自由度。在实际设计的过程中，基于草莓的物理特性，在机械手采摘草莓的时候，末端执行器首先旋转为合适的角度，再前进抓住果柄，同时有一个镍铬电热丝切割果柄。这一系列的动作需要手腕有两个自由度，即手腕绕i轴和绕j轴的两个回转运动。即手腕有腕转和腕摆两个自由度。

3.4 机械手的结构型式

通过机械手手臂和手腕的型式说明，选取3个自由度的机械手的手臂和两个自由度的手腕进行配合，得到草莓采摘机械手的机构型式。这种型式的机械手在避障、工作的空间以及采摘的工作效率方面都是比较好的。选择5个自由度的机械手，会让末端执行器的动作更加灵活，使得它能够绕开障碍物进行采摘作业。具体结构型式见图3-3.

图3-3 草莓采摘机械手结构型式

3.5 机械手运动学方程的建立

机械手运动学主要是研究末端执行器、各个运动构件的位置姿态和各个关节变量之间的联系。因此考虑机械手的运动要从两个方面说明，即正运动学和逆运动学。正运动学是指先给定机械手各个关节的位移、速度、加速度然后求解各个杆件和末端执行器的位置和姿态。逆运动学指的是先给定杆件和手爪的位置然后求解所需要的关节变量的位置、速度和加速度等。求解这两种运动学问题多采用齐次变化法和向量法等。本文以设计五个自由度机械手为例，简单说明正运动和逆运动学解析方法[12]。 3.5.1 正运动学模型

为了描述草莓采摘机械手各个连杆的特征参数以及相互之间的运动关系，采用Denavit-Hartenberg （简称D-H 矩阵：笛卡尔坐标系的齐次坐标变换矩阵）方法设定杆件的坐标系，图3-4为草莓采摘机器人机械手的结构以及各个连杆的坐标系。各个连杆的编号是从底座到末端执行器依次为0，1，2，3，4，5。

3-4 草莓采摘连杆坐标系

表3-1 草莓采摘机器人连杆参数

i a 1i -

α1i -

d i

θi 1 0 90° 0

θ1

2 0 0 l 1 θ2

3 0 0 l 2

θ3

4 0 90° l

3

θ4 5

l 4

4

θ5

X 1

Z 1 Z 2

X2

X 3

Z 3

X 4

Z 4

Z 5

X 5

在建立草莓采摘机械手正运动学模型的时候，可以把草莓采摘机器人机械手手臂看成是由一系列关节连接起来的连杆构成的。为每一个连杆建立一个三维坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标之间的相对位置和姿态。用矩阵T 1i i -来描述第i 号连杆相对于第i-1号连杆的位姿关系，通过齐次变换得到相邻各个连杆之间的齐次变换矩阵为：

??

??

?

?

?

??

?

???

?----=----------1

00

0S S 011

1

1111111i αααθαθαααθαθαθθi i i i i i i i i i i i i i i i i

i S C

S C S S S C C C S C T d d （i =1,2……5） 式中θC i : θi COS

θi S ： θi Sin

αi C

：α1cos -i α1i -S ：α1i sin -

T i

1

i -：连杆坐标系{i}相对于{i-1}的变化矩阵

α

1

i -：从Z 1i -到Z i 绕X i 1-旋转的角度（逆时针为正）

a 1-i ：从Z 1i -到Z i 沿X i 1-测量的距离 d i ：从X 1i -到X i 沿Z i 测量的距离

θi ：从X 1i -到X i 绕Z i 旋转的角度（逆时针为正）

由图3-4和表3-1可知

?

?????????

???

?-=10

0010000cos sin 00sin cos 1

111

01θθθθT

???????

???

?

?

?

?-=10

00c o s 0s i n 00100s i n 0c o s

1222

2

12l T θ

θ

θ

θ

??????????

????-=1000cos 0sin 00100sin

0cos

23

3

3323l T θθθθ

??????

????

????-=10

00

c o s 0s i n 00100s i n 0c o s

3444

4

34l T θ

θ

θ

θ

??????

????

????-=10

10000cos sin 00sin cos 45

555

45l T θθθθ

则草莓采摘机器人机械手运动学方程为：

T T T T T T 4

53423120105=??

???

?

?

??

????

?++++-++--+++---=1

0023433432332212345234523423414231321223415152341515234123414231321223415

1523415

15

2341l l l l l l C l C l C l C l l C S S C S S S S S S S S S C C S C S S C C C S S C S C S C S C S S S C C S S C C C 其中)sin(sin ,sin ,sin )cos(,cos ,cos ,cos 332234,5522113

32234552211θθθθθθθθθθθθ+====+====++S S S S C C C C

设草莓在基座坐标系{}Z Y X 000,,中的位置矢量[]

T

Z Y X p p p ,,p =，方向向量n,o,a 分别为

[][][]T Z Y X T Z Y X T Z Y X a a a o o o n n n ,,a ,,,o ,,n ===

，，则草莓在基座坐标系中的位姿可以用下面的矩

阵表示：

?

?

????

????????=10

r Z Z Z Y Y Y x x x x o p a o n p a o n p a n Z Y

从而：

??

???

?

?

??

?????++++-++--+++---1

0023433432332212345234523423414231321223415152341515234123414231321223415

1523415

15

2341l l l l l l C l C l C l C l l C S S C S S S S S S S S S C C S C S S C C C S S C S C S C S C S S S C C S S C C C

?

?

???

?

????????

=10

Z Z Z Y Y Y x x x x o p a o n p a o n p a n Z Y 上式就是草莓采摘机械手的正运动学模型。 3.5.2 逆运动学模型

图3-5是本文设计的垂直多关节型5自由度的采摘机器手连杆的几何关系。此机械手上下臂等长，设为l 。手爪中心位置P 的坐标设为(P X ,P Y .P Z )，腕部旋转中心B 的坐标设为（Q X ,Q Y ,Q Z ）。由图3-5可知下面的几何关系式。

图3-5 机械手连杆几何关系

P

P

Y

X g

=θ1t Q Q Q Z Y X l OB 22232

cos

2++==θ

)2

cos(2cos 2)]

cos([cos 323322θθθθθθ+=++=l l Q Z 设Z 轴与BP 的夹角是β，则存在下面的关系式：

βθθθ=++432

)

2(sin sin )2(cos cos )2(cos 11

π

π

π

-+=--=--=βββθθBP BP BP P Q P Q P Q Z Z Y Y X X

θ1到θ4的值由下面的计算公式可以得出：

l

Q Q Q P

P X

X X X

Y

2arccos 2arctg 2

223

1++==θ

θ

θ

2

θ

3

θ

4

2

-πβ

θ

1

O

θθθθθθ

β3

243

3

Z

2

2

2

2lcos

cos arc Q --=-

=

上面得出机械手各个关节位置的各式是基于采摘机械手的上下臂相等的情况得到的，基于草莓的生长特性以及草莓采摘机器人工作的具体情况，参考相关的文献，以及草莓采摘机械手设计时的一些约束条件，本文选取机械手的上下臂长度为510mm ，上下臂的回转角度的取值为?≤≤??≤≤?120011045-32θθ，。机械手腰关节长度取为100mm 。在机器人工作时，机械手要采摘地垄左右侧的草莓，因此腰关节的旋转角度θ1取值为?≤≤?180180-1θ。为保证末端执行器可以采摘到最低的草莓，手腕部分的长度应尽量的大些，因此手腕的长度定位850mm,手腕结构参数θ4用于调整末端执行器的位姿，使得末端执行器以不同的位姿接近

果实，腕关节θ5实现手腕的俯仰动作，因此将手腕的参数定为：?≤≤??≤≤180180-120054θθ，

。跟据设计的采摘机器人机械手机构参数，从而构建机械手的三维结构模型，如图3-6所示。从而得到机械手的重量为24.884kg,可以达到以腰关节为圆心，半径为1713mm 的半圆为采摘范围。同时也展示了机械手张开采摘与折叠收缩放入框中的位姿，如图3-7和3-8所示。

图3-6 机械手三维机构模型

图3-7 机械手张开采摘草莓的位姿图3-8 机械手折叠收缩放草莓入框的位姿

4 草莓采摘机器人末端执行器设计

4.1 末端执行器介绍

为了提高机械手的采摘效率，机械手的机构设计要合理并能有效的控制，但是要顺利并且高效的采摘到草莓，机械手手爪设计是十分重要的。所以一般将装在机械手前端并直接与采摘对象基础的部分称为末端执行器。末端执行器安装在机械手的末端，其功能类似与人手，是直接与目标物接触。但末端执行器的结构完全不同于人手，其基本结构取决于具体工作对象的特性与工作方式。对于采摘草莓的末端执行器来说，因为各个草莓之间存在不同的个体之间的差异，在设计末端执行器时要考虑诸多因素。

末端执决于工作对象的特性及工作行器的基本结构取方式。大多数末端执行器的结构和尺寸是根据其不同的作业任务要求来设计的，因而末端执行器的结构多种多样。到目前为止，末端执行器都是专用的。在设计末端执行器的时候，应该考虑手指数量、手指关节数量、以及摘取果实时的方式等等。末端执行器是直接接触果实的一个很重要部件，所以在采摘果实时，为避免碰伤果实，大多采摘机器人的手指内侧接触果实的部位采用尼龙或橡胶材料[14]。

4.2 末端执行器的分类

草莓采摘机器人的末端执行器有多种类型[15—16]，根据其用途和结构的不同可以将末端执行器分为机械式夹持器和吸附式夹持器；按手爪的运动方式可以分为平移型和回转型。回装型手爪又分为单支点回转型和双支点回转型。按夹持方式分为外夹式和内撑式；按驱动方式又可以分为电动、液压和气动三种；按手爪个数又可以分为双指和多指。

4.2.1 两个手爪的末端执行器

最初，用于草莓采摘的机器人末端执行器有两个平行的手指，由于草莓成束成长，这种末端执行器在收获果实时容易损坏邻近的果实和茎干，为解决上述问题，可以让手爪直接夹持草莓果柄。两个手爪的末端执行器具有采摘成功率高，但是对于一些隐藏在花梗、

叶子、果实等后面的成熟果实，末端执行器还不能进行有效的避障。

4.2.2 两个以上手爪的末端执行器

相对于两个手爪的末端执行器，多爪的末端执行器在抓取草莓的时候稳固性有所提高。如固定式草莓采摘机器人的末端执行器有四个平行且弯曲的手指，这种末端执行器可以采摘各种形状和大小的草莓，同时也适合采摘别的水果。虽然手爪的数量越多抓取效果越好，但是手爪的控制也越复杂。末端执行器有三个手爪，手指内各有一条线连接指间的钢丝绳，指尖围成一个圆形，三个手指内侧有橡胶。在采摘果实的时候，钢丝绳拉紧，三个手指向中心弯曲，抓住果实后用剪刀剪切下来；钢丝绳松开的时候，三指在弹簧的作用下张开，所以在末端执行器不工作的时候处于张开状态。

4.3 夹持式末端执行器的选型

夹持式末端执行器也称之为夹持式手部，它是直接用于草莓接触的部件，执行人手的功能。夹持式手部是由手指、传动结构和驱动装置三部分组成的，它可以抓取各种形状和大小的果实。一般情况下，这种手指采用两指。驱动装置多采用传动机构，驱动源有液压式、气动式和电动的几种形式。传动装置通过滑槽、斜楔、齿轮齿条和连杆机构实现加紧和松开。夹持式手部一般是由转动副和移动副组成的机构，它可以实现手爪的单纯回转、单纯的平移。因此夹持式手部分平移型和回转型两种方式。

4.3.1 夹持式末端执行选择的基本要求

1）应具有适当的夹紧力和驱动力

机器人手部机构靠手爪夹紧作业对象并进行采摘，最后将采摘对象移送到目标位置。由于草莓本身的重量以及在机械手动作过程中产生的惯性力和振动等，机器人的手爪必须要有足够的夹紧力，才能防止在作业过程中草莓不会滑落。因此末端执行器手爪的夹紧力大小要合适。末端执行器的驱动装置应该有足够的驱动力。一般情况下，机械手爪的夹紧力为作业对象的两到三倍。在一定的夹持力的情况下，机构传动比不同，所需要的驱动力的大小也是不同的。

2）手指要有一定的开闭范围

手指具有足够的开闭角度或开闭距离，以便在采摘果实的时候能够顺利的采摘和松开果实；另外手爪夹持草莓中心位置变化要小。

3）保证果实在末端执行器手爪中的夹持的精度

为使采摘对象和采摘机器人的手爪保持准确的相对位置，必须根据作业对象的形状选择相应的手爪形状进行定位。

4）末端执行器的结构要求紧凑、重量轻、采摘的效率高，并且要确保本身的刚度和强度。

4.4 末端执行器的结构型式和工作原理

4.4.1 整体结构

1

2

5

4

3

2

4

1

放松

右移

夹紧

左移

整体结构如图4-1所示，末端执行器全长309mm （机械手爪顶端到回转底座），主要包括一个伺服电机，一套曲柄滑块机构，一个镍铬电热丝，二个机械手爪，二个橡胶垫片。

1 曲柄滑块机构

2 伺服电机

3 镍铬电热丝

4 橡胶掉片

5 机械手爪

图4-1 末端执行器整体结构

4.4.2 工作原理

由机器人本体上的视觉定位系统定位果实，机械臂带动末端执行器运动到指定位置采摘果实。

1） 根据标准对将要采摘的水果尺寸、成熟度和表面有无损伤进行识别，将检测信号反馈给上位机，上位机根据信号启动末端执行器电机。

2） 由曲柄连杆机构[17]，把电机的转动转换为直线运动，当滑块1向右运动时，销3在两个杠杆4的滑槽中移动，使得与支架2相连的两个手指实现松开动作；反之，当滑块1向左运动时，手指夹紧，如图4-2所示。

1 滑块

2 销

3 手爪

4 支架 图4-2 滑块工作说明图

1

2

3

4

5

6

7 8 4.5 主要部件设计

设计的整体思路就是在很好达到预期效果的基础上，结构尽量简单，操作容易，运动灵活，安全可靠且成本低廉。整个末端执行器只采用一个动力源—伺服电机。 4.5.1 传动部分设计

此部分由基座，伺服电机，传动轴，曲柄，连杆，滑块，U 型槽，销组成。如图4-3所示。

1 曲柄

2 传动轴

3 伺服电机

4 基座

5 销

6 U 型槽

7 滑块

8 连杆

4-3 末端执行器的传动机构示意图

电机主轴通过联轴器带动曲柄旋转，然后由曲柄滑块机构把旋转运动转换为滑块的往复运动[17]，当连杆在初始位置时（如图4-4所示），手爪松开。当连杆逆时针转动，滑块左移，使销在滑槽中移动，手爪夹紧（如图4-5所示）。当连杆顺时针转动，滑块左移，手爪夹紧，恢复初始位置[18]。

4-4 末端执行器连杆初始位置

4-5 末端执行器连杆夹紧位置

4.5.2 抓取和切断机构设计

此部分由两个个机械手爪（具体尺寸见手爪工程图），两个橡胶垫片组成和一根镍铬电热丝组成。抓取时不以草莓果实作为抓取目标，而是夹切草莓果柄，不伤害果实，同时采用镍铬电热丝切割果柄可以防止切口感染细菌而腐烂，影响果实品质。

5 结论与建议

5.1 结论

本文研制的草莓采摘机器人用于国内棚载草莓的收获，具有使用价值。得出如下结论：

1、本文重点设计了一台草莓采摘机器人，并且制作了三维模型图，适合国内草莓的种植环境。根据查阅不同渠道的资料以及实地勘察的数据，以电动装置作为驱动源，降低了生产成本，符合国内农业生产行情。采用该机构，可以在较窄且不平坦的垄沟中行走。

2、本文还将重点放在研究了一种结构简单、高效、不伤果实的草莓采摘机械手，并且制作了三维模型图。针对目前国内外市场草莓采摘机械手爪在设计上还没有实质性突破，实用性差，无法应用于实际草莓采摘作业环境的情况，巧妙地设计并研制了一种动力单一、外形小巧、简单实用、操作方便的机械手爪[19]。

5.2 工作展望和建议

草莓的自动采摘是一个非常复杂的过程，它包含了多个任务，需要对环境进行动态实时分析解析。笔者在本文的研究中，重点放在了草莓采摘机械本体、机械手和末端执行器上，但是对于视觉系统，控制系统，驱动系统等方面的内容并未做深入研究，建议后续研究。