果蔬采摘机器人末端执行器的结构组成现状分析.docx
果蔬采摘机器人末端执行器研究现状
果蔬采摘机器人末端执行器研究现状
胡皓若;张跃跃;周佳良;陈青;王金鹏
【期刊名称】《中国农机化学报》
【年(卷),期】2024(45)4
【摘要】目前果蔬采摘大多以人工采摘为主,存在效率低、采摘成本大等缺点,同时随着人口老龄化问题的日益严重,劳动力紧缺,制约农业的快速发展。
末端执行器作为果蔬采摘机器人的关键部件,在很大程度上影响着采摘机器人的采摘率和损伤率,对末端执行器的研究具有至关重要的意义。
充分阐述当前国内外果蔬采摘机器人的研究现状。
根据采摘方式和驱动方式的不同对采摘末端执行器进行归纳,总结出采摘过程中致损原因。
通过列举典型采摘末端执行器,分析末端执行器在采摘过程中果实致损的原因;通过对现有采摘机器人末端执行器方案的具体参数对比梳理,提出存在识别定位不准、采摘效率低等问题,并从损伤率、采摘效率等方面对未来末端执行器进行展望。
【总页数】6页(P231-236)
【作者】胡皓若;张跃跃;周佳良;陈青;王金鹏
【作者单位】南京林业大学机械电子工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】S225;TP242
【相关文献】
1.采摘机器人末端执行器研究现状与展望
2.果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制
3.果蔬采摘机器人末端执行器研究综述
4.果蔬采摘机器人末端执行器研究进展与分析
5.果蔬采摘机器人研究现状与进展分析
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果树采摘机器人的发展现状及运动学分析
果树采摘机器人的发展现状及运动学分析专业：机械制造与自动化学生：张长峰指导老师：周威铎完成日期：2013.4.10摘要果园收获作业机械化、自动化是广大果农关注的热点问题。
进行果树采摘机器人研究，不仅对于适应市场需求、降低劳动强度、提高经济效率有着一定的现实意义，而且对于跟踪世界农业新技术、促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有着重大的意义。
果树采摘机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，它是由机械手固定在履带式移动平台上构成的一类特殊的移动机器人系统。
本文在以自行设计的机器人机械结构为研究对象，对果树采摘机器人的控制系统进行了分析、研究和设计，并对采摘机器人避障技术进行了探讨。
主要工作如下：分析了果树采摘机器人机械结构，介绍了机器人运动学理论，根据自行设计的5自由度机械臂机械特性，采用几何结构算法，建立了果树采摘机器人机械臂的正、逆运动学方程。
关键词：果树采摘机器人，机械结构，运动学分析等等。
ABSTRACTOrchard mechanized and automation harvesting operations have become the hot issue of majority fruit growers concerned.Develop the fruit harvesting robot research not only has a certain degree of practical significance to meet market demand and reduce labor intensity and improve economic efficiency, but also can to track new agricultural technologies of the world. It is important to promote China's agricultural scientific and technological progress, accelerate the agricultural modernization process.Fruit harvesting robot is an integrated system that has multiple functions such as environmental apperceive,dynamic decision making, planning conduct control and implementation. It is a special kind of mobile robot system that the mechanical hand was fixed in the track type mobile platform. This paper was supported by the National “863”Project: “research on fruit harvesting robot’s key technologies”. A self-designed robot mechanical structure was uesd as the study object.Analysis, research and design was progressed for the fruit harvesting robot's control system. The adaptive fuzzy PID controller was composed by PID control method combined with fuzzy logic control method and the controller was used in fruit harvesting robot visual servo control.At the same time the technology of harvesting robot’s control and obstacle avoidance was analysed.The main research contents as follows:the mechanical structure of the fruit harvesting robot was analysed and the theory of robot kinematics was introduced. Based on theself-design 5 degrees of freedom robot manipulator’s mechanical properties, the fruit harvesting robot’s positive and inverse kinematics equations were found using the geometric structure of the algorithm.KEY WORDS: fruit harvesting robot, obstacle avoidance, sensor and so on.目录摘要 (2)ABSTRACT (3)第一章农业采摘机器人的发展及研究现状 (5)1.1 农业采摘机器人的研究意义 (5)1.2 农业采摘机器人的特点 (6)1.3 农业采摘机器人国内外研究进展 (6)第二章农业采摘机器人研究存在的问题与解决方法 (9)2.1 存在的技术难题 (9)2.2 技术难题解决方法 (9)2.3 本设计主要研究内容 (9)第三章果树采摘机器人机械结构 (10)第四章摄像机投影模型.............................. 错误!未定义书签。
采摘机器人的研究进展与现状分析
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在传感器技术方面，采摘机器人需要使用多种传感器来获取作物的位置、颜色、 大小等信息。例如，机器视觉技术可以通过分析图像中的颜色和形状来确定目 标作物的位置，而深度传感器则可以获取作物的三维信息。这些传感器技术的 结合使得采摘机器人能够更加准确地识别和定位目标作物。
在人工智能方面，采摘机器人的智能化程度越来越高。通过机器学习算法的训 练，机器人可以学习如何识别作物并进行采摘。同时，机器人还可以根据环境 因素（如天气、光照等）的变化来调整自身的采摘策略，以适应不同的采摘环 境。
2、智能化程度的进一步提高：未来的采摘机器人将具备更加智能化的算法和 传感器技术，以便更好地适应各种不同的采摘环境和任务。例如，通过使用更 加先进的机器学习算法和计算机视觉技术，机器人将能够更加准确地识别和定 位目标作物，并自动调整自身的采摘策略以适应不同的环境因素。
3、移动性和灵活性的进一步提升：未来的采摘机器人将具备更加灵活的机械 臂和传感器系统，以便更好地适应各种不同的采摘任务。例如，通过使用可折 叠式的机械臂和传感器系统，机器人将能够在不同的采摘场景中自由切换姿态 和位置，从而提高采摘效率和质量。
2、遥控与远程监控技术
随着无线通信技术的发展，遥控与远程监控技术也被广泛应用于移动式采摘机 器人。操作者可以通过手机或电脑对机器人进行远程操控，实时获取机器人的 工作状态、位置信息以及故障预警等数据，实现对机器人高效管理和监控。
3、人工智能算法的优化与改进
针对采摘机器人视觉识别、路径规划等关键问题，人工智能算法不断得到优化 与改进。深度学习算法的应用已经从传统的卷积神经网络（CNN）扩展到强化 学习、迁移学习等多种领域，提高了机器人的自主性和适应能力。
四、结论
移动式采摘机器人的研究和发展为现代农业提供了强有力的支持。尽管现有的 研究已经取得了显著成果，但仍存在许多挑战和问题需要解决。未来研究应多 传感器融合与信息融合技术的进一步发展、算法的持续优化以及远程监控技术 的深入研究等方面，以提升采摘机器人的工作效率和智能化水平。随着科技的 不断进步和创新，相信移动式采摘机器人的应用和发展将会为现代农业带来更 加美好的未来。
果园采摘机械化
拟定最佳方案
，
以降低成
本
，
减少劳力
，
增加收入
。
相比之下
，
我国主要是分散
栽培
，
分户管理
，
真正集中成片统一管理的大型现代
化果园很少
。
这种小农经济式的种植方式
，
由于生产
规模小和农民技术素质偏低等原因
，
使果园的生产
管理停留在传统经验式的基础上
，
规范
关节可左右移动，丝杆关节可以上下移动，从而工作空间可达3m。20世纪90年代，日本岗山大学在番茄采摘机器人上设计出了具有7个自由度的能够指定采摘姿态的机械手。自由度越高，其手部运动越灵活，控制越复杂。 末端执行器类似于人的手指，设计采用仿生学，即末端执行器结构取决于采摘对象的生物特性、理化特性手指的数量和形状与果实的外形特征密切相关。对于摘取方式，多数采摘机器人使用剪刀剪断果柄或直接用手爪拧断果柄，荷兰农业环境工程研究所（）发明了一种电极切割法，利用特殊电极产生高温（1000℃
离实用化和商品化还有一定距离，主要问题在于其灵巧性有待提高，果实的平均采摘周期较长，果实识别率偏低，损伤率较高，制造成本过高。
随着传感器及计算机视觉等技术的发展，采摘机器人的研究还需在以下几个方面进行努力：一是要找到一种可靠性好、精度 高的视觉系统技术，能够检测出所有成熟果实，精确对其定位；二是提高机械手和末端执行器的设计柔性和灵巧性，成功避障，提高采摘的成功率，降低果实的损伤率；是要提高采摘机器人的通用性和利用率。
、
提高经济效益是现代农业的趋势
。
机器人采摘由于
技术和成本的原因
类球果蔬采摘末端执行器设计及分析
类球果蔬采摘末端执行器设计及分析付舜;王毅【摘要】根据一般类球果蔬采摘特点,设计了一种基于改进对称双摇杆机构的类球果蔬采摘末端执行器.在ADAMS中建立其虚拟样机,并对其受力关键部位作柔性体处理,得到其运动评估参数的变化曲线,得出该执行器机构运动特性,可知该执行器结构简单、运动关系简易,具有良好的可靠性保证.%According to the general characteristics of spherical fruits and vegetables harvesting, an end-effector based on double-rocker mechanism for picking robot was designed. The virtual prototype was established in the ADAMS and the key parts of stressed were treated as flexible bodies, the motion parameters of the actuator were obtained, and the motion characteristic of the actuator was obtained. It was proved that the actuator had simple structure, simple kinematic relationship and good reliability.【期刊名称】《湖南农业科学》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】4页(P16-19)【关键词】类球果蔬;采摘末端执行器;机构设计;ADAMS仿真分析【作者】付舜;王毅【作者单位】重庆理工大学机械工程学院,重庆 400054;重庆理工大学机械工程学院,重庆 400054;重庆大学机械工程学院,重庆 400044【正文语种】中文【中图分类】S225我国是果蔬产业大国，从 1994 年开始，我国果蔬产量开始跃居世界首位，并一直稳步增长。
工业机器人的末端执行器结构分析综述..
2)常开式夹持器：一般采用液压夹紧、弹簧松开的方式，在不工作时处于松开状态。这种夹持器的结构与常闭式夹持器相似，不同的是弹簧和液压缸使卡瓦产生的运动方向与常闭式相反。夹持器靠液压缸的推力产生夹持力，油压的下降将直接引起夹持力的下降，一般需在油路上设置性能可靠的液压锁来保持油压[6]。
(1).液压夹持器的分类和特点
1)常闭式夹持器：依靠弹簧的预紧力夹紧钻具，液压松开。在不工作时，处于夹紧钻具状态。常用在钻进大角度倾斜孔的钻机上。其基本结构为一组经过预压缩的弹簧作用在斜面或杠杆等增力机构上，使卡瓦座产生轴向移动，带动卡瓦径向移动，夹紧钻具；高压油进入卡瓦座与外壳形成的液压缸，进一步压缩弹簧，使卡瓦座和卡瓦产生反向运动，松开钻具。此类夹持器结构紧凑，工作可靠。夹持力大小取决于弹簧预紧力，不受油压变化的影响，而且可在突然停电时实现快速、可靠地夹紧钻具，防止跑钻事故。本文设计的夹持器即属于此种类型。
关键词：末端执行器，夹持器，结构分析，结构特性分类
中图分类号：文献标识码：A
Review of End-effectors Structure of industrial robot Analysis
Jiang Chu feng，Pan Chuan-qi，Ma Ye，Wang Lei，Zhang Zhi-hu
如前所述，要扩大机器人应用领域,要提高机器人效率,要解决机器人的通用性与专用性矛盾,首先要加强新型夹持器机构的研究，并且把常见结构的要素和优点结合起来，开发出实用和经济的末端执行器。
下面介绍一种爪型的机、电、传感器结合的新型夹持器。该机构的结构如图1所示。它是由锥形螺杆2、爪指9及爪指滑动导槽10三者组成一螺旋机构。其工作原理是:当电机驱动锥形螺杆顺时针转动时,与之旋合的爪指沿其导槽所在的半径方向
种果蔬采摘竞赛机器人的设计
种果蔬采摘竞赛机器人的设计竞赛机器人的设计是基于高效、精确和自动化的原则，旨在提高果蔬采摘的效率和质量。
下面我将详细介绍这款机器人的设计。
一、机器人的结构和执行机构：1.结构设计：机器人的结构采用轻巧、紧凑的设计，以便在狭小的果蔬园地中自由活动。
机器人的主体部分由高强度、轻质的材料构成，以减少机器人的自身重量，提高机器人的机动性和灵活性。
2.执行机构：机器人配备了多个执行机构，包括机械臂、摄像机、传感器等。
机械臂用于采摘果实，其中的抓取器可以根据不同果蔬的形状和大小进行调整。
摄像机用于监控果蔬的生长情况和位置信息。
传感器用于检测果实的成熟度和质量。
二、机器人的感知和定位系统：1.相机视觉系统：机器人配备了高分辨率的相机，可以获取果实的图像信息。
通过图像处理算法，机器人可以实时识别出果实的位置、大小和成熟度。
2.定位系统：机器人通过激光雷达或GPS等定位技术，确定自身的位置和姿态，以便精确地定位和采摘果实。
三、机器人的控制系统：1.控制算法：机器人采用先进的控制算法，以实现自主操作和快速响应。
通过与相机和传感器的配合，机器人可以实时感知果实的状态和环境的变化，并做出相应的决策。
2.控制器：机器人配备了高性能的控制器，其运行速度和计算能力可以满足机器人复杂的控制需求。
控制器可以根据预设算法和规则，精确地控制机械臂的运动、摄像机的焦距和传感器的灵敏度。
四、机器人的智能决策系统：1.决策算法：机器人配备了智能决策算法，可以根据果蔬的生长情况、成熟度和质量，以及当前的环境条件，进行智能化的决策。
例如，机器人可以根据果蔬的成熟度和质量，决定是否采摘该果实，以及确定采摘的方式和顺序。
2.数据处理和分析：机器人通过处理和分析大量的数据，可以根据历史数据和趋势预测果蔬的生长情况，并提前做出相应的调整和决策。
五、机器人的安全保护系统：1.碰撞检测：机器人配备了碰撞检测传感器，并通过控制系统实时监测机器人周围的环境。
一种水果采摘机器人末端执行器
一种水果采摘机器人末端执行器一种水果采摘机器人的末端执行器随着科技的不断进步，机器人技术正在越来越广泛地应用于各种领域。
其中，水果采摘领域也不例外。
水果采摘机器人的末端执行器是实现采摘水果的关键部分，它能够通过精确的操作，快速、高效地完成水果采摘任务。
一、末端执行器的设计水果采摘机器人的末端执行器一般采用机械手或机器人手臂的设计。
它通常由多个关节组成，具有高度的灵活性和操作性。
末端执行器可以通过感应器来感知水果的位置和形状，并通过复杂的算法来确定最佳的采摘路径。
二、末端执行器的操作流程1、感应水果：末端执行器使用感应器来探测水果的位置和形状。
这些感应器可以是光学相机、红外相机或深度相机等。
通过对采集到的图像进行处理和分析，可以确定水果的精确位置和大小。
2、路径规划：一旦确定了水果的位置，末端执行器将通过复杂的算法计算出最佳的采摘路径。
这些算法通常考虑多种因素，如机械手的灵活性、水果的位置和形状等。
3、采摘水果：在规划好路径后，末端执行器将开始执行采摘操作。
它可以使用夹持器或剪刀等工具来抓住或切断水果的茎干。
在采摘过程中，末端执行器需要保证水果不受损伤，同时也要保证机械手的操作安全。
4、放置水果：一旦采摘完成，末端执行器将把水果放置到指定的位置。
这个位置可以是篮子、箱子或其他容器。
放置过程中，末端执行器需要保证水果的稳定性和整齐性，以便后续的处理和运输。
三、末端执行器的优势1、高效性：末端执行器可以快速、准确地完成采摘任务，大大提高了采摘效率。
2、准确性：通过感应器和算法的配合，末端执行器可以精确地定位水果的位置和形状，从而保证采摘的准确性。
水果采摘机器人末端执行器的研究进展随着现代农业技术的不断发展，自动化和机器人技术在农业生产中的应用越来越广泛。
其中，水果采摘机器人在提高生产效率、降低劳动成本、提升水果质量等方面具有明显优势。
然而，采摘水果的精度和效率在很大程度上取决于机器人末端执行器的设计和功能。
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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，。