采摘机器人欠驱动末端抓手设计与分析
采摘机器人避障末端臂的设计与试验
农 机 化 研 究
第 ２期
采 摘 机 器 人 避 障 末 端 臂 的 设 计 与 试 验
丁加 军 ，刘 桂 芝 ，杨 文 亮
（ １ ． 南 京工 业 职 业 技术 学 院 ，南 京 摘 ２ １ ０ ０ ４ ６；２ ． 南京 工 程 学 院 ，南 京 ２ １ １ １ ６ ７ ）
要 ： 在 机 器 人 实 际采 摘 果 实 的作 业 中 ， 机器人末端臂及末端 执行器与果树枝条接触 碰撞几率最高 ， 其 要 具
有 感 知碰 撞 的能 力 ， 从 而判 断 原 规 划 采摘 路 径 的合 理性 ， 最终 实 现 避 障 采摘 之 目的 。为 此 ， 提 出 了一 种 采 摘 机 器
０ 引 言
自１ ９ ８ ３年 第 １台西 红 柿 采 摘 机 器 人 在 美 国诞 生 以来 ， 采 摘 机 器 人 的研 究 和 开 发 历 经 了 ３ ０多 年 。 在 国外 ， 日本 、 美 国 和 西 欧 等 发 达 国 家 相 继 立 项 开 发 了 苹果 、 柑桔、 西红柿、 西 瓜 和 葡 萄 等 智 能 采 摘 机 器 人 １ － ７ ］ 。 日本 Ｋ ｏ ｎ ｄ ｏ — Ｎ 的 团 队 研 制 的西 红 柿 采 摘 机 械 手具 有 ７个 自由度 ， 在 机 构 灵 活 度 方 面增 强 了机 械
手的避 障能力。Ｊ ｏ ｈ ａ ｎ Ｂ ａ ｅ ｔ ｅ ｎ和 Ｓ ｖ ｅ ｎ Ｂ ｏ ｅ ｄ ｒ ｉ ｊ 等人研制
的苹果 采 摘 机器 人 ， 将 工 业 机 器 人 的 ６ 自由度 手 臂 安 装 于可 竖 直 升 降的 架子 上 ， 再 由 １台拖 拉 机 牵 引 在 果 园里 作 业 。法 国一 家公 司开 发 了苹 果 采 摘 机 器 人 ， 其
苹果采摘机器人的结构设计与分析
式中，i x代表的是第图1 采摘机器人结构图采摘机器人采用无线信号控制，底部承重平台上置有一个控电柜，内部包含主控器、信号接收器、信号发射器等，在六自由度承重平台下方焊接一圈圆形导轨，并在其上方安装可绕导轨环形运动的移动摄像头，摄像头可向上仰角20°，向下俯角60°，带有三关节，实现可自由旋转360°。
在机器人工作期间，可通过手机配合手柄控制车体运动方向，末端执行器上装有颜色识别传感器和微型超高清摄像头，首先，通过摄像头获取苹果位姿图像，提信息判断采摘对象是否成熟；其次，利用红外传感器获取苹果是否在抓手可采摘范围信息；最后，通过～700mm，不考虑物体之间的阻尼与摩擦等因素，模型材料统一设定为大减少了计算量，但对计算结果未产生本质影响；（3）为提高运算速度，计算的迭代次数等需要修改配置。
主要部件的结构与强度校核六自由度平台瞬态结构校核六自由度运动平台由承载底盘、十字虎克铰、电动缸、气缸、顶部承接台、多边形承载架等组成，本小节主要对承载底盘进行结构分析。
在Workbench行瞬态结构校核，需先进行模型简化，并将其转为求解阶段，首先删除所有接触关系，将结构设定为几个主要连接副，如图3为底部承载平台接触设计总图。
图3 底部承载平台接触设定总图此模型要求在Mechanical中实现姿态控制与运动，因此需给电缸一个位移分量，而Mechanical中只有轴可以实现位移，故在设定电缸与气缸的平移运动副时考虑将电缸及气缸的行程推杆组成全局坐标系，使得轴正方向指向电缸杆的伸出方向，以避免后续求解过程中出现位移方向不合理的情况。
通过分析，求解部分收敛性能良好，在其求解完成总图中，收敛力和标准力均符合要求。
图4 总变形云图由图4可知，在此设定状态下，底部承载平台模图5 总变形云图本文首先对苹果采摘机器人六自由度平台进行运动学分析，验证了模型设计的科学性和合理性，其次对行走机构、末端执行机构进行结构及强度校核，结果分析表明，机械结构合理有效。
基于TRIZ理论的苹果采摘机器人末端执行器的设计
（1） 结构合理紧凑并且可靠性高就会给批量生产带来难
度，即可制造性（32）；
（2）执行器要尽可能做到适应复杂环境的采摘作业，可能
增加执行器机构的复杂程度，即装置的复杂性（36）。
以 上 两 类 条 件 通 用 工 程 参 数 为 27 、32 、35 、36 、39 ， 分 别 将
以上参数作为行、列建立矛盾矩阵列表[4]，如表2所示。
表2 执行器冲突矩阵
27
32
35
36
39
27
13、35、8、24 13、35、1 1、35、29、38
32
2、13、15
27、26、1 35、1、10、8
35 35、13、8、24 1、13、31
15、29、37、28 35、28、6、37
36 13、5、1 27、26、1、13 19、15、28、37
灵活程度高，结构设置合理紧凑，即结构的稳定性（39）；
（2）采摘作业往往时间长、任务紧，所以末端执行器必须
可靠性高，即可靠性（27）；
（3）为了节省资源，末端执行器的适用范围应该广泛，即
适应性及多用性（35）。
设计制作时在保证以上条件的过程中很有可能导致其他
性能有所下降，现将可能下降的性能总结如下：
Sheji yu Fenxi◆设计与分析
基于TRIZ理论的苹果采摘机器人末端执行器的设计
乔海龙 李卫国 王利利 （内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051）
摘 要：以苹果为采摘对象，研究苹果的物理性质，制定末端执行器的设计要求，阐述TRIZ理论的原理和方法，结合设计要求应用 TRIZ理论解决问题的方法合理安排末端执行器的设计流程，最终设计出符合要求的苹果采摘机器人末端执行器。
欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析
欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析
张林;王兴东;孙伟;龚彩云
【期刊名称】《武汉科技大学学报》
【年(卷),期】2024(47)1
【摘要】传统欠驱动机械手的运动空间相对固定、操作功能单一,对抓取物没有较强的自适应性,为此设计一种新的连杆式欠驱动灵巧手机构,并进行设计优化和仿真抓取实验。
阐述了该灵巧手的整体机构设计及工作原理,其可实现包络和指尖两种抓取模式。
根据手指的几何尺寸采用协同耦合方式设计手掌尺寸,利用可变手掌协同手指抓取,提高了灵巧手在抓取形状复杂和不同尺寸物体时的自适应性。
基于虚功原理建立灵巧手单指各关节的接触力模型,针对抓取过程中存在的抓取力不足及抓取不稳等问题,使用NSGA-II优化算法对单指机构的杆长进行尺度综合。
利用建立的虚拟样机进行仿真抓取实验,结果表明,该灵巧手具有较强的自适应性,能够稳定抓取多种形状和尺寸的物体。
【总页数】8页(P47-54)
【作者】张林;王兴东;孙伟;龚彩云
【作者单位】武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH112
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1.欠驱动手爪设计及接触力分析与仿真
2.两关节绳驱式欠驱动手爪设计与仿真分析
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5.一种新型欠驱动机械手爪的抓取分析和优化设计
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果蔬采摘欠驱动灵巧机械手的设计
果蔬采摘欠驱动灵巧机械手的设计
杨婕;赵晓栋;宋申祥;张兆德
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2015(000)005
【摘要】欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构. 为了实现果蔬的无损采摘,通过理论分析、指端结构设计、传动机构设计和驱动机构设计与建模仿真,设计出一种灵活性高、结构简单的果蔬采摘欠驱动灵巧机械手.该机械手抓取物体时具有形状自适应能力,可完全包络物体实现无损采摘,且体积小、成本低,能够适应农业采摘自动化技术的推广.
【总页数】3页(P93-95)
【作者】杨婕;赵晓栋;宋申祥;张兆德
【作者单位】浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山,316022;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山316022;浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山 316022;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山,316022;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山316022;浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山 316022
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
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5.果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制 [J], 金波;林龙贤
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毕业设计采摘机械手
设计一个采摘机械手作为毕业设计是一个有趣和有挑战的项目。
以下是一个简要的设计方案：
1. 目标与需求分析：
-目标：设计一个能够自动采摘果实的机械手，提高采摘效率和减轻劳动强度。
-需求：机械手应具备准确的定位能力、稳定的抓取力度，并适应不同类型的果实。
2. 机械结构设计：
-手臂结构：选择合适的关节设计，使机械手具备较大的工作范围和灵活性。
-抓取器设计：根据果实的形状和大小，设计合适的抓取器，如夹爪、吸盘或夹子等，以确保稳定和安全地抓取果实。
3. 控制系统设计：
-定位系统：使用视觉传感器或激光测距仪等装置，实时识别果实的位置和姿态，并将数据传输给控制系统。
-运动控制：根据定位系统提供的数据，通过电动驱动或气动驱动等方式，控制机械手的运动，实现精确定位和抓取。
4. 自动化控制设计：
-控制算法：设计合适的算法，用于判断果实的成熟度、确定最佳采摘时机，并控制机械手的动作。
-用户界面：设计一个友好的用户界面，方便操作员监控和调整机械手的工作参数。
5. 安全性与可靠性设计：
-安全保护：考虑在机械手上安装传感器，如碰撞传感器或力传感器，以避免对果实和操作人员造成损害。
-可靠性测试：进行系统测试和验证，确保机械手在连续工作中的稳定性和可靠性。
6. 性能评估与改进：
-进行实地测试和评估机械手的采摘效率、准确性和稳定性。
-根据实际使用情况，收集反馈意见并进行改进，优化机械手的设计和性能。
以上是一个初步的设计方案，具体实施过程中需要根据自身的条件和资源对细节进行调整和完善。
另外，为确保设计的可行性和安全性，建议与导师和相关专业人士进行深入讨论和指导。
毕业设计（论文）-果实采摘机械手的设计与仿真
柑橘采摘机器人机械手的选型 .......................................................................... 69
3.1 可移动小车底盘 .................................................................................................. 72
3.2 升降梯 ............................................................................. 72
4.2 设计三维软件 SOLIDWORKS 简介 ....................................................................... 76
4.3 连杆机构设计方案 .............................................................................................. 76
the design of picking manipulator for small citrus fruit is to realize the whole process of
fruit picking.
This paper analyzes the environment of picking and characteristics of the fruit picking
球形水果采摘末端执行器设计与仿真
球形水果采摘末端执行器设计与仿真设计和仿真球形水果采摘末端执行器包含以下步骤：1.需求分析首先，需要对球形水果采摘末端执行器的需求进行分析。
这包括了采摘水果的种类、形状和尺寸，采摘的高度和角度等等。
根据需求分析，确定采摘末端执行器的设计参数。
2.机械设计在机械设计中，需要考虑采摘末端执行器的结构和材料选择。
采摘末端执行器需要具备足够的强度和刚度，能够承受水果的重量和采摘过程中的冲击力。
同时，也需要考虑执行器的重量和尺寸，以便操控和安装。
3.执行器机构设计执行器机构设计是整个采摘末端执行器的关键部分。
针对球形水果的形状和采摘方式，可以设计一个可以自由旋转的夹持机构，以确保夹持水果的稳定性和安全性。
夹持机构需要具备足够的闭合力，以避免水果在采摘过程中滑落。
4.传动系统设计传动系统设计涉及到执行器的驱动方式和功率。
根据需求，可以选择电动驱动方式，并考虑到执行器对功率的需求。
通过选择适当的电机和传动装置，可以实现采摘末端执行器的精确控制和高效运行。
5.控制系统设计控制系统设计包括执行器的控制电路和程序编写。
控制电路可以实现执行器的开关和速度控制，以及对夹持力的调节。
程序编写可以实现采摘末端执行器的智能控制，可以自动识别水果的位置和状态，并根据需求进行采摘操作。
6.运动学分析和仿真通过运动学分析和仿真，可以验证采摘末端执行器的设计和功能。
可以使用软件工具进行仿真，模拟执行器的运动轨迹和夹持力，以及应对不同情况下的采摘操作。
通过仿真，可以找出潜在的问题并进行改进。
7.制造和测试最后，根据设计图纸和仿真结果，进行采摘末端执行器的制造和测试。
在制造过程中，需要确保材料的质量和加工的精度。
在测试过程中，可以对执行器进行负载试验和采摘试验，以评估其性能和稳定性。
综上所述，设计和仿真球形水果采摘末端执行器不仅需要进行机械设计和执行器机构设计，还需要考虑传动系统的选择和控制系统的设计。
通过运动学分析和仿真，可以验证设计的正确性，并进一步进行制造和测试。
火龙果采摘机器人末端执行器设计与试验
林业工程学报，２０２３，８（４）：１４４－１５０ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０２２０９０１１收稿日期：２０２２－０９－０６㊀㊀㊀㊀修回日期：２０２３－０３－２０基金项目：江苏省现代农机装备与技术推广项目（ＮＪ２０２１－１８）；江苏省重点研发计划项目（ＢＥ２０２１０１６－２）；江苏省重点研发计划面上项目（ＢＥ２０１８３６４）；江苏省农业科技自主创新项目（ＣＸ［２２］３０９９）；南京林业大学２０２１年自制实验教学仪器项目（ｎｌｚｚｙｑ２０２１０６）㊂作者简介：张跃跃，男，研究方向为水果采摘机器人㊂通信作者：王金鹏，男，副教授㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｐｗａｎｇ＠ｎｊｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ火龙果采摘机器人末端执行器设计与试验张跃跃，田嘉全，王文祥，周佳良，王金鹏∗，胡皓若（南京林业大学机械电子工程学院，南京２１００３７）摘㊀要：火龙果因其具有较高的营养价值，受到越来越多人的欢迎，随着产量上升和人力短缺的矛盾日益突出，亟需机器取代人的智能化采摘技术与装备㊂为此，设计了一种咬合式椭圆轨迹末端执行器，以期实现以火龙果叶棱为定位基准的快速剪切式采摘，同时实现保证采摘质量的情况下切口长度缩短到与人工剪切相当的目标㊂对火龙果外形参数进行测量确定末端执行器的尺寸㊂以不同的加载速度对火龙果进行单刀剪切试验得出剪切力约为５０Ｎ，通过运动学仿真，得出末端执行器在咬合过程中位移㊁速度㊁加速度等参数变化曲线，并判断有无干涉等问题，叶棱剪切长度为３６．３４ ４１．６４ｍｍ，保证机构设计的合理性㊂依据剪切机构受力分析，对动力源进行选型㊂通过视觉系统，结合压力薄膜传感器反馈压力信号，控制末端执行器对果实进行采摘㊂以气压值为因素，以单果采摘时间㊁采摘成功率㊁剪切叶棱长度为指标，构建末端执行器样机试验平台，并进行了８０次试验㊂根据实验结果，选取０．５ＭＰａ为最佳气压值，此时采摘成功率为９０％，单果采摘时间平均为０．４６ｓ，剪切叶棱长度平均为３６．６９ｍｍ㊂与已有的圆形轨迹末端执行器采摘结果进行了对比分析，结果表明，相比圆形轨迹末端执行器剪切叶棱长度分别减少了４６．４７％，４７．８４％，４８．７０％和４８．３６％㊂果园实地采摘试验发现，０．５ＭＰａ同样为最佳采摘气压值，此时采摘成功率为８５％，单果采摘时间为０．４３ｓ，剪切叶棱平均长度为３９．８０ｍｍ，验证了设计的合理性㊂关键词：采摘机器人；末端执行器；椭圆轨迹；运动学仿真；火龙果中图分类号：Ｓ７７６㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀㊀文章编号：２０９６－１３５９（２０２３）０４－０１４４－０７Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｆｏｒｄｒａｇｏｎｆｒｕｉｔｐｉｃｋｉｎｇｒｏｂｏｔＺＨＡＮＧＹｕｅｙｕｅ，ＴＩＡＮＪｉａｑｕａｎ，ＷＡＮＧＷｅｎｘｉａｎｇ，ＺＨＯＵＪｉａｌｉａｎｇ，ＷＡＮＧＪｉｎｐｅｎｇ∗，ＨＵＨａｏｒｕｏ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００３７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｈｉｇｈｎｕｔｒｉｔｉｏｎａｌｖａｌｕｅ，ｄｒａｇｏｎｆｒｕｉｔｈａｓｂｅｅｎｗｅｌｃｏｍｅｄｂｙｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｐｅｏｐｌｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎ⁃ｃｒｅａｓｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｉｓｉｎｇｃｈａｌｌｅｎｇｅｏｆｔｈｅｓｈｏｒｔａｇｅｏｆｍａｎｐｏｗｅｒ，ｔｈｅｒｅｉｓａｎｕｒｇｅｎｔｎｅｅｄｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｉｎｔｅｌ⁃ｌｉｇｅｎｔｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｔｏｒｅｐｌａｃｅｍａｎｕａｌｗｏｒｋ．Ｆｏｒｔｈｉｓｒｅａｓｏｎ，ａｎｏｃｃｌｕｓｉｖｅｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｗａｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｆａｓｔ⁃ｓｈｅａｒｉｎｇｐｉｃｋｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｄｒａｇｏｎｆｒｕｉｔｌｅａｆｅｄｇｅａｓｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｇｏａｌｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｃｕｔｌｅｎｇｔｈｔｏｔｈｅｓａｍｅａｓｔｈｅｍａｎｕａｌｃｕｔｔｉｎｇｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｅｎｓｕｒｉｎｇｔｈｅｐｉｃｋｉｎｇｑｕａｌｉｔｙ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｓｈａｐｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｄｒａｇｏｎｆｒｕｉｔｓｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅｓｉｎｇｌｅ⁃ｋｎｉｆｅｓｈｅａｒｔｅｓｔｓｏｎｄｒａｇｏｎｆｒｕｉｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄｓ，ａｎｄｔｈｅｓｈｅａｒｆｏｒｃｅｗａｓａｂｏｕｔ５０Ｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｈａｎｇｅｃｕｒｖｅｓｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｄｕｒｉｎｇｔｈｅｏｃｃｌｕｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄｗｉｔｈｏｒｗｉｔｈｏｕｔｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｗａｓｊｕｄｇｅｄ．Ｔｈｅｂｌａｄｅｅｄｇｅｓｈｅａｒｌｅｎｇｔｈｗａｓ３６．３４－４１．６４ｍｍ，ｗｈｉｃｈｅｎｓｕｒｅｄｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｄｅｓｉｇｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｖｉｓｕａｌｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｌｍｓｅｎｓｏｒｆｅｅｄｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｔｏｐｉｃｋｔｈｅｆｒｕｉｔｓ．Ｔｈｅｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ａｎｄ８０ｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇｔｈｅａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅｖａｌｕｅａｓｔｈｅｆａｃｔｏｒａｎｄｔｈｅｓｉｎｇｌｅｆｒｕｉｔｐｉｃｋｉｎｇｔｉｍｅ，ｐｉｃｋｉｎｇｓｕｃｃｅｓｓｒａｔｅａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｅｄｇｅｌｅｎｇｔｈａｓｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，０．５ＭＰａｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｂｅｓｔａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅｖａｌｕｅ．Ａｔｔｈｉｓｔｉｍｅ，ｔｈｅｐｉｃｋｉｎｇｓｕｃｃｅｓｓｒａｔｅｗａｓ９０％，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｓｉｎｇｌｅｆｒｕｉｔｐｉｃｋｉｎｇｔｉｍｅｗａｓ０．４６ｓ，ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｃｕｔｔｉｎｇ⁃ｅｄｇｅｌｅｎｇｔｈｗａｓ３６．６９ｍｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇ⁃ｅｄｇｅｌｅｎｇｔｈｓｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒｔｒａｃｋｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｗｅｒｅ４６．４７％，４７．８４％，４８．７０％ａｎｄ４８．３６％ｌｅｓｓｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒｔｒａｃｋｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅｆｉｅｌｄｐｉｃｋｉｎｇｔｅｓｔｉｎｔｈｅｏｒｃｈａｒｄｆｏｕｎｄｔｈａｔ０．５ＭＰａｗａｓａｌｓｏｔｈｅｂｅｓｔｐｉｃｋｉｎｇａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅｖａｌｕｅ．Ａｔｔｈｉｓｔｉｍｅ，ｔｈｅｐｉｃｋｉｎｇｓｕｃｃｅｓｓｒａｔｅｗａｓ８５％，ｔｈｅ㊀第４期张跃跃，等：火龙果采摘机器人末端执行器设计与试验ｐｉｃｋｉｎｇｔｉｍｅｏｆｓｉｎｇｌｅｆｒｕｉｔｗａｓ０．４３ｓ，ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｌｅｎｇｔｈｏｆｃｕｔｔｉｎｇｌｅａｆｅｄｇｅｗａｓ３９．８０ｍｍ，ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｃｋｉｎｇｒｏｂｏｔ；ｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒ；ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｌｏｃｕｓ；ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｄｒａｇｏｎｆｒｕｉｔ㊀㊀随着火龙果市场不断扩大，我国火龙果种植面积不断增加㊂截至２０２１年，我国火龙果种植面积突破６．６７万ｈｍ２，跃居世界首位［１］㊂火龙果采摘是火龙果产业的重要环节，机械化采收提高了采摘效率，改善了劳动条件，降低了采摘成本㊂采摘机器人通过末端执行器与果实直接接触对果实进行采摘，末端执行器被认为是采摘环节中最重要的部件，直接影响采摘效率㊁采摘成功率［２－３］㊂国外对于采摘末端执行器研究起步较早㊂美国ＡｂｕｎｄａｎｔＲｏｂｏｔｉｃｓ公司［４］研发设计苹果采摘机器人通过真空抽吸系统将果实吸入内部，采摘效率比较高［５－７］㊂Ｗｉｌｌｉａｍｓ等［８］研制了猕猴桃采摘机器人，该末端执行器在抓住果实时，将果实向上略微抬升后通过旋转一定角度，将猕猴桃从果茎结合处折断，将果实送入滑槽中从而进入收集装置［９－１１］㊂但这些末端执行器适用于果实与果柄结合力相对较小的果实，针对采用抽吸的方法采摘果实更容易将叶片以及细嫩枝条吸入管道㊂意大利卡塔尼亚大学的Ｍｕｓｃａｔｏ等［１２］研发的柔性三指夹持柑橘的末端执行器，在视觉的识别定位下柔性三指末端执行器靠近果实并夹住果实，利用圆锯片对果柄进行剪切㊂但柔性手指适用于质量较轻的果实，同时采用圆形刀片旋转切割容易对周围的果实㊁枝叶造成一定的损伤［１３－１５］㊂国内对于末端执行器也有一定的研究，但大多采用先夹持后剪切的方式，这些末端执行器采用多个动力源，增加了整体的质量，降低了采摘效率，同时控制系统较为烦琐，很难应用于实际采摘环节中［１６－１７］㊂本研究针对火龙果生物学特性，克服已有末端执行器的不足，设计了一种咬合式椭圆轨迹末端执行器，制作物理样机，构建物理样机平台，并对其工作性能进行试验㊂１㊀末端执行器设计所设计的末端执行器主要由机械结构㊁控制系统和视觉系统组成［１８－２０］，本研究主要对末端执行器的机械结构与控制系统进行设计㊂１．１㊀末端执行器整体设计及工作原理采摘对象台湾红心火龙果质量范围为１６５ ４６０ｇ，长径为６６ １０２ｍｍ，横径为５５ ８０ｍｍ㊂红心火龙果有棱角且呈逆向生长状态，在进行采摘过程中，工人一手握住火龙果，另一只手持剪刀分两次剪切果实与枝条结合部位，枝条被剪切轮廓呈Ｖ 字形㊂根据采摘方式，本研究提出了咬合式椭圆轨迹末端执行器，该方式可降低对火龙果识别精度的要求，采用气缸驱动，提高采摘效率㊂末端执行器主要包括：剪切机构㊁压力薄膜传感器装置与机械臂连接的手腕连接件等（图１），其中剪切机构是关键机构㊂剪切机构采用咬合的方式由双摇杆机构组成，刀片安装在刀片支撑架上，气缸通过动力传动推板㊁连杆驱动双摇杆机构实现上下刀片咬合运动㊂压力薄膜传感器采用ＦＳＲ电阻式薄膜压力传感器，阈值力为０．２Ｎ，压力薄膜传感器的位置可通过压力薄膜传感器支撑架进行前后调节㊂整个装置通过手腕连接件与机械臂末端进行连接㊂１．压力薄膜传感器安装架；２．压力薄膜传感器；３．压力薄膜传感器支撑架；４．刀片支撑架；５．支撑铝板；６．手腕连接件；７．双轴气缸；８．动力传动推板；９．连杆；１０．摇杆一；１１．摇杆二；１２．主框架板；１３．刀片㊂图１㊀末端执行器结构示意图Ｆｉｇ．１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒ在仿真软件中按照１ʒ１对剪切机构运动轨迹进行模拟，结果为类椭圆形，根据其上下对称特点拟合椭圆图（椭圆图比例为１ʒ２），如图２所示㊂椭圆的标准方程为：ｘ２ａ２＋ｙ２ｂ２＝１式中：ａ为７３．１１ｍｍ；ｂ为４５．４３ｍｍ；正常情况下剪切叶棱宽度ｗ范围为６ ８ｍｍ，通过计算得出剪切叶棱宽度范围为３６．３４ ４１．６４ｍｍ㊂采摘时，上下刀片处于分开状态㊂当安装在机械臂上的双目相机识别到果实时，机械臂带动末端执行器不断靠近果实，当压力薄膜传感器安装架上的压力薄膜传感器触碰到叶棱有一定的压力时，气５４１林业工程学报第８卷图２㊀末端执行器运动轨迹图及拟合椭圆图Ｆｉｇ．２㊀Ｍｏｔｉｏｎｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｄｉａｇｒａｍａｎｄｆｉｔｔｉｎｇｅｌｌｉｐｓｅｄｉａｇｒａｍｏｆｅｎｄｅｆｆｅｃｔｏｒ缸进气，气缸的输出轴伸出，带动双摇杆机构运动，带动上下刀片运动，使刀片相错咬合，剪切果实㊂采摘完成后，气缸输出轴回缩，带动摇杆机构运动，使啮合的刀片复位，完成一次果实采摘㊂１．２㊀火龙果剪切特性不同种类水果采摘所需要的剪切力不同，同一种类水果剪切力也会有差别㊂火龙果剪切力的大小与火龙果剪切速度有关，本研究选用柔韧性较好的不锈钢刀片进行剪切试验㊂通过不同厚度刀片的剪切试验，得出刀片的厚度对剪切力大小几乎没有影响㊂本研究选用０．４ｍｍ厚度不锈钢刀片对火龙果进行单刀剪切，加载速度分别为５，２０，１００，２００ｍｍ／ｓ，分４组进行，每组５个，共对２０个肉质茎直径为２．９５ ４．１２ｍｍ的火龙果进行剪切试验，结果如表１所示㊂表１㊀不同加载速度对火龙果单刀剪切试验结果Ｔａｂｌｅ１㊀Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｎｇｌｅｋｎｉｆｅｓｈｅａｒｔｅｓｔｏｎｄｒａｇｏｎｆｒｕｉｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄｓ序号果实质量／ｇ加载速度／（ｍｍ㊃ｓ－１）肉质茎直径／ｍｍ峰值剪切力／Ｎ１１６８．０２５２．９６１３７．３２３６４．４３５３．７２１６５．７３３５２．４１５３．４５１４８．５４２００．３２５３．０８１２１．４５３７１．８４５３．９６２０５．１６２０１．０１２０３．０１１１６．７７３６３．３２２０３．８３１７４．９８３７５．３８２０４．１０２１７．６９２３１．７１２０３．１２１０２．１１０３６０．１４２０３．６４１２８．８１１３３６．１７１００３．４２１０９．１１２１６７．５２１００２．９８８７．４１３１７０．２４１００２．９９８０．６１４３４５．４１１００３．５７１２１．３１５３７７．３７１００４．０２１２７．４１６１７６．５２２００２．９５６６．２１７３０８．２１２００３．３２７８．５１８３３４．２７２００３．４９８２．３１９３７８．０７２００４．１２７５．４２０３７２．３１２００３．８９７２．７㊀㊀采用不同加载速度进行剪切试验，结果表明：果实最大切断力为２０５．１Ｎ，最小切断力为６６．２Ｎ；随着加载速度的不断增加切断力在不断减小㊂根据末端执行器上下左右对称的特点，为了确保将果实顺利采摘下来，所需要的剪切力约５０Ｎ㊂１．３㊀剪切机构受力分析对火龙果剪切试验可以得出剪切火龙果阻力（Ｆ５）约为５０Ｎ，对剪切机构闭合的一瞬间进行受力分析如图３所示，并计算气缸的推力（Ｆ１），选用合适的气缸作为动力源㊂Ｆ１＝２Ｆ２（１）Ｆ３＝Ｆ２ｃｏｓα（２）ａＦ４＝（ａ－ｂ）Ｆ３（３）Ｆ５＝Ｆ４ｃｏｓβ（４）式中：ａ为４４ｍｍ；ｂ为１８ｍｍ；β为４５ʎ；α为３３．４ʎ㊂计算得出Ｆ２为１４３．５９Ｎ，Ｆ１为２８７．１８Ｎ，根据力的大小选择合适的动力源㊂上述剪切试验所求的剪切阻力５０Ｎ是在低速静载运动的条件下得出的，在实际工作时气缸驱动剪切机构高速咬合，在其中会有一定的冲击力㊂因此，所需要的推力小于气缸产生的推力，气缸运动速度可达到５００ｍｍ／ｓ，所以在选择气缸时可以考虑输出力相对较小的气缸，以降低整体质量㊂查询亚德客型号气缸ＴＮ２０ˑ２０Ｓ在０．５ＭＰａ空气压力作用下，其理论输出力为３１４．２Ｎ，又因为气缸质量较轻，所以选用该气缸作为动力源，为末端执行器剪切提供动力㊂图３㊀椭圆机构受力局部图Ｆｉｇ．３㊀Ｌｏｃａｌｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｅｌｌｉｐｔｉｃｍｅｃｈａｎｉｓｍ６４１㊀第４期张跃跃，等：火龙果采摘机器人末端执行器设计与试验２㊀椭圆轨迹末端执行器运动学仿真分析为了便于直观地了解刀片在运动过程中位移㊁速度㊁加速度等变化曲线，将Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ里的末端执行器三维模型图导入ＡＤＡＭＳ仿真软件后得到虚拟样机㊂本研究对上刀片进行仿真分析，对模型材料进行定义，施加转动㊁移动以及动力等约束，对其进行运动学仿真分析得到速度㊁加速度等曲线，如图４和图５所示㊂双轴气缸运动２０ｍｍ时，上下刀片啮合，在３１４．２Ｎ的推力下，刀片运动平稳，没有产生突变，整个机构没有明显冲击力，无任何干涉等问题，结构比较合理㊂图４㊀刀片速度与角速度变化曲线Ｆｉｇ．４㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｋｎｉｆｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｎｇｕｌａｒｖｅｌｏｃｉｔｙ图５㊀刀片加速度与角加速度曲线Ｆｉｇ．５㊀Ｂｌａｄｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄａｎｇｕｌａｒａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓ３㊀椭圆轨迹末端执行器控制系统设计火龙果采摘系统与其末端执行器分别有独立的控制系统㊂本研究选用ＺＥＤ双目立体相机作为视觉系统，用于获取火龙果图像数据；选用ＮＶＩＤＩＡＪｅｔｓｏｎＸａｖｉｅｒＮＸ系统作为移动端嵌入式系统，将模型部署到该系统中，用于计算处理火龙果图像进行识别定位；机械臂选用南京种子智能科技公司的Ｓ６Ｈ４Ｄ＿Ｐｌｕｓ六轴机械臂，作为机器视觉系统的下位机；采摘末端执行器则以ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６单片机作为核心控制系统㊂压力薄膜传感器专用线性电压转换模块将电阻信号转变为高低电平信号，压力薄膜传感器设定的阈值力为０．２Ｎ㊂当接收压力大于设定的阈值时，ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６单片机便输出高电平，工作电压３．３Ｖ㊂继电器接收到高电平信号时，２路继电器开关均闭合，继电器控制电磁阀打开，双轴气缸伸长驱动剪切机构咬合运动，工作电压为直流５Ｖ，电磁阀工作电压为直流２４Ｖ㊂末端执行器的控制系统结构如图６所示，控制流程图如图７所示，通过计算机编程实现对火龙果的机械化采摘㊂图６㊀控制系统结构Ｆｉｇ．６㊀Ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ图７㊀末端执行器控制流程Ｆｉｇ．７㊀Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ４㊀平台构建与采摘试验４．１㊀平台构建根据前述三维模型的建立及仿真分析结果，加工制作末端执行器样机与本课题组已有末端执行样机［２１］㊂压力薄膜传感器安装在末端执行器上的７４１林业工程学报第８卷压力薄膜传感器安装架上，气缸作为动力源安装在主框架板的两侧，将末端执行器安装到机械臂上，自动化采摘装置平台的构建如图８所示㊂１．采摘果实；２．叶棱；３．压力薄膜传感器；４．末端执行器；５．机械臂；６．ＺＥＤ双目立体相机；７．人机交互界面；８．控制盒㊂图８㊀末端执行器样机与采摘装置平台Ｆｉｇ．８㊀Ｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｐｒｏｔｏｔｙｐｅａｎｄｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｐｌａｔｆｏｒｍ４．２㊀椭圆轨迹末端执行器采摘试验４．２．１㊀试验材料１）六轴机械臂㊁ＺＥＤ双目立体相机㊁控制盒㊁电脑显示器；２）采用带有火龙果果实的枝条模拟火龙果基地采摘场景；３）实验记录设备：秒表㊁游标卡尺㊂４．２．２㊀试验方法在实验室模拟大棚火龙果生长状态进行采摘试验，末端执行器的剪切力与气缸的运行速度有关，气缸运行速度与气压值有关，一般情况下气压值越大，气缸运动速度越快，对火龙果剪切时的冲量越大㊂本次试验气压值采用０．４ ０．７ＭＰａ，分４组进行，每组进行２０次共对８０个肉质茎范围为３ ４㊁４ ５ｍｍ的火龙果随机进行采摘试验㊂以上下刀片咬合并张开为单果采摘时间，以成功采摘无损果实次数与采摘总次数的比值为采摘成功率㊂其中无损采摘的定义为：采摘下来的果实未受到任何损伤㊂统计单果采摘时间㊁采摘成功率㊁剪切叶棱长度㊁剪切叶棱宽度㊁肉质茎范围等，火龙果采摘试验过程如图９所示㊂实验结果分析如表２所示㊂图９㊀火龙果实验室采摘试验Ｆｉｇ．９㊀Ｄｒａｇｏｎｆｒｕｉｔｐｉｃｋｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ表２㊀椭圆轨迹末端执行器采摘试验结果Ｔａｂｌｅ２㊀Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｌｌｉｐｔｉｃｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｐｉｃｋｉｎｇ气压值／ＭＰａ采摘成功率／％单果采摘时间／ｓ肉质茎范围／ｍｍ剪切叶棱平均长度／ｍｍ０．４８５０．５９３ ５３９．６８０．５９００．４６３ ５３６．６９０．６８５０．３３３ ５４０．９９０．７８００．１８３ ５４２．５５㊀㊀从试验结果得出，气压值在０．５ＭＰａ时采摘成功率最大，最大为９０％；在０．７ＭＰａ时采摘成功率最低，最低为８０％㊂单果采摘时间随着气压值的增加而减少，气压值在０．７ＭＰａ时采摘时间最低，采摘平均时间为０．１８ｓ；但在０．６ ０．７ＭＰａ时由于气压值比较大，采摘末端执行器在采摘过程中有一定的振动，剪切叶棱长度相对较长㊂剪切叶棱平均长度分别４０．９９和４２．５５ｍｍ㊂在０．４ＭＰａ时采摘成功率略低于０．５ＭＰａ时的采摘结果㊂可将０．５ＭＰａ作为最佳气压值，此时采摘成功率为９０％，单果采摘时间平均为０．４６ｓ，剪切叶棱平均长度为３６．６９ｍｍ㊂４．３㊀圆形轨迹末端执行器采摘对照试验利用相同的实验方法对本课题组已有的圆形轨迹末端执行器进行相同的采摘试验，试验结果如表３所示㊂表３㊀圆形轨迹末端执行器采摘试验结果Ｔａｂｌｅ３㊀Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｉｒｃｕｌａｒｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｐｉｃｋｉｎｇ气压值／ＭＰａ采摘成功率／％单果采摘平均时间／ｓ肉质茎范围／ｍｍ剪切叶棱平均长度／ｍｍ０．４８５０．５６３ ５７４．１３０．５８５０．５１３ ５７０．３４０．６８００．３７３ ５７９．９１０．７７５０．２３３ ５８２．４０㊀㊀由采摘试验结果分析可以发现，气压值在０．４和０．５ＭＰａ时采摘成功率最大，均为８５％；在０．７ＭＰａ时采摘成功率最低，最低为７５％㊂单果采摘时间与椭圆轨迹末端执行器剪切试验结果相差不大，但在叶棱剪切长度上相差较大㊂对比分析可以发现，气压值在０．４ ０．７ＭＰａ时，圆形轨迹末端执行器剪切叶棱平均长度分别为７４．１３，７０．３４，７９．９１，８２．４０ｍｍ，而椭圆轨迹末端执行器剪切叶棱平均长度分别为３９．６８，３６．６９，４０．９９，４２．５５ｍｍ㊂椭圆轨迹末端执行器剪切叶棱长度相较于圆形轨迹末端执行器剪切叶棱长度分别减少了４６．４７％，４７．８４％，４８．７０％和４８．３６％㊂由此可知，椭圆轨迹末端执行８４１㊀第４期张跃跃，等：火龙果采摘机器人末端执行器设计与试验器在采摘过程中减小了对火龙果叶棱的损伤，可降低火龙果植株感染病害的风险㊂４．４㊀果园实地试验本次试验采用０．５和０．６ＭＰａ气压值对大棚火龙果随机进行剪切，试验分２组进行，每组随机采摘２０次，共对４０个肉质茎直径为２．８ ３．１ｍｍ的火龙果进行剪切，统计末端执行器采摘成功率㊁单果采摘时间㊁肉质茎直径㊁剪切叶棱长度等㊂火龙果采摘试验过程如图１０所示，试验结果分析如表４所示㊂图１０㊀火龙果实地采摘试验Ｆｉｇ．１０㊀Ｆｉｅｌｄｐｉｃｋｉｎｇｔｅｓｔｏｆｄｒａｇｏｎｆｒｕｉｔ表４㊀试验结果分析Ｔａｂｌｅ４㊀Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ气压值／ＭＰａ采摘成功率／％单果采摘平均时间／ｓ剪切叶棱平均长度／ｍｍ肉质茎范围／ｍｍ０．５８５０．４３３９．８０２．８ ３．１０．６８００．３６４１．９０２．８ ３．１㊀㊀由表４可知，随着气压值增大，单果采摘时间不断减小㊂由于气压值增大，末端执行器振动幅度相对较大，导致气压值在０．６ＭＰａ时采摘成功率㊁剪切叶棱平均长度略高于气压值为０．５ＭＰａ时㊂气压值在０．５ＭＰａ时采摘成功率为８５％，单果采摘时间为０．４３ｓ，剪切叶棱平均长度为３９．８０ｍｍ，略低于相同气压值下实验室采摘试验值，原因是果园环境比较复杂，且果实倾斜角度相对较大㊂５㊀结㊀论１）针对火龙果生物特性设计了一种椭圆轨迹末端执行器，剪切机构运行轨迹为类椭圆形，由双摇杆机构组成㊂对火龙果以不同的加载速度进行采摘试验得出所需要的剪切力约为５０Ｎ㊂通过理论分析选用合适动力源，并对末端执行器进行运动学仿真分析，最后加工制作物理样机㊂２）实验室环境下以０．４ ０．７ＭＰａ气压值对椭圆轨迹末端执行器㊁圆形轨迹末端执行器进行采摘试验，每种气压值下对２０个火龙果进行采摘试验，试验结果发现，椭圆轨迹末端执行器剪切叶棱平均长度分别为３９．６８，３６．６９，４０．９９，４２．５５ｍｍ㊂圆形轨迹末端执行器剪切叶棱平均长度分别为７４．１３，７０．３４，７９．９１，８２．４０ｍｍ，相较于圆形轨迹末端执行器剪切叶棱长度分别减少了４６．４７％，４７．８４％，４８．７０％，４８．３６％，两种末端执行器均在气压值为０．５ＭＰａ时采摘效果最佳㊂果园实地采摘试验结果表明，气压值同样在０．５ＭＰａ时采摘效果最佳，此时采摘成功率为８５％，单果采摘时间为０．４３ｓ，剪切叶棱平均长度为３９．８０ｍｍ㊂参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］范超．火龙果开启乡村振兴火红路［Ｎ］．经济参考报，２０２２－１２－１３（６）．ＦＡＮＣ．ＤｒａｇｏｎｆｒｕｉｔｏｐｅｎｓＨｕｏｈｏｎｇＲｏａｄｆｏｒｒｕｒａｌｒｅｖｉｔａｌｉｚａｔｉｏｎ［Ｎ］．ＥｃｏｎｏｍｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤａｉｌｙ，２０２２－１２－１３（６）．［２］李会宾，史云．果园采摘机器人研究综述［Ｊ］．中国农业信息，２０１９，３１（６）：１－９．ＤＯＩ：１０．１２１０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－０４２３．２０１９０６０１．ＬＩＨＢ，ＳＨＩＹ．Ｒｅｖｉｅｗｏｎｏｒｃｈａｒｄｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｒｏｂｏｔｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２０１９，３１（６）：１－９．［３］ＺＨＡＮＧＢＨ，ＸＩＥＹＸ，ＺＨＯＵＪ，ｅｔａｌ．Ｓｔａｔｅ⁃ｏｆ⁃ｔｈｅ⁃ａｒｔｒｏｂｏｔｉｃｇｒｉｐｐｅｒｓ，ｇｒａｓｐｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａ⁃ｔｉｏｎｓｉｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｒｏｂｏｔｓ：ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＥｌｅｃ⁃ｔｒｏｎｉｃｓｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２０２０，１７７：１０５６９４．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｍｐａｇ．２０２０．１０５６９４．［４］ＺＨＡＮＧＺ，ＩＧＡＴＨＩＮＡＴＨＡＮＥＣ，ＬＩＪ，ｅｔａｌ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒｏ⁃ｇｒｅｓｓｉｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈａｒｖｅｓｔｏｆｆｒｅｓｈｍａｒｋｅｔａｐｐｌｅｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２０２０，１７５：１０５６０６．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｍｐａｇ．２０２０．１０５６０６．［５］ＺＨＡＮＧＫＸ，ＬＡＭＭＥＲＳＫ，ＣＨＵＰＹ，ｅｔａｌ．Ｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｎａｐｐｌｅｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｒｏｂｏｔ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，２０２１，７９：１０２６４４．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ．２０２１．１０２６４４．［６］尹吉才．新型苹果采摘机器人的研究［Ｄ］．兰州：兰州理工大学，２０１９．ＹＩＮＪＣ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｎｅｗａｐｐｌｅｐｉｃｋｉｎｇｒｏｂｏｔ［Ｄ］．Ｌａｎｚｈｏｕ：ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１９．［７］ＢＵＬＡＮＯＮＤ，ＫＡＴＡＯＫＡＴ．ＦｒｕｉｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄａｎｅｎｄｅｆｆｅｃｔｏｒｆｏｒｒｏｂｏｔｉｃｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｏｆＦｕｊｉａｐｐｌｅｓ［Ｊ］．ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎ⁃ｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ：ｔｈｅＣＩＧＲｅ⁃Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１０，１２（１）：２０３－２１０．［８］ＷＩＬＬＩＡＭＳＨＡＭ，ＪＯＮＥＳＭＨ，ＮＥＪＡＴＩＭ，ｅｔａｌ．Ｒｏｂｏｔｉｃｋｉ⁃ｗｉｆｒｕｉｔｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｕｓｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｖｉｓｉｏｎ，ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌｎｅｕｒａｌｎｅｔ⁃ｗｏｒｋｓ，ａｎｄｒｏｂｏｔｉｃａｒｍｓ［Ｊ］．ＢｉｏｓｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１９，１８１：１４０－１５６．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓｅｎｇ．２０１９．０３．００７．［９］戎毫．基于果梗分离采摘方式的猕猴桃采摘末端执行器研制［Ｄ］．杨凌：西北农林科技大学，２０１９．ＲＯＮＧＨ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｋｉｗｉｆｒｕｉｔｐｉｃｋｉｎｇｅｎｄａｃｔｕａｔｏｒｂａｓｅｄｏｎｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｐｉｃｋｉｎｇｏｆｆｒｕｉｔｓｔｅｍｓ［Ｄ］．Ｙａｎｇｌｉｎｇ：ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１９．［１０］崔永杰，马利，何智，等．基于最优空间的猕猴桃双臂并行采摘平台设计与试验［Ｊ］．农业机械学报，２０２２，５３（８）：１３２－１４３．ＤＯＩ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１２９８．２０２２．０８．０１４．ＣＵＩＹＪ，ＭＡＬ，ＨＥＺ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｄｕａｌｍａ⁃ｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｐａｒａｌｌｅｌｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｋｉｗｉｆｒｕｉｔｂａｓｅｄｏｎｏｐｔｉｍａｌｓｐａｃｅ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＡｇｒｉ⁃９４１林业工程学报第８卷ｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙ，２０２２，５３（８）：１３２－１４３．［１１］ＤＡＶＩＤＳＯＮＪＲ，ＭＯＣ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｎｉｔｉａｌｐｅｒｆｏｒｍ⁃ａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇｏｆａｎａｐｐｌｅ⁃ｐｉｃｋｉｎｇｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＡＳＭＥ２０１５ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｇｒｅｓｓａｎｄＥｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１３－１９，２０１５，Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ，ＵＳＡ：２０１６．ＤＯＩ：１０．１１１５／ＩＭＥＣＥ２０１５－５０４８２．［１２］ＭＵＳＣＡＴＯＧ，ＰＲＥＳＴＩＦＩＬＩＰＰＯＭ，ＡＢＢＡＴＥＮ，ｅｔａｌ．Ａｐｒｏｔｏ⁃ｔｙｐｅｏｆａｎｏｒａｎｇｅｐｉｃｋｉｎｇｒｏｂｏｔ：ｐａｓｔｈｉｓｔｏｒｙ，ｔｈｅｎｅｗｒｏｂｏｔａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ［Ｊ］．ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＲｏｂｏｔ：ａｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒ⁃ｎａｌ，２００５，３２（２）：１２８－１３８．ＤＯＩ：１０．１１０８／０１４３９９１０５１０５８２２５５．［１３］彭艳，刘勇敢，杨扬，等．软体机械手爪在果蔬采摘中的应用研究进展［Ｊ］．农业工程学报，２０１８，３４（９）：１１－２０．ＤＯＩ：１０．１１９７５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－６８１９．２０１８．０９．００２．ＰＥＮＧＹ，ＬＩＵＹＧ，ＹＡＮＧＹ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎａｐｐｌｉ⁃ｃａｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔｒｏｂｏｔｉｃｇｒｉｐｐｅｒｉｎｆｒｕｉｔａｎｄｖｅｇｅｔａｂｌｅｐｉｃｋｉｎｇ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８，３４（９）：１１－２０．［１４］华超，褚凯梅，陈昕，等．软体水果采摘机械手系统设计分析与试验［Ｊ］．林业工程学报，２０２１，６（３）：１２７－１３２．ＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０２００６００４．ＨＵＡＣ，ＣＨＵＫＭ，ＣＨＥＮＸ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎ，ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒ⁃ｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｓｏｆｔｐｉｃｋｉｎｇｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｆｒｕｉｔｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２１，６（３）：１２７－１３２．［１５］陈蒙，陈丰，周稳．柔性采摘末端执行器研究进展［Ｊ］．林业机械与木工设备，２０２１，４９（１１）：１１－１６．ＤＯＩ：１０．１３２７９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｆｍｗｅ．２０２１．０１４６．ＣＨＥＮＭ，ＣＨＥＮＦ，ＺＨＯＵＷ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｆｌｅｘｉｂｌｅｐｉｃｋｉｎｇｅｎｄａｃｔｕａｔｏｒｓ［Ｊ］．ＦｏｒｅｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＷｏｏｄｗｏｒｋｉｎｇＥ⁃ｑｕｉｐｍｅｎｔ，２０２１，４９（１１）：１１－１６．［１６］徐丽明，刘旭东，张凯良，等．脐橙采摘机器人末端执行器设计与试验［Ｊ］．农业工程学报，２０１８，３４（１２）：５３－６１．ＤＯＩ：１０．１１９７５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－６８１９．２０１８．１２．００７．ＸＵＬＭ，ＬＩＵＸＤ，ＺＨＡＮＧＫＬ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｓｔｏｆｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｆｏｒｎａｖｅｌｏｒａｎｇｅｐｉｃｋｉｎｇｒｏｂｏｔ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８，３４（１２）：５３－６１．［１７］陈燕，蒋志林，李嘉威，等．夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计与性能试验［Ｊ］．农业机械学报，２０１８，４９（１）：３５－４１．ＤＯＩ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１２９８．２０１８．０１．００４．ＣＨＥＮＹ，ＪＩＡＮＧＺＬ，ＬＩＪＷ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｏｆｌｉｔｃｈｉｐｉｃｋｉｎｇｅｎｄ⁃ｅｆｆｅｃｔｏｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｌａｍｐｉｎｇａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎ⁃ｅｒｙ，２０１８，４９（１）：３５－４１．［１８］张莎莎，王周宇，陈礼鹏，等．基于ＭａｔＬａｂ的多目标猕猴桃无损采摘路径规划［Ｊ］．农机化研究，２０１９，４１（４）：１８－２３．ＤＯＩ：１０．１３４２７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｎｊｙｉ．２０１９．０４．００４．ＺＨＡＮＧＳＳ，ＷＡＮＧＺＹ，ＣＨＥＮＬＰ，ｅｔａｌ．Ｎｏｎ⁃ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｍｕｌｔｉｋｉｗｉｆｒｕｉｔｂａｓｅｄｏｎＭａｔｌａｂ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１９，４１（４）：１８－２３．［１９］ＹＥＬ，ＤＵＡＮＪＬ，ＹＡＮＧＺ，ｅｔａｌ．Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ⁃ｆｒｅｅｍｏｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇｆｏｒｔｈｅｌｉｔｃｈｉ⁃ｐｉｃｋｉｎｇｒｏｂｏｔ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２０２１，１８５：１０６１５１．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｍｐａｇ．２０２１．１０６１５１．［２０］ＷＡＮＧＨ，ＺＨＡＯＱ，ＬＩＨ，ｅｔａｌ．Ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ⁃ｂａｓｅｄｓｍｏｏｔｈｔｒａｊ⁃ｅｃｔｏｒｙｐｌａｎｎｉｎｇｆｏｒｆｒｕｉｔ⁃ｐｉｃｋｉｎｇｒｏｂｏｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ［Ｊ］．ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２０２２，９（１）：１１２－１２２．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｉｎｐａ．２０２１．０８．００１．［２１］桂晨晨．火龙果机械化采摘系统研制及试验［Ｊ］．南京：南京林业大学．２０２１．ＧＵＩＣＣ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｐｉｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐｉｔａｙａｆｒｕｉｔ［Ｊ］．Ｎａｎｊｉｎｇ：ＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０２１．（责任编辑㊀田亚玲）０５１。
欠驱动机器人手指实验平台的设计
Ｖ Ｉ Ｃ Ｏ Ｎ 红外光点三维运动分析 系统组成。 平 台机构采用海顿直线步进电机驱 动导轨 滑块 ， 从 而牵引绳索控 制手 指弯曲
和伸展 ； 平 台控制 系统采 用 ＤＳ Ｐ Ｆ ２ ８ １ ２作为主控 制器 ， 通过驱动器控制 直线步进 电机 的转 动 ； Ｖ Ｉ ＣＯＮ 红外光点三 维运
及优 化 设计 提 供测试 平 台和测试 数据 。
实验平台控制系统 、红外光点三维运动分析 系统及 数据存储与处理模块。其总体架构如 图 ２ 所示 。 实验平 台机 械结构 为整 个平 台提 供 了硬件 基 础 ，
１ 三关节 绳索驱 动的欠驱 动机器人手指结构
以Ｄ Ｓ Ｐ — Ｆ ２ ８ １ ２为核心的控制系统为直线步进电机 的 本实验平 台的实验对象是三关节绳索驱动 的欠 驱动提供了保障 ， 当电机牵引绳索驱动手指弯 曲或伸 驱动机器人手指 ， 该手指有三个指关节 ， 分别为近指 展时 ， 手指各个关节标记点的空间运动被分布式的六
Ｓ ｔ ａ ｎ ｆ ｏ ｒ ｄ ／ Ｊ Ｐ Ｌ手【 １ － 等， 但是这些手的系统复杂 ， 质 量 在其 内部进行有规则的绕线和固定 。直线步进 电机
偏重 。为了同时兼顾灵活性和轻便性 ， 国内外的专家 通过牵引和释放钢丝绳 ，在弹性扭簧和限位元件的 学者提出了欠驱动机构阁 。 欠驱动机构是指在机构中， 独立控制变量（ 驱动单元 ） 少于系统的 自由度数 的机 构［ ６ １ 。欠驱动手指通过弹簧和限位元件实现手指的自
适应抓握川 ， 其拥有驱动少 、 质量轻 、 能耗低等优点 ， 但 同时也受弹性元件 和限位元件的影响 ，导致机器
人手 指 的精 确 控制 ， 轨迹 跟 踪有 一定 难度嘲 。
配合下， 完成手指的弯曲和伸展动作。
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采摘机器人欠驱动末端抓手设计与分析
摘要：农业是国家经济的基础，其中，果蔬产业占据着农业的重要地位。
我
国是果蔬的产出大国，果蔬需求量增加使得果蔬产业对劳动力的需求也增加。
在
果蔬的生产过程中，最重要的是采摘步骤。
然而，传统的人工采摘模式已经远远
不能满足，加上农村劳动力的流失，果蔬业面临着十分严峻的难题。
因此，发展
果蔬采摘机器人是十分必要的，不仅能够代替人力劳动，减少用工成本，还能提
高采摘效率，对于果蔬产业的发展具有重要意义。
关键词：果蔬采摘；末端抓手；绳传动；欠驱动
1.总体方案确定
1.1明确抓取目标
果蔬的种类繁多，形状大小各不相同，需要所设计的采摘机器人末端抓手具
备较佳的适应性。
本课题以苹果和黄瓜这两个最常见的水果和蔬菜为采摘机器人
欠驱动末端抓手的夹取目标，通过对它们的几何特性和形状进行分析来得到机器
人末端抓手的夹取条件、基本参数、驱动方式和结构形式。
虽然不同品种的西红柿和黄瓜的形状大小和质量不同，但总体来说，苹果类
似于球体，黄瓜类似于长圆柱体，其截面都类似圆形。
由表可知，苹果的平均直
径为100mm，平均质量为180g；黄瓜的平均直径为45mm，平均质量为145g。
本
课题所设计的采摘机器人末端抓手将以苹果和黄瓜直径与质量的平均值为参考。
1.2各类采摘机器人末端执行器比较
1.2.1吸入式末端执行器
吸入式末端执行器是通过吸盘、吸筒等，采用负压的原理来抓取果实，对果
实表皮的损伤较小，响应比较快。
但是，抓持力有限，仅适用于球状的单颗果蔬，如苹果、番茄、草莓等。
1.2.2两指夹持式末端执行器
两指夹持式末端执行器通常是采用两片夹板组成夹持机构，对果实进行两个在同一直线、相反方向的夹持力的夹取，稳定夹取后，用切刀将果杆剪切以得到果实。
这种类型的采摘机器人末端执行器可以夹取的果实体积范围较大，但是容易出现夹持力不在质心上，夹持不稳定的情况。
1.2.3指节式仿人手末端执行器
指节式仿人手末端执行器是模仿人手的结构，多根手指，多个指节，采用连杆传动或腱绳传动，可以实现欠驱动方式，提高灵活性和简便性，可以对不同形态的物体进行捏取、包络抓取等不同的动作，通用性更强。
因此，本课题所设计的采摘机器人欠驱动末端抓手选用指节式仿人手末端执行器类型。
2.欠驱动末端抓手设计要求
（1）实用性。
能够实现抓取不同种类、不同形状、不同体积的果蔬；
（2）可靠性。
有效稳定地抓取，不损坏果蔬表皮；
（3）质量轻。
采用简单的结构和较少的电机，减轻整体质量；
（4）操作性。
易于操作和维护；
3.传动方式的选择
通过调查分析了解到，目前应用于机器人末端抓手中传递运动和动力的方式有齿轮传动、绳传动、连杆传动等。
其中齿轮传动的准确性高、输出力大，传动效率和可靠性都比较高，但是体积和质量较大，增加了电机的负载，结构复杂，制造成本高，不适用于果蔬采摘机器人末端抓手。
连杆传动没有滞后性，输出力较大，但是传动距离较短，抓取不稳定，也不适合。
而绳传动方式，虽然只能承受单向拉力，但是可以配合关节回弹元件使用，可以实现模拟人手和对物体的包络型，能够满足设计要求。
因此，本课题所设计的采摘机器人欠驱动末端抓手选用绳传动的方式，不仅可以减轻整体的质量，还能保持良好的欠驱动适应性，结构简化，成本降低。
4.结构设计
4.1结构设计初始构想
为了扩大采摘机器人欠驱动末端抓手的应用范围，使其不仅能抓取不同形态
的果蔬，还能进行精细和复杂的操作任务，具有对作业环境和抓取对象的高度适
应性。
本设计将参考人手的工作原理，模仿人手的抓取功能和多关节多自由度形
式的结构。
人类的手在经过大自然优胜劣汰的进化后，已然是最为灵巧的，具有极高的
适应性和功能性，是目前许多机械手结构设计和功能设计的重要参照物。
人手的
五个手指一共有14个关节，27块骨骼，20个自由度。
其中，拇指的两块骨骼构
成两个关节，不仅可以作屈伸、收展的运动，还可以旋转，使其对准中指或靠在
食指旁边。
而食指、中指、无名指和小指具有三个骨骼，三各关节，也可以进行
屈伸和收展运动。
所以人手能够对不同形状和尺寸的物体进行圆柱包络抓取、捏取、提取、球形包络抓取，侧向夹取等复杂操作。
而人手的结构决定了其功能的
实现。
人手由骨骼、血管、神经、皮肤、肌腱和韧带组成，其中，骨骼类似于机
械手的机械结构，起到支撑和执行的作用；神经类似于传感器和控制系统，有着
感知、反馈和控制的作用；而肌腱和韧带就是传动系统，负责传递动力。
本课题
将参考人手的结构来构思采摘机器人末端抓手，机械结构的指节部分类似人手的
骨骼，肌腱和韧带的作用将有绳子来代替。
4.2总体结构设计
目前，仿人手的机械手主要有以DLR（Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt）手为代表的手掌式机械多指手和以JPL（Jet Propulsion Laboratory）手为代表的不具备手掌式多指手。
没有手掌的机械手抓取目标的体
积范围比较大，能够抓取尺寸较小的物体，灵巧度较高。
而具有手掌式的机械手
虽然对抓取目标物体的体积有限制，但是，它能够实现圆柱包络抓取和球体包络
抓取，满足采摘机器人欠驱动末端抓手抓取苹果和黄瓜的要求，并且，其还能提
供足够的摩擦力，大大提高了抓取作业时的稳定性。
在采摘机器人的结构设计中，
最重要的前提就是采摘时的稳定性。
所以，本课题所设计的采摘机器人欠驱动末
端抓手将采用具有手掌式的机械多指手结构。
5.指节结构设计
前文中提到抓取目标为苹果和黄瓜，其中。
苹果的平均截面直径为100mm，
黄瓜的平均截面直径为40mm。
为了让采摘机器人欠驱动末端抓手的手指在进行球
状物体包络抓取时能够满足苹果的尺寸要求，在进行圆柱物体包络抓取时能够满
足黄瓜的尺寸要求，要设计手指两个指节的尺寸范围。
机械抓手在抓取黄瓜时，
由于是进行圆柱物体包络抓取，根据人手抓取圆柱物体时的手指形态，指节之间
的角度较小，手指弯曲程度较大。
因此，在设计机械抓手指节尺寸时，假设两指
节弯曲到互相垂直，可以发现，两个指节的长度都要至少大于40mm。
而当机械抓
手在抓取苹果时，所进行的动作为球状物体包络抓取，并且苹果的尺寸较大，所以，抓取时手指弯曲程度较小，指节之间的角度较大。
6.欠驱动方式的实现
本课题所设计的采摘机器人欠驱动末端抓手一共具有8个自由度，其中，拇
指具有2个自由度，食指和中指各具有3个自由度。
为了节约能量、降低造价、
减轻机械抓手的重量、增强抓手的灵活性，在本设计中，每根手指地下各有一个
直流电机控制手指的屈伸，在食指与中指中间，放置一个伺服电机控制两根手指
的侧摆运动。
在这种情况下，系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数，实
现欠驱动方式。
本课题所设计的采摘机器人欠驱动末端抓手所选用的传动方式为绳驱动，因此，为了使电机工作时输出力能够通过绳子传递到手指上，实现手指的屈伸运动，需要在直流电机的输出轴装一个绞盘，绳子缠绕在绞盘上，在顺着近指节上的两
个滑轮装置缠绕到远指节处，由此来实现电机输出力的传递。
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