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1、果蔬采摘机器人的文献综述摘要 介绍了国内外果蔬采摘机器人的类型和特点，综述了国内外果蔬采摘机器人的研究进展，总结了果蔬采摘机器人的特点，归纳了果蔬采摘机器人研究中的关键问题并分析了典型的果蔬采摘机器人的机械结构及控制系统的过程机理等，比较了果蔬采摘机器人的动力源系统。在此基础上，对果蔬采摘机器人的研究前景进行了展望。关键词：引言随着电子计算机和自动控制技术的发展、农业高新科技的应用和推广，农业机器人已逐步进入到农业生产领域中，并将促进现代农业向着装备机械化、生产智能化的方向发展。果蔬采摘是农业生产中季节性强、劳动强度大、作业要求高的一个重要环节，使用人工采摘不仅效率低、劳动量大，而且对果蔬也造
2、成了一定量的损害。研究和开发果蔬采摘的智能机器人技术对于解放劳动力、提高生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着很重要的意义。并且，随着我国农业从业者的减少和老龄化趋势的不断加大，果蔬采摘机器人的开发利用具有巨大的经济效益和广阔的市场前景。第1章 果蔬采摘机器人的发展现状1.1 果蔬采摘机器人的特点工业领域是机器人技术的传统应用领域，工业机器人处于可控制的人工环境内，并以均匀材质、确定的尺寸和形状的物体为操作对象，目前已经得到了相当成熟的应用，而采摘机器人工作在高度非结构化的复杂环境下，作业对象是有生命力的新鲜水果或蔬菜。同工业机器人相比，果蔬采摘机器
3、人具有以下特点：1、作业环境的非结构性。由于农作物随着时间和空间而变化，工作环境是变化的、未知的，是开放性的。作物生长环境除受地形条件的约束外，还直接受季节、天气等自然条件的影响。这就要求采摘机器人不仅要具有与生物体柔性相适应的处理功能，而且还要能够顺应变化的自然环境，在视觉、触觉、多传感器融合等知识推理和判断等方面具有相当的智能。2、采摘对象的娇嫩性和复杂性。果实具有软弱易伤的特性，其形状复杂，生长发育程度各异；而且采摘对象大多被植物的枝叶所遮盖，增大了视觉定位的难度，是采摘速度和成功率降低，同时也对机械手的避障提出了更高的要求。3、作业对象大多数被树叶、树枝所掩盖，增大了机器人的视觉识别、
4、定位的难度，降低了采摘成功率，这就对机器人机械手的避障提出了更高的要求。4、作业动作的复杂性。采摘机器人一般是作业移动同时进行，农业领域的行走不是连接出发点和重点的最短距离，而是具有狭窄的范围，较长的距离甚至遍及整个田间等特点。5、作业对象和价格的特殊性。采摘机器人操作者大都是农民，因此要求采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点。另外，高智能性导致果蔬采摘机器人的制造成本较高，农民和农业经营者或无法接受，并且采摘机器人的使用受到时间和季节性的限制，使用效率不高，也是限制采摘机器人推广的重要因素。1.2 国内外果蔬采摘机器人的研究进展果蔬采摘机器人于20世纪60年代在美国开始研究，当时的采摘
5、方法是采用机械振动摇式和气动振摇式，容易造成果实的损伤，效率也不高。但在此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，果蔬采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。1983年，第一台西红柿采摘机器人在美国诞生。在其后的20多年时间里，以日本为代表的发达国家，包括美国、法国、荷兰、英国、西班牙等国相继实验成功了多种采摘机器人，如苹果、柑橘、番茄、葡萄、西瓜等的智能机器人，但这些机器人都还没能真正的实现商业化。表1为部分国家果蔬采摘机器人的研究进展情况。表1 果蔬采摘机器人的研究进展统计商业化阶段样机阶段研究阶段日本/甘蓝、葡萄、番茄、樱
6、桃、黄瓜甘蓝、番茄、茄子、西瓜、甜橙、草莓荷兰萝卜、蘑菇番茄、芦笋黄瓜、葡萄法国葡萄、橄榄、苹果、甜橙/英国/蘑菇定期收获水果的攀爬机器人美国椰菜、甜橙、柑橘/我国在农业机器人的研究开始于20世纪90年代中期，相对于发达国家起步较晚，但发展速度很快，不少院校、研究所都在进行采摘机器人的研究。如上海交通大学正在进行黄瓜采摘机器人的研究，浙江大学对七自由度番茄收获机械手进行了机构分析与优化设计研究，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别系统进行了研究等。通过跟踪国外先进技术，我国在机器人采摘领域中也取得了初步的成果，但都是出于实验阶段，距投入农业进行实际生产还需时日。第2章 果蔬采摘机器人的机械结构现
7、状分析2.1 行走机构的机械结构现状分析行走机构主要用于机械手和末端执行器的初步定位，上面装有完成收获任务的所有硬件和软件部分。不同于一般的工业机器人，果蔬采摘机器人一般不是静止的，它往往需要安装在小巧的平台上，以便于在野外不同的土壤地势条件下移动。目前，移动式采摘机器人的行走机构主要有车轮式、履带式和人形结构三种。其中以车轮式行走机构最为简单，应用也最为广泛。1、 轮式行走机构车轮结构有四轮和三轮两种形式，图2-1所示为一种三轮结构的行走机构。车体前面的轮子主要起导向和支撑作用，后面两个提供动力作为驱动轮，通过控制安装在轴上的直流电机的转速来控制车子的行走速度。图2-1 三轮式行走机构荷兰开
8、发的黄瓜收获机器人还以铺设于温室内的加热管道作为小车的行走轨道（如图2-2所示）。日本Kondo-N等人研制的番茄采摘机器人也采用了轮式移动机构(图2-3)。还有横跨于果树上方的自主导引式龙门车（图2-4）。图2-2荷兰黄瓜收获机器人（a）行走小车 （b）摄像头 （c） 机械手 （d）末端执行器 （e）微型定位摄像头（f）工控机 （g）220V电力线轴 （h）空气泵 （i）加热管图2-3番茄采摘机器人图2-4 自主导引龙门车式果蔬采摘机器人2、 履带式行走机构履带式行走机构是将圆环状的循环轨道卷绕在若干个车轮外，使车轮不直接与地面接触，利用履带可以缓和地面的凹凸不平，具有良好的稳定性能、越障能
9、力和较长的使用寿命，适合在崎岖的地面上行使。典型的履带式行走机构主要由导向轮、支重轮、驱动轮、履带板和拖链轮等部分构成。履带与其所绕过的驱动轮、导向轮、支重轮和拖带轮组成多位的“四轮一带”，结构如图2-5所示。当马达带动驱动轮转动时，与驱动链轮相啮合的链轨及履带板有相对移动的趋势，由于履带板与路面之间的附着力大于驱动链轮、支重轮和导向轮的滚动阻力，所以履带板不会滑动，而驱动链轮、支重轮和导向轮则沿着铺设的链轨滚动，从而驱动整机行走。图2-5 履带式行走机构结构简图2007年新疆机械研究院研制了我国第一台多功能果园作业机LG-1型多功能果园作业机（如图2-6所示）。该机器集采摘、修剪、喷药、运输
10、和动力发电等功能与一身，采用履带式行走装置。其工作时汽油发动机将一部分动力分配给主机的变速箱，由变速箱驱动两条橡胶履带行走。采用橡胶履带行走部件，有利于在果园土壤松软和比较潮湿的环境中行走。同时，该作业机的研制成功标志着我国果园单一的采摘机械进入到了多功能作业机械时代。图2-6 LG-1型多功能果园作业机2011年，北京市农业机械试验鉴定推广站一台小型多功能遥控动力平台研制成功（如图2-7所示）。该机械平台集成了果实采摘、果蔬剪枝、打药等多种作业功能。在同类机具中，该平台首次采用手动和无线遥控相结合的操作方式，可以方便可靠地操作机器前进、转向和停车。图2-7 小型多功能遥控动力平台此外，日本也
11、研制了如BP40型号的很多小型果园运输和管理机具，中国农业大学研制的黄瓜采摘机器人等均采用了履带式行走机构。如图2-8（a）、（b）所示图2-8（a） 筑水农机公司研制的BP40型号的果园采摘运输机2-8（b）黄瓜采摘机器人系统3、 人形行走机构在某些采摘作业场所，例如采摘西瓜等作物，其藤茎匍匐在地面上，行走空间狭小，车轮式和履带式行走机构就不再适用了。为此，日本的Ogasawara和他的研究小组尝试将人形机器人引入到采摘机器人中。如图2-9所示人形行走机构的结构简图。人形行走机构在静态时是平衡的，但在步行时，整个质心会发生偏移而产生动不平衡，控制不好的话，机器人会倾倒，对于松软的地面，维持动
12、不平衡会更加困难。 图2-9 人形行走机构 车轮式行走机构的结构较为简单，转弯半径小，转向灵活。但对于松软的地面适应性较差，同时，对于安装在其上的机械手的运动精度有一定的影响。相比于轮式行走机构，履带式行走机构也具有结构简单、驱动较容易的特点。相反的是履带式行走机构转弯半径大，转向不灵活，但对于地面的适应性较好，并且，履带式行走机构的稳定性、牵引附着性能、爬坡和越沟等性能也较好。就目前来讲，只有葡萄采摘机器人使用了履带式行走机构。由于人形行走机构的步态规划和维持动不平衡十分复杂，其研究成本较前两者也高。因此，在采摘机器人的应用中，目前技术上还并不成熟，仍处于试验研究阶段。但随着智能控制技术的进
13、步，人形行走机构将会在果蔬采摘机器人中得到广泛应用。采用智能导航技术的无人驾驶自主式小车是采摘机器人行走部分的发展趋势。2.2 机械手的结构现状分析机械手是具有传动装置的机械实体，由关节与连杆组合成一个相互连接和相互依赖的运动机构。机械手类似于人的手臂，是机械手系列机器人的主要执行部件，主要功能是将末端执行器移动到接近目标的位置，并调整方向使其容易接触目标，同时是手腕和末端执行器的支撑体。果蔬采摘机器人机械手的结构形式和自由度适用于不同果实的采摘，直接影响末端执行器的作业空间、运动精度、灵活性以及控制系统的复杂程度。研究文献表明，大部分结构形式都是直接采用工业机器人的机械手作为采摘机器人的机械
14、本体。从自由度的构成来看，机械手的结构形式主要有直角坐标结构、极坐标结构和关节型结构三种。1、直角坐标结构直角坐标机械手的手臂（如图2-10所示）前三个关节位移动关节，构造比较简单，运动方向垂直，轨迹都是直线。各关节之间没有耦合，刚性好、定位精度精度高。但是占的空间比较大，工作范围比较小，惯性大。1、2、3、为移动关节 4为转动关节图2-10直角坐标型2、极坐标型 极坐标结构的机械手，其结构刚度高、末端执行器的抓持质量大。具有两个转动关节和一个移动关节（如图2-11），灵活性较好，占地面积小，但避障能力较差。目前在黄瓜和葡萄采摘机器人中尝试了使用5自由度极坐标类型的机械手。图2-12表示黄瓜采
15、摘机器人中极坐标结构机械手原理。该机械手共有5个自由度，其中2个旋转自由度，2个回转自由度和1个伸缩自由度。在机械手的下部还有旋转和伸缩两个自由度，作用是在采摘前使机械手的倾斜角度和培育架的倾斜角度相同。黄瓜采摘机器人7个自由度中的两个伸缩自由度增大了末端执行器的活动空间范围，增强了灵活性。1、2、4为转动关节 3为移动关节图2-11极坐标型图2-12 极坐标型黄瓜采摘机器人机械手示意图3、关节坐标型 关节型机械手具有仿人臂结构（图2-13），主要有回转和旋转两种自由度组成。前单个关节都是回转关节，工作比较灵活，工作空间也较大、占地面积小，同其它结构形式相比，关节型结构对于确定三维空间中的任意
16、位置和姿势是最有效的，但刚度和精度不高。如图2-14所示，苹果采摘机器人的机械手的机构以关节型机械臂为基体，在腰部增加了可以升降的连杆折叠结构，在小臂上又增了伸缩关节，增加了机器人的作业空间。一共具有腰部升降、腰部转动、大臂俯仰、小臂摆动和小臂伸缩五个自由度，其自由度配置为：P-RRR-P。机器人控制系统通过视觉系统获取采摘目标的空间坐标，然后进行运动规划和运动学反解，求出关节空间的运动解。关节型机械手的运动规划和轨迹控制需要进行大量的数学计算，因此对控制系统的要求跟高。图2-15为一黄瓜采摘机器人机械手的总体结构，它有腰部、大臂、小臂和手腕通过旋转关节串联而成，一段固定在基座上，另一端自由并
17、安装末端执行器。图2-13 关节型机械手示意图图2-14 苹果采摘机械手机构类型图2-15 黄瓜采摘机械手总体结构示意图 机械手是机器人的重要组成部分，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，尽量采用特殊结构的机械手机构，使相邻运动副的轴线相互平行或正交。机械手结构型式的选取取决于对机器人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制的难易的要求。以直角坐标型、极坐标型、关节坐标型的顺序来看，其活动范围和灵活度有小到大，控制的程度由易到难，位置精度由高到低负载能力由大到小。如表2-1所示。表2-1各种类型机械手结构型式比较表类型优点缺点
18、使用对象直角坐标型定位精度高、结构简单、形式多样、作业空间大、容易控制、成本低灵活性差，末端执行器活动范围存在盲区采摘生长于地面的果实，如甜瓜极坐标型灵活性有所增强、结构刚度高、末端执行器的抓持质量大运动控制比较复杂，运动精度较低葡萄、黄瓜等藤生作物，苹果、柑橘等树冠高达的果实关节型灵活性强、结构紧凑、易于确定三维空间中的任意位置和姿态，可以有效避开障碍物机械刚度小，运动精度较低，抓持质量小，关节控制复杂，成本高应用较为广泛，一般为枝叶茂密，果实重量不大的作物，如普通栽培的番茄通过表2-1分析得知，就结构形式而言，关节型机械手属于仿人臂型，适用于多果实的采摘，如番茄、苹果、柑橘等，但控制较难。
19、及坐标型机械手适合采摘质量较大的果实，如收获地面上的西瓜，其采用的智能技术较关节型低，但是由于旋转关节的存在，使其控制也很复杂，而且运动精度低、成本高，其推广受到一定的限制。直角坐标型结构简单，定位精度高，控制较为容易，而且可以设计成适用于不同类果实的不同类型，与其它两种类型相比成本最低，但是灵活性也最差，避障性能也不高。为了弥补这个缺点，可以考虑通过改变作物的栽培方式来降低采摘的复杂性，采用结构简单的直角坐标型进行采摘。2.3 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
20、。在机器人采摘过程中果蔬外表发生损伤的原因主要有：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；末端执行器夹持或抓取力过大，压伤果蔬外表；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：检测果实的位姿，为执行机构提供导航信息；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
21、机构以及各类传感器以完成准确采摘并减小损伤。2.3.1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.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
22、末端执行器均为此类结构，如图2-16,2-17,2-18所示。图2-16 甜椒采摘末端执行器2-17茄子采摘末端执行器2-18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。.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2-19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
23、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。2-19柑橘采摘末端执行器如图2-20（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2-20 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
24、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。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）两指夹持 如图2-21所示，日本东京大学乔俊（Jun Qiao）等人开发设计的甜
25、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2-21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2-22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
26、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2-22 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2-23），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
27、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2-24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2-23番茄采摘机器人末端执行器主体
28、结构示意图图2-24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2-25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2-25苹果采摘机器人末端执行器夹持
29、机构结构示意图（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2-26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。四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
30、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36.5cm，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
31、.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2-26 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2-27），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2-28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2090mm。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
32、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2-27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2-28 末端执行器的抓取机构美国研制了研究员提出了
33、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2-29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2-29 美国的西红柿采摘机器人末端执行器2.3.2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
34、，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。（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
35、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）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2-30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
36、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 2-30 切割装置示意图如图2-31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
37、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2-31 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
38、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。（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。（4）激光切断图2-32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
39、。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 mm86 mm20 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 2-32果梗切断装置结构示意图如图2-33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 2-33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。
