茄子采摘机器人末端执行器设计

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1、2008年12月农研究第12期茄子采摘机器人末端执行器设计刘长林，张铁中，杨丽(中国农业大学工学院，北京100083)摘要：为了满足茄子采摘机器人的可靠性和安全性需要，设计研制了一种茄子采摘机器人的末端执行器。该末端执行器主要由传动机构、切割机构和抓取机构等几大部分组成，具有节省动力源、结构简单、体积小、质量轻等特点。设计的抓取机构对指定有效范围内(直径3—6．5em)的茄子收获比较可靠，不伤果实；切割机构能够高质量地完成切割。经实验测定表明：对不同位置和不同大小的茄子进行抓取的成功率为92．76％，证实所研制机构能够顺利完成茄子采摘。关键词：茄子采摘机器人；末端执行器；切割机构；抓

2、取机构中图分类号：TP241；S126文献标识码：A文章编号：1003—188X(2008)12—0062-03割。日本近年来研究了一种带吸盘、夹持手指和割刀0引言的末端执行器]，可靠性高，但机构极其复杂。为了在茄子的生产作业中，收获采摘是费力最大、耗在二者之间获得平衡，笔者研究了一种介于二者之间时最多的一个环节，约占整个作业量的50％～的末端执行器。70％。为了保证产品的质量，必须做到适时采摘，1组成及工作原理这是整个作业中最辛苦的工作。与此同时，采摘作业的好坏直接影响到收获茄子的质量、储存和后续加1．1结构简图工，从而最终影响到茄子的市场价格和菜农的最终收末端执行器的结构如图1所

3、示。该末端执行器的益。如何以低成本获得高品质的产品，是茄子采摘生主要工作部件由锯齿轮盘切刀(2)、双向螺旋丝杠产环节中必须重视和考虑的问题。自动化收获无疑(4)、直流电机(8)和夹持手指(11)组成，完成夹持果可以解决现有问题。实和切割果柄的主要任务。由于采摘作业的复杂性，茄子采摘的自动化程度仍旧较低，目前国内外的茄子基本上是手工作业。随人口老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也会相应提高，对于一些人力资源匮乏的国家(如日本)来说，能够实现茄子的自动采摘尤其必要。因此，这些国家先后进行了茄子采摘机器人的研究。伴随着茄子采摘机器人的研究发展，末端执行器的发展也越来越受关注。对于茄子自

4、动收获而言，一个能够仿效人手的采摘末端执行器是必不可少的。1．夹持手指2．滑轨3．电机支架4．赢流电机5．蜗杆现有的末端执行器主要是单夹持连带割刀式j，6．刀架7．蜗轮8．双向螺旋丝杠9．刀架导向杆(内有导向槽)一般采用气动手爪或电磁铁作为动力装置。此种末10．锯齿轮盘切刀11．三角传动支架端夹持方式单一，夹持范围固定，并由于快速的夹持图1采摘机器人末端执行器简图(侧视)容易导致损伤果实，而且需要额外的动力进行切1．2工作原理由主控计算机进行视觉定位果实空间点，机械手收稿日期：2008—0l一25带动末端执行器运动到抓取果实的位置。基金项目：国家自然科学基金资助项目(60375036

5、)1)上位机控制信号传到下位机，根据控制信号启作者简介：刘长林(1979一)，男，吉林榆树人，博士研究生，(E—mail)动末端执行器主控电机；chafin~006@163．eom。2)电机驱动双向螺旋丝杠(4)，带动螺母连接的通讯作者：张铁中(1956一)，男，河北邢台人，教授，博士生导师。·62·2008年12月农机化研究第12期夹持手指(11)动作，夹持茄子果实，夹住果实后，双向结构，夹持手指的预紧力刚好可以夹持到设定的最小螺旋丝杠的螺母转到空螺纹处，夹持手指不再动作，的茄子果实，以后丝杆转动而螺母原地不动；当进行保持现有位置不变；“松开”动作时，在连在两个螺母之间的回位弹簧张

6、力3)随着双向丝杠的螺母的运动，带动三角传动支的作用下，螺母向相反的两个方向运动，随双向丝杠架的后端相向运动，前端前进，从而带动切’刀支架缓的转动，螺母重新回到丝杠的螺纹上，沿螺纹向两边慢前进，进行茄子果梗切割；运动，松开夹持的果实。4)当刀架切割果梗后停留在固定位置，末端执行器“抓取”过程结束；5)机械手带末端执行器返回，末端执行器电机反转，执行“放开”程序，松开抓取的果实，果实落人收获筐中。2主要部件的设计总体设计思路是结构尽可能简单和紧凑，运动与操作上尽可能灵活和轻巧，便于控制且抓取可靠，切割完全，其主要部件设计如下。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

7、向丝杠6．蜗轮7．蜗杆8．电机轴9．回位弹簧2。1动力及传动部分设计图2末端执行器抓取机构简图该部分由电机、同步带副、蜗轮蜗杆副组成。实2．3切割机构设计现抓取和切割的机构都由一个电机单独完成，节省动该部分主要由三角传动支架、刀架、刀架导向杆力源，变速装置实现切割速度较大，抓取速度较小。(内有导向槽)和锯齿轮盘切刀组成，如图3所示。整个末端执行器采用一个动力源，即24V，15W直流电机。电机主轴直接带动传动比为1：2的两组同步带，从而使固连在刀架传动链末尾