一种果实采摘末端执行器设计与仿真分析

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1、DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2013.01.0212013年1月农机化研究第1期一种果实采摘末端执行器设计与仿真分析122丁加军，刘桂芝，杨文亮(1．南京工业职业技术学院，南京210046;2．南京工程学院，南京211167)摘要:为了实现球状果实的自动化采摘，设计了一种能够完成多种球状果实采摘的机器人末端执行器。其具有无需检测与果实的接触力和无需检测果柄与末端执行器的相对方位的突出优点，大大降低了机器人末端执行器的控制和操作难度，降低了制造成本，可采摘软硬程度不同的球状果实，具有较强的通用性。该机器人末端执行器整体结构由Pro/

2、E进行三维建模，利用ADAMS仿真软件对其采摘方案进行运动仿真和分析，验证了方案的可行性。关键词:果实;末端执行器;采摘;切割;仿真中图分类号:TP242．3文献标识码:A文章编号:1003－188X(2013)01－0112－04果柄成功率高，但前提是首先要将目标果实抓牢，然0引言后通过检测果柄相对于末端执行器的方位使刀片等近年来，果蔬采摘机器人逐渐成为农业机器人领能够准确将果柄打断;或者调整机械臂使末端执行器域研发的热点，末端执行器作为采摘机器人的核心技只能在特定采摘姿态下抓牢果实，保证果柄与末端执术之一，世界许多国家针对不同果实开发了相应的末行器

3、的相对方位确定，刀片等即可按既定动作将果柄［1－9］端执行器，取得了较多成果。同时，也共同面对诸打断。多问题需要更好的解决方案，如在保证自动化采摘效经过分析得出以下结论:一是无论以上哪种采摘率和成功率的同时降低成本和传感控制及驱动系统方案，都需要抓牢果实，但果实因种类和成熟度不同的复杂性，以推进采摘机器人的商业化和实用化进其果皮的软硬程度也不同，所以要保证抓牢又要避免程;提高通用性，使一种末端执行器能采摘多种果实。过程中出现松动或者挤碎果实的情况就要添加压力本文基于以上问题考虑，提出了一种球状果实采传感器，对抓取力进行控制，这样就增加了末端执行摘机器人

4、末端执行器，整体结构由Pro/E进行三维建器的成本及控制系统的设计难度和复杂性。二是当模表达，利用ADAMS仿真软件对末端执行器采摘方抓牢后，检测果柄与末端执行器的方位也需要增加相案进行运动仿真分析，验证了方案的可行性。应的视觉传感器或者位置传感器，同时刀片也要有足够的灵活度，能够根据果柄的不同相对方位去接近果1采摘方案分析柄将其打断，这样也增加了控制系统的复杂性和成实现果实的采摘，关键一步是要可靠快速无损伤本，会使得机械结构变得繁冗复杂。如果通过特定的完成果实与植株的分离，即将相应的果柄打断。完成姿态采摘水果，无疑降低了整体机器人的避障能力。此目标任

5、务可以有以下几种方式:①抓牢果实后，模所以本文提出的末端执行器的设计目标为:采摘仿人采摘时手腕的掰拧动作将果柄拧断;②用微型电过程果不需要抓牢果实，不需检测果柄位置，也不限锯将果柄割断;③抓紧果实后，利用一定速度的刀片定采摘姿态，同时保证结构紧凑简明，具有较高的采将果柄砍断;④判断果柄位置，利用剪刀将果柄剪断;摘成功率和效率，具有良好的通用性。⑤夹住果实后，用激光将果柄烧断。2采摘方案实现这几种方案中，其中第1种方案对于柔韧果柄和枝条的情况采摘成功率低;第2～5种方案对于打断基于前述的分析，确定设计目标后，基于Pro/E设计开发了一种球状果实采摘机器人

6、末端执行器(如图收稿日期:2012－07－301所示)，该末端执行器主要由步进电机、双作用伸缩基金项目:南京工业职业技术学院重大科研项目(YK10－01－06)气缸、四指开合机构和弧形刀片等几大部分组成。其作者简介:丁加军(1963－)，男，江苏姜堰人，副教授，高级工程师，(E－mail)dingjj@niit．edu．cn。中，步进电机通过联轴器可带动其余部件与电机轴同·112·2013年1月农机化研究第1期步转动，为弧形刀片旋转切割果柄提供动力;双作用拟合弧形手指的内廓表面形状，焊接在每一个弧形手气缸由其活塞杆驱动四指开合机构动作，将目标果实指的内

7、廓表面上，长度与手指相当;步进电机启动后包围，其中弧形刀片焊接于弧形四指内侧，并在刀片带动四指绕对称轴转动，弧形刀片即可以旋转割断任内侧粘有一定厚度的海绵层，防止采摘过程中果皮与意方位的果柄。刀片直接接触。1．铰接轴2．活塞杆3．弧形刀片4．海绵层5．螺钉6．顶拉板7．手指8．连杆9．机架板图2四指开合机构1．手指及弧形刀片2．四指开合机构3．双作用气缸3ADAMS运动仿真分析4．联轴器5．机械臂连接件6．步进电机图1末端执行器主体结构示意图为了进一步说明本末端执行器的采摘动作原理和2．1四指开合的实现整机制造之前能够初步检验结构方案的合理性，本文2．

8、1．1手指数量的确定利用大型动态仿真软件ADAMS对末端执行器采摘动本末端执行器具有4个手指，