果蔬采摘機器人的綜述報告

果蔬采摘機器人的文獻綜述摘要介紹了國內(nèi)外果蔬采摘機器人的類型和特點，綜述了國內(nèi)外果蔬采摘機器人的研究進展，總結(jié)了果蔬采摘機器人的特點，歸納了果蔬采摘機器人研究中的關(guān)鍵問題并分析了典型的果蔬采摘機器人的機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的過程機理等，比擬了果蔬采摘機器人的動力源系統(tǒng)。在此根底上，對果蔬采摘機器人的研究前景進行了展望。關(guān)鍵詞：引言隨著電子計算機和自動控制技術(shù)的開展、農(nóng)業(yè)高新科技的應(yīng)用和推廣，農(nóng)業(yè)機器人已逐步進入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，并將促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備機械化、生產(chǎn)智能化的方向開展。果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中季節(jié)性強、勞動強度大、作業(yè)要求高的一個重要環(huán)節(jié)，使用人工采摘不僅效率低、勞動量大，而且對果蔬也造成了一定量的損害。研究和開發(fā)果蔬采摘的智能機器人技術(shù)對于解放勞動力、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)本錢、保證新鮮果蔬品質(zhì)，以及滿足作物生長的實時性要求等方面都有著很重要的意義。并且，隨著我國農(nóng)業(yè)從業(yè)者的減少和老齡化趨勢的不斷加大，果蔬采摘機器人的開發(fā)利用具有巨大的經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景。果蔬采摘機器人的開展現(xiàn)狀1.1果蔬采摘機器人的特點工業(yè)領(lǐng)域是機器人技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，工業(yè)機器人處于可控制的人工環(huán)境內(nèi)，并以均勻材質(zhì)、確定的尺寸和形狀的物體為操作對象，目前已經(jīng)得到了相當成熟的應(yīng)用，而采摘機器人工作在高度非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境下，作業(yè)對象是有生命力的新鮮水果或蔬菜。同工業(yè)機器人相比，果蔬采摘機器人具有以下特點：1、作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性。由于農(nóng)作物隨著時間和空間而變化，工作環(huán)境是變化的、未知的，是開放性的。作物生長環(huán)境除受地形條件的約束外，還直接受季節(jié)、天氣等自然條件的影響。這就要求采摘機器人不僅要具有與生物體柔性相適應(yīng)的處理功能，而且還要能夠順應(yīng)變化的自然環(huán)境，在視覺、觸覺、多傳感器融合等知識推理和判斷等方面具有相當?shù)闹悄堋?、采摘對象的嬌嫩性和復(fù)雜性。果實具有軟弱易傷的特性，其形狀復(fù)雜，生長發(fā)育程度各異；而且采摘對象大多被植物的枝葉所遮蓋，增大了視覺定位的難度，是采摘速度和成功率降低，同時也對機械手的避障提出了更高的要求。3、作業(yè)對象大多數(shù)被樹葉、樹枝所掩蓋，增大了機器人的視覺識別、定位的難度，降低了采摘成功率，這就對機器人機械手的避障提出了更高的要求。4、作業(yè)動作的復(fù)雜性。采摘機器人一般是作業(yè)移動同時進行，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的行走不是連接出發(fā)點和重點的最短距離，而是具有狹窄的范圍，較長的距離甚至普及整個田間等特點。5、作業(yè)對象和價格的特殊性。采摘機器人操作者大都是農(nóng)民，因此要求采摘機器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點。另外，高智能性導致果蔬采摘機器人的制造本錢較高，農(nóng)民和農(nóng)業(yè)經(jīng)營者或無法接受，并且采摘機器人的使用受到時間和季節(jié)性的限制，使用效率不高，也是限制采摘機器人推廣的重要因素。1.2國內(nèi)外果蔬采摘機器人的研究進展果蔬采摘機器人于20世紀60年代在美國開始研究，當時的采摘方法是采用機械振動搖式和氣動振搖式，容易造成果實的損傷，效率也不高。但在此后，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的開展，特別是工業(yè)機器人技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，果蔬采摘機器人的研究和開發(fā)技術(shù)得到了快速的開展。1983年，第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生。在其后的20多年時間里，以日本為代表的興旺國家，包括美國、法國、荷蘭、英國、西班牙等國相繼實驗成功了多種采摘機器人，如蘋果、柑橘、番茄、葡萄、西瓜等的智能機器人，但這些機器人都還沒能真正的實現(xiàn)商業(yè)化。表1為局部國家果蔬采摘機器人的研究進展情況。表1果蔬采摘機器人的研究進展統(tǒng)計商業(yè)化階段樣機階段研究階段日本/甘藍、葡萄、番茄、櫻桃、黃瓜甘藍、番茄、茄子、西瓜、甜橙、草莓荷蘭蘿卜、蘑菇番茄、蘆筍黃瓜、葡萄法國葡萄、橄欖、蘋果、甜橙//英國/蘑菇定期收獲水果的攀爬機器人美國椰菜、甜橙、柑橘//我國在農(nóng)業(yè)機器人的研究開始于20世紀90年代中期，相對于興旺國家起步較晚，但開展速度很快，不少院校、研究所都在進行采摘機器人的研究。如上海交通大學正在進行黃瓜采摘機器人的研究，浙江大學對七自由度番茄收獲機械手進行了機構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計研究，中國農(nóng)業(yè)大學對采摘機器人的視覺識別系統(tǒng)進行了研究等。通過跟蹤國外先進技術(shù)，我國在機器人采摘領(lǐng)域中也取得了初步的成果，但都是出于實驗階段，距投入農(nóng)業(yè)進行實際生產(chǎn)還需時日。果蔬采摘機器人的機械結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析2.1行走機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析行走機構(gòu)主要用于機械手和末端執(zhí)行器的初步定位，上面裝有完成收獲任務(wù)的所有硬件和軟件局部。不同于一般的工業(yè)機器人，果蔬采摘機器人一般不是靜止的，它往往需要安裝在小巧的平臺上，以便于在野外不同的土壤地勢條件下移動。目前，移動式采摘機器人的行走機構(gòu)主要有車輪式、履帶式和人形結(jié)構(gòu)三種。其中以車輪式行走機構(gòu)最為簡單，應(yīng)用也最為廣泛。輪式行走機構(gòu)車輪結(jié)構(gòu)有四輪和三輪兩種形式，圖2-1所示為一種三輪結(jié)構(gòu)的行走機構(gòu)。車體前面的輪子主要起導向和支撐作用，后面兩個提供動力作為驅(qū)動輪，通過控制安裝在軸上的直流電機的轉(zhuǎn)速來控制車子的行走速度。圖2-1三輪式行走機構(gòu)荷蘭開發(fā)的黃瓜收獲機器人還以鋪設(shè)于溫室內(nèi)的加熱管道作為小車的行走軌道〔如圖2-2所示〕。日本Kondo-N等人研制的番茄采摘機器人也采用了輪式移動機構(gòu)(圖2-3)。還有橫跨于果樹上方的自主導引式龍門車〔圖2-4〕。圖2-2荷蘭黃瓜收獲機器人〔a〕行走小車〔b〕攝像頭〔c〕機械手〔d〕末端執(zhí)行器〔e〕微型定位攝像頭〔f〕工控機〔g〕220V電力線軸〔h〕空氣泵〔i〕加熱管圖2-3番茄采摘機器人圖2-4自主導引龍門車式果蔬采摘機器人履帶式行走機構(gòu)履帶式行走機構(gòu)是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道卷繞在假設(shè)干個車輪外，使車輪不直接與地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平，具有良好的穩(wěn)定性能、越障能力和較長的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行使。典型的履帶式行走機構(gòu)主要由導向輪、支重輪、驅(qū)動輪、履帶板和拖鏈輪等局部構(gòu)成。履帶與其所繞過的驅(qū)動輪、導向輪、支重輪和拖帶輪組成多位的“四輪一帶”，結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。當馬達帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時，與驅(qū)動鏈輪相嚙合的鏈軌及履帶板有相對移動的趨勢，由于履帶板與路面之間的附著力大于驅(qū)動鏈輪、支重輪和導向輪的滾動阻力，所以履帶板不會滑動，而驅(qū)動鏈輪、支重輪和導向輪那么沿著鋪設(shè)的鏈軌滾動，從而驅(qū)動整機行走。圖2-5履帶式行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖2007年新疆機械研究院研制了我國第一臺多功能果園作業(yè)機—LG-1型多功能果園作業(yè)機〔如圖2-6所示〕。該機器集采摘、修剪、噴藥、運輸和動力發(fā)電等功能與一身，采用履帶式行走裝置。其工作時汽油發(fā)動機將一局部動力分配給主機的變速箱，由變速箱驅(qū)動兩條橡膠履帶行走。采用橡膠履帶行走部件，有利于在果園土壤松軟和比擬潮濕的環(huán)境中行走。同時，該作業(yè)機的研制成功標志著我國果園單一的采摘機械進入到了多功能作業(yè)機械時代。圖2-6LG-1型多功能果園作業(yè)機2011年，北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站一臺小型多功能遙控動力平臺研制成功〔如圖2-7所示〕。該機械平臺集成了果實采摘、果蔬剪枝、打藥等多種作業(yè)功能。在同類機具中，該平臺首次采用手動和無線遙控相結(jié)合的操作方式，可以方便可靠地操作機器前進、轉(zhuǎn)向和停車。圖2-7小型多功能遙控動力平臺此外，日本也研制了如BP40型號的很多小型果園運輸和管理機具，中國農(nóng)業(yè)大學研制的黃瓜采摘機器人等均采用了履帶式行走機構(gòu)。如圖2-8〔a〕、〔b〕所示圖2-8〔a〕筑水農(nóng)機公司研制的BP40型號的果園采摘運輸機2-8〔b〕黃瓜采摘機器人系統(tǒng)人形行走機構(gòu)在某些采摘作業(yè)場所，例如采摘西瓜等作物，其藤莖匍匐在地面上，行走空間狹小，車輪式和履帶式行走機構(gòu)就不再適用了。為此，日本的Ogasawara和他的研究小組嘗試將人形機器人引入到采摘機器人中。如圖2-9所示人形行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖。人形行走機構(gòu)在靜態(tài)時是平衡的，但在步行時，整個質(zhì)心會發(fā)生偏移而產(chǎn)生動不平衡，控制不好的話，機器人會傾倒，對于松軟的地面，維持動不平衡會更加困難。圖2-9人形行走機構(gòu)車輪式行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為簡單，轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活。但對于松軟的地面適應(yīng)性較差，同時，對于安裝在其上的機械手的運動精度有一定的影響。相比于輪式行走機構(gòu)，履帶式行走機構(gòu)也具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動較容易的特點。相反的是履帶式行走機構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)向不靈活，但對于地面的適應(yīng)性較好，并且，履帶式行走機構(gòu)的穩(wěn)定性、牽引附著性能、爬坡和越溝等性能也較好。就目前來講，只有葡萄采摘機器人使用了履帶式行走機構(gòu)。由于人形行走機構(gòu)的步態(tài)規(guī)劃和維持動不平衡十分復(fù)雜，其研究本錢較前兩者也高。因此，在采摘機器人的應(yīng)用中，目前技術(shù)上還并不成熟，仍處于試驗研究階段。但隨著智能控制技術(shù)的進步，人形行走機構(gòu)將會在果蔬采摘機器人中得到廣泛應(yīng)用。采用智能導航技術(shù)的無人駕駛自主式小車是采摘機器人行走局部的開展趨勢。2.2機械手的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析機械手是具有傳動裝置的機械實體，由關(guān)節(jié)與連桿組合成一個相互連接和相互依賴的運動機構(gòu)。機械手類似于人的手臂，是機械手系列機器人的主要執(zhí)行部件，主要功能是將末端執(zhí)行器移動到接近目標的位置，并調(diào)整方向使其容易接觸目標，同時是手腕和末端執(zhí)行器的支撐體。果蔬采摘機器人機械手的結(jié)構(gòu)形式和自由度適用于不同果實的采摘，直接影響末端執(zhí)行器的作業(yè)空間、運動精度、靈活性以及控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。研究文獻說明，大局部結(jié)構(gòu)形式都是直接采用工業(yè)機器人的機械手作為采摘機器人的機械本體。從自由度的構(gòu)成來看，機械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)、極坐標結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)三種。1、直角坐標結(jié)構(gòu)直角坐標機械手的手臂〔如圖2-10所示〕前三個關(guān)節(jié)位移動關(guān)節(jié)，構(gòu)造比擬簡單，運動方向垂直，軌跡都是直線。各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，剛性好、定位精度精度高。但是占的空間比擬大，工作范圍比擬小，慣性大。。1、2、3、為移動關(guān)節(jié)4為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)圖2-10直角坐標型2、極坐標型極坐標結(jié)構(gòu)的機械手，其結(jié)構(gòu)剛度高、末端執(zhí)行器的抓持質(zhì)量大。具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)〔如圖2-11〕，靈活性較好，占地面積小，但避障能力較差。目前在黃瓜和葡萄采摘機器人中嘗試了使用5自由度極坐標類型的機械手。圖2-12表示黃瓜采摘機器人中極坐標結(jié)構(gòu)機械手原理。該機械手共有5個自由度，其中2個旋轉(zhuǎn)自由度，2個回轉(zhuǎn)自由度和1個伸縮自由度。在機械手的下部還有旋轉(zhuǎn)和伸縮兩個自由度，作用是在采摘前使機械手的傾斜角度和培育架的傾斜角度相同。黃瓜采摘機器人7個自由度中的兩個伸縮自由度增大了末端執(zhí)行器的活動空間范圍，增強了靈活性。1、2、4為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)3為移動關(guān)節(jié)圖2-11極坐標型圖2-12極坐標型黃瓜采摘機器人機械手示意圖3、關(guān)節(jié)坐標型關(guān)節(jié)型機械手具有仿人臂結(jié)構(gòu)〔圖2-13〕，主要有回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)兩種自由度組成。前單個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，工作比擬靈活，工作空間也較大、占地面積小，同其它結(jié)構(gòu)形式相比，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)對于確定三維空間中的任意位置和姿勢是最有效的，但剛度和精度不高。如圖2-14所示，蘋果采摘機器人的機械手的機構(gòu)以關(guān)節(jié)型機械臂為基體，在腰部增加了可以升降的連桿折疊結(jié)構(gòu)，在小臂上又增了伸縮關(guān)節(jié)，增加了機器人的作業(yè)空間。一共具有腰部升降、腰部轉(zhuǎn)動、大臂俯仰、小臂擺動和小臂伸縮五個自由度，其自由度配置為：P-RRR-P。機器人控制系統(tǒng)通過視覺系統(tǒng)獲取采摘目標的空間坐標，然后進行運動規(guī)劃和運動學反解，求出關(guān)節(jié)空間的運動解。關(guān)節(jié)型機械手的運動規(guī)劃和軌跡控制需要進行大量的數(shù)學計算，因此對控制系統(tǒng)的要求跟高。圖2-15為一黃瓜采摘機器人機械手的總體結(jié)構(gòu)，它有腰部、大臂、小臂和手腕通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，一段固定在基座上，另一端自由并安裝末端執(zhí)行器。圖2-13關(guān)節(jié)型機械手示意圖圖2-14蘋果采摘機械構(gòu)類型圖2-15黃瓜采摘機械手總體結(jié)構(gòu)示意圖機械手是機器人的重要組成局部，假設(shè)機構(gòu)設(shè)計不合理，可能會出現(xiàn)運動干預(yù)或驅(qū)動裝置無法設(shè)置，機構(gòu)不能運動等問題。在滿足要求的前提下，盡量采用特殊結(jié)構(gòu)的機械構(gòu)，使相鄰運動副的軸線相互平行或正交。機械手結(jié)構(gòu)型式的選取取決于對機器人的活動范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制的難易的要求。以直角坐標型、極坐標型、關(guān)節(jié)坐標型的順序來看，其活動范圍和靈活度有小到大，控制的程度由易到難，位置精度由高到低負載能力由大到小。如表2-1所示。表2-1各種類型機械手結(jié)構(gòu)型式比擬表類型優(yōu)點缺點使用對象直角坐標型定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單、形式多樣、作業(yè)空間大、容易控制、本錢低靈活性差，末端執(zhí)行器活動范圍存在盲區(qū)采摘生長于地面的果實，如甜瓜極坐標型靈活性有所增強、結(jié)構(gòu)剛度高、末端執(zhí)行器的抓持質(zhì)量大運動控制比擬復(fù)雜，運動精度較低葡萄、黃瓜等藤生作物，蘋果、柑橘等樹冠高達的果實關(guān)節(jié)型靈活性強、結(jié)構(gòu)緊湊、易于確定三維空間中的任意位置和姿態(tài)，可以有效避開障礙物機械剛度小，運動精度較低，抓持質(zhì)量小，關(guān)節(jié)控制復(fù)雜，本錢高應(yīng)用較為廣泛，一般為枝葉茂密，果實重量不大的作物，如普通栽培的番茄通過表2-1分析得知，就結(jié)構(gòu)形式而言，關(guān)節(jié)型機械手屬于仿人臂型，適用于多果實的采摘，如番茄、蘋果、柑橘等，但控制較難。及坐標型機械手適合采摘質(zhì)量較大的果實，如收獲地面上的西瓜，其采用的智能技術(shù)較關(guān)節(jié)型低，但是由于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的存在，使其控制也很復(fù)雜，而且運動精度低、本錢高，其推廣受到一定的限制。直角坐標型結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，控制較為容易，而且可以設(shè)計成適用于不同類果實的不同類型，與其它兩種類型相比本錢最低，但是靈活性也最差，避障性能也不高。為了彌補這個缺點，可以考慮通過改變作物的栽培方式來降低采摘的復(fù)雜性，采用結(jié)構(gòu)簡單的直角坐標型進行采摘。2.3采摘機機器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀分析末端執(zhí)行器是果蔬采摘機器人的另一重要部件，它的設(shè)計通常被認為是機器人的核心技術(shù)之一。一般果蔬的外表比擬脆弱，它的形狀及生長狀況通常復(fù)雜。在機器人采摘過程中果蔬外表發(fā)生損傷的原因主要有：①果蔬位置識別或機械臂控制規(guī)劃有誤，導致末端執(zhí)行器劃傷或刺傷果蔬外表；②末端執(zhí)行器夾持或抓取力過大，壓傷果蔬外表；③末端執(zhí)行器抓持不穩(wěn)定導致果蔬掉落，與地面或其他堅硬物體接觸而碰上外表。作為采摘機器人的執(zhí)行裝置，末端執(zhí)行器應(yīng)根據(jù)不同果蔬果實的生物、機械特性及栽培方式，采取不同的專用機構(gòu)以提高采摘的成功率并減小對果蔬的損傷為主要目標。一般集成兩項功能：①檢測果實的位姿，為執(zhí)行機構(gòu)提供導航信息；②以適當力度夾持果實或果梗并剪切果柄，完成采摘動作。在動作上通常包括獲取果實和果實與植株別離兩局部。為了平安與高效的完成采摘動作，末端執(zhí)行器還可能參加吸盤、推桿等附加機構(gòu)以及各類傳感器以完成準確采摘并減小損傷。2.3.1獲取方式獲取和別離果實是采摘機器人末端執(zhí)行器必須實現(xiàn)的兩大關(guān)鍵動作，即首先通過抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實，再通過扭斷、剪切等不同方法完成果實與果梗的別離。從目前發(fā)表的文獻來看，獲取果實的方式主要歸為非夾持類和夾持類兩種。別離果實與果梗的方式有傳統(tǒng)的扭斷、折斷、拉斷以及通過剪刀或切刀進行切斷，還有新式的熱切割方法等。1.直接切斷式這類末端執(zhí)行器一般都是直接剪斷果梗，由于其本身不能實現(xiàn)果實的回收，因此剪掉的果實直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本開發(fā)的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器、茄子采摘末端執(zhí)行器、番茄采摘末端執(zhí)行器、美國柑橘采摘末端執(zhí)行器均為此類結(jié)構(gòu)，如圖2-16,2-17,2-18所示。圖2-16甜椒采摘末端執(zhí)行器2-17茄子采摘末端執(zhí)行器2-18番茄采摘末端執(zhí)行器這類末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)更能較為簡單，適用于植株冠層內(nèi)枝葉較稀疏，且果實具有一定抗沖擊能力的果蔬。對于果梗較短的植株，往往造成無法剪切或碰上果實的現(xiàn)象，對于冠層空間比擬復(fù)雜的植株，果實下落過程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影響果實的回收。2.吸入式這類非夾持類末端執(zhí)行器主要是通過真空系統(tǒng)將果實吸入末端執(zhí)行器內(nèi)，再通過切斷、扭斷等方式別離果實和果梗。如圖2-19所示的柑橘采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖，由真空吸盤先吸持住果實向后拉動，同時末端執(zhí)行器的彈性蓋板向前移動，使果實進入籠體內(nèi)，然后蓋板收縮進而保住果實，隨后一對割刀合攏切斷果梗。2-19柑橘采摘末端執(zhí)行器如圖2-20〔a〕所示比利時開發(fā)的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器，設(shè)計成漏斗的形狀，漏斗內(nèi)安置攝像機，當有果實進入手爪范圍的時候，真空吸引器翻開將果實吸入，再通過旋轉(zhuǎn)扭斷果梗將果實采摘下來。圖5〔b〕所示英國開發(fā)的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器，由一截管道、兩個內(nèi)置圓環(huán)和兩個彈簧蓋組成，該末端執(zhí)行器獲取果實的原理也是吸入+扭斷式，當蘋果的位置信息傳來之后，真空系統(tǒng)將果實吸入，再扭斷果梗采摘下蘋果。〔a〕〔b〕圖2-20蘋果采摘末端執(zhí)行器還有吸入+勾取的方式來獲取果實等等。吸入式的末端執(zhí)行器硬件設(shè)計簡單，工作原理類似，對于果實嬌嫩、果梗柔弱細長的草莓等果實，采取吸入加勾取比夾持的獲取方式更可行，但這類末端執(zhí)行器對果實個體尺寸差異適應(yīng)能力較差動作速度較慢，穩(wěn)定性不高，而且相鄰的未成熟的果實也容易被一同吸入和采摘下來。3.夾持類這類末端執(zhí)行器其夾持器通常由帶有真空吸引器和數(shù)目不等的手指構(gòu)成。按手爪的個數(shù)可分為兩指和多指型，目前大多數(shù)果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器為兩指，也有一些三指和四指的末端執(zhí)行器，用于外形不規(guī)那么或較大的果實。因此，一般情況下，對于形狀較為規(guī)格，尺寸和質(zhì)量部太大的果實，應(yīng)首選較少手指進行抓持?！?〕兩指夾持如圖2-21所示，日本東京大學喬俊〔JunQiao〕等人開發(fā)設(shè)計的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器具有兩個瘦長形的手指，長度為160mm，厚度和寬度分別只有1mm和10mm。兩個手指組成的手爪抓住果柄的過程由依靠一個凸輪的瞬時針旋轉(zhuǎn)運動進行張開和夾緊動作，凸輪的旋轉(zhuǎn)運動由一個步進電機進行驅(qū)動，凸輪為橢圓形，旋轉(zhuǎn)90度后手爪就完成一次張開或夾緊的過程。圖2-21日本的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器中國農(nóng)業(yè)大學張凱良等人設(shè)計了草莓采摘機器人，其機械原理如圖2-22所示，該末端執(zhí)行器的夾持機構(gòu)主要有機械爪及其附屬部件構(gòu)成。絲杠與內(nèi)螺紋管通過螺紋連接，由電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，從而螺紋管進行前后運動，進而帶動兩根手指做閉合或張開動作，完成對果實的獲取。在兩手指的內(nèi)側(cè)上裝有橡膠墊，增加了緩沖，可使末端執(zhí)行器更可靠地夾持，同時，在靠近手指根部的位置安裝了一對間距可調(diào)的機械觸點，作為機械爪夾持力度的反應(yīng)裝置。可見，該末端執(zhí)行器的夾持裝置獲取果實的精確性、可靠性以及對果實的保護程度明顯要好于日本的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器。1.手指2.內(nèi)螺紋管3.絲杠4.電機圖2-22機械爪機構(gòu)示意圖劉繼展等研制了番茄采摘機器人末端執(zhí)行器〔圖2-23〕，由于番茄的成串生長增加了真空吸盤裝置，防止了采摘時將相鄰的未成熟果實一同夾持。真空吸盤裝置由真空發(fā)生設(shè)備、真空檢測控制元件、吸盤和連接附件組成。采用小型壓縮氣罐為氣源，采用適應(yīng)曲面及不平整工件、具有良好緩沖性能的真空波紋吸盤由真空軟管、接頭等附件連接組成末端執(zhí)行器的真空系統(tǒng)。真空波紋吸盤固定于齒輪的前端，通過齒輪齒條傳動帶動吸盤前進和后退，并與真空系統(tǒng)相配合，完成吸住并拉動果實的任務(wù)。采用兩指夾持機構(gòu)，如圖2-24所示，手指指面設(shè)計成圓弧并貼有5mm厚的橡膠，增強了夾持的可靠性。手指夾持機構(gòu)由直流伺服電機驅(qū)動，通過錐齒輪的傳動，帶動具有左旋和右旋兩段螺紋的雙向螺桿傳動，使與之組成螺旋副的兩手指產(chǎn)生平行相對運動，從而合攏或松開，完成對番茄果實的夾持。1.手指2.真空波紋吸盤3.雙向螺桿4、8、11.直流伺服電動機5.激光聚焦透鏡6.齒條7.外殼9、10.錐齒輪12.齒輪圖2-23番茄采摘機器人末端執(zhí)行器主體結(jié)構(gòu)示意圖圖2-24手指尺寸及吸盤行程馬履中等研制的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器的夾持機構(gòu)如圖2-25所示，氣缸的活塞桿通過銷軸與兩手指后端滑槽的高副連接，最終把導桿的直線運動轉(zhuǎn)化成兩手指繞轉(zhuǎn)軸的擺動，從而組成滑槽導桿機構(gòu)，實現(xiàn)對果實的夾持。手指圓弧面內(nèi)側(cè)設(shè)計覆蓋了海綿橡膠層，這樣可以保證在抓取過程中抓取力分布均勻，增大手指與蘋果的摩擦力，可以減少夾持時對蘋果的損傷，但海綿彈性系數(shù)過小，受很小的力就會產(chǎn)生過大的壓縮變形，不能起到很好保護果實的作用。1.薄型氣缸2.支架3.活塞桿4.導桿5.銷軸6.轉(zhuǎn)軸7.手指8.海綿材料9.橡膠材料10.滑槽圖2-25蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器夾持機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖〔2〕多指夾持類手指的數(shù)目越少，夾持的穩(wěn)定性越差，多指的末端執(zhí)行器雖然夾持更為穩(wěn)定可靠，但機構(gòu)和控制的復(fù)雜性大大增加，同時在采摘過程中與果梗、枝葉的干預(yù)現(xiàn)象也會隨之增多。如圖2-26所示的茄子采摘機器人末端執(zhí)行器抓取機構(gòu)簡圖，該抓取機構(gòu)由4根夾持手指〔直徑4mm的鋼絲，可以形變，手指外包有1cm厚的海綿〕、2個滑軌〔每個滑軌的一端固定在機械手本體上，另一端固定在夾持手指上〕和雙向絲杠〔帶螺母，每個螺母分別與夾持手指固定〕組成。四根夾持手指兩兩相對〔圖中僅能看到兩個〕，左面的兩個連在同一滑軌上，并與雙向絲桿的左螺母固定；右面的兩個連在同一滑軌上，并與雙向絲桿的右螺母固定。通過電機帶動雙向絲杠，使左右兩個滑軌相向而行。蝸輪蝸桿的傳動比是1:10，電機正向轉(zhuǎn)動時，雙向絲杠的兩個螺母沿相向方向運動，運動速度為電機的1/10。當螺母運動到定位果實的位置時，完成夾持動作。而且，雙向絲杠的中間局部無螺紋結(jié)構(gòu)，于是，夾持手指的預(yù)緊力可以夾持到設(shè)定的最小的茄子果實，以后絲杠轉(zhuǎn)動而螺母原地不動；當兩個螺母在連在其之間的回位彈簧張力的作用下，螺母向相反的方向運動隨雙向絲杠的轉(zhuǎn)動，螺母重新回到絲杠的螺紋上，沿著螺紋向兩邊運動，從而完成松開夾持的果實的動作。該末端執(zhí)行器收獲茄子的范圍僅是3～6.5cm，作業(yè)時很容易造成遺漏掉果實，當松開夾持的果實時，回位彈簧降低了執(zhí)行器的整體穩(wěn)定。1.滑軌2.夾持手指3.絲杠上的螺母4.末端執(zhí)行器外壁5.雙向絲杠6.蝸桿7.蝸輪8.電機軸9.回位彈簧圖2-26末端執(zhí)行器抓取機構(gòu)簡圖居洪玲、姬長英設(shè)計了一種多用途的末端執(zhí)行器〔圖2-27〕，不僅能收獲蘋果和梨，其他生長類似的果實也可以一同收獲。含有三個機械爪，如圖2-28所示。此末端執(zhí)行器的抓取機構(gòu)主要由3個機械爪〔寬25mm，長75mm的鋼板，外包有彈性材料〕、直線滑軌和止動塊組成。電機反轉(zhuǎn)帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪帶動齒條，將轉(zhuǎn)動化為平動，進而通過連接桿帶動機械爪向里運動，實現(xiàn)對果實的抓取采摘。水果的直徑是20～90mm。3個機械爪分布在3600的圓周上，用螺絲與連接桿固定在一起，連接桿安裝在齒條上，齒條安裝在直線滑軌上?；墐蓚?cè)用止動塊限制運動界限，從而控制手爪的抓取范圍。彈性材料的變形適應(yīng)能力，可以防止快速抓取帶來的損害，還能依據(jù)果實的外形包裹果實，防止果實脫落。1.機械爪2彈性材料3傳感器4上護蓋5齒條6止動塊7直線滑軌8支撐套9定外環(huán)10電磁離合器11聯(lián)軸器12座架14電機15電磁離合器16轉(zhuǎn)盤17墊腳18連接桿19齒輪20傳動軸圖2-27末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu)1.機械爪2.彈性材料硅膠3.連接桿4.止動塊5.滑軌6.轉(zhuǎn)盤.7.齒條8.齒輪圖2-28末端執(zhí)行器的抓取機構(gòu)美國研制了研究員提出了一種西紅柿采摘機器人，該機器人末端執(zhí)行器采用了真空吸盤+四指機械爪，真空吸盤本身具備抓取功能，四個夾持手指對稱分布，使用塑料質(zhì)地代替尼龍材料，減小了夾持時的側(cè)向運動，通過線纜連接起來共同驅(qū)動，可以更穩(wěn)定的抓持住果實。如圖2-29所示，這種柔性手指彎曲曲線平滑，具有一定的補償能力，能夠很好適應(yīng)果實的大小差異。但該柔性手指由一個動力驅(qū)動4個手指的所有關(guān)節(jié)，屬于高度欠驅(qū)動機構(gòu)，當遇到枝葉稠密等障礙物時，手指容易發(fā)生彎曲，易造成果實抓取的失敗。圖2-29美國的西紅柿采摘機器人末端執(zhí)行器別離方式無論夾持類和非夾持類采摘機器人末端執(zhí)行器，都需要通過一定的方式完成果梗的切斷或果梗與果實的別離，才能最終實現(xiàn)采摘果實?，F(xiàn)有的采摘機器人末端執(zhí)行器研究成果來看，多采用扭斷、折斷或剪切的別離方式，一些末端執(zhí)行器對新的切割原理進行了嘗試?！?〕扭斷、折斷、拉斷扭斷是利用手腕的旋轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在執(zhí)行器抓牢果實后擰斷果柄，需要屢次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開果梗，末端執(zhí)行器需要較大的工作空間，這樣就難于避障。這種方式對于果柄易斷的果蔬較為實用，如番茄的采摘，但對于果柄柔韌性較高的果蔬那么采摘成功率較低。而且無論扭斷、折斷或拉斷都只適用于果實被充分夾持的情況下，其優(yōu)點是無需再附加另外的別離裝置和動力，但這就要求末端執(zhí)行器的夾持機構(gòu)夾持果實要足夠可靠，對果實提供充分的作用力，又不能造成對果實的損傷，這樣夾持器對果實的夾持力要有較高的控制。同時，還要根據(jù)采摘對象的果梗力學特性驚醒不同方式的選擇和實驗，否那么難以到達預(yù)期的效果?！?〕剪切相當局部的采摘機器人末端執(zhí)行器安裝了剪刀或切刀裝置，用來切斷果梗實現(xiàn)果實、果梗別離。如圖2-30所示馬履中等人研制的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器的切割裝置示意圖，切割裝置采用直流電機作為動力源，利用軟管鋼絲傳動，驅(qū)動刀片繞手指外廓做近一周的旋轉(zhuǎn)，以切割位于手指周向上任意位置的蘋果柄。這樣省掉了檢測果柄方位和調(diào)整末端執(zhí)行器位姿的復(fù)雜過程,提高了采摘效率。同時，刀片設(shè)計成楔形，使得在切割過程中果柄與刀刃有滑動，更易切斷果柄，保證了采摘的成功率。但刀片的旋轉(zhuǎn)很難保證不對周圍的果實或植物進行傷害。1直流電機2微型蝸輪蝸桿減速器3鋼絲繞盤4鋼絲5下軟管架6彈性軟管7上軟管架8刀架9刀架轉(zhuǎn)輪10轉(zhuǎn)盤軸11契形刀片圖2-30切割裝置示意圖如圖2-31所示的茄子采摘機器人末端執(zhí)行器的切割機構(gòu)簡圖，該局部主要由三角傳動支架、刀架、刀架導向桿(內(nèi)有導向槽)和鋸齒輪盤切刀組成。三角傳動支架的后端移動端固定在雙向絲杠移動的螺母上，前端同刀架固定在一起。刀架的后端鉸接在電機軸上，前端固定在三角傳動支架上，隨三角傳動支架移動可沿導向桿前后往復(fù)運動。隨著電機轉(zhuǎn)動帶動夾持動作的進行，雙向螺母向中間運動,三角傳動支架頂點前伸，帶刀架在導向槽