一种树生水果采摘机器人的结构设计*

2023-05-26黄保赛赵栋杰张伟涛

南方农机 2023年12期

黄保赛，赵栋杰，张伟涛，张赛

（聊城大学机械与汽车工程学院，山东聊城 252000）

0 引言

随着我国农业生产水平的不断提高，果园面积和水果产量稳步提升，均位居世界前列[1]。水果采摘是现代农业生产中较为耗时耗力的一个环节，采摘作业的质量和效率直接影响了市场经济效益。目前，我国果蔬采摘作业仍以传统的人工采摘模式为主，这种传统的人工采摘方式不仅劳动强度大，劳动力成本高，而且效率相对较低。尤其对于某些地方果树密度大、果实生长密集等情况，水果采摘存在非常大的困难。因此，实现果蔬采摘机械化、智能化具有非常重要的意义[2-4]。

农业采摘机器人发展十分迅速，美国、日本、荷兰等发达国家已经针对不同水果研究出相应的采摘机器人原型机，走在农业机器人研究的前列；我国对于农业采摘机器人的研究起步略晚，但近些年发展迅速，也取得了比较丰硕的成果[5]。在水果采摘领域，已有文献报道的采摘机器人产品有Johan Baeten等[6]研制的负压夹持式苹果采摘机器人，日本大阪府立大学的Tanigaki等[7]研制的四自由度铰接式樱桃采摘机械臂，江苏大学的赵德安等[8]设计的苹果采摘机器人，湖南农业大学的王韧[9]研发的果蔬采摘的冗余七自由度串联关节型机械臂，重庆理工大学的张茂[10]设计的柑橘采摘机器人。

上述农业水果采摘机器人多采用刚性关节型机械臂，普遍存在灵活性受限、质量大等缺点[11-12]，难以满足某些地方果树生长密集、果实错落分布等情况的采摘需要，并且生硬的机械臂容易对果实造成一定的损伤，人在操作时也具有一定的安全隐患[13-16]。基于此，本文模仿大象鼻子的运动机理，设计了一种拉绳驱动的仿象鼻柔性采摘机械臂，并基于该机械臂设计了一种树生水果采摘机器人。

1 总体设计方案及工作原理

1.1 总体结构

该树生水果采摘机器人的整体结构主要由机械爪部分、机械臂部分、收集装置部分、车身部分组成，总体结构示意图如图1所示。

图1 总体结构示意图

其中，机械爪部分的夹持手指采用柔性材料，用于夹裹目标果实；机械臂部分由三段串接的柔性关节段组成，可实现多自由度、较大幅度的柔顺弯曲运动，用于实现机械爪在抓取、采摘过程中所需的各种柔性运动；机械爪和机械臂均采用拉绳驱动，由驱动底座的直线模组提供动力；配合可升降的收集装置部分，能有效缩短机械臂的运动行程，进一步提高采摘效率；机械臂和收集装置安装在车身上，车身还带有水果收集箱，采摘后的水果可以储存在车身上的收集箱中。

1.2 工作原理及流程

该树生水果采摘机器人运动到指定采摘位置后，首先，收集装置部分的一级升降装置和二级升降装置升高到一定高度，完成准备工作。其次，机械臂的驱动底座进行工作，拉动拉绳使得机械臂到达要采摘水果的位置。到达指定位置后，控制机械爪运动的拉绳也被拉动，机械爪完成闭合和旋转，从而完成采摘作业。再次，通过拉绳的协调运动，将采摘的水果通过传输管道放到收集装置部分的水果收集盘中，完成一次采摘作业。最后，当收集盘中的水果收集满后，二级升降装置下降到一定位置，人工取下收集盘，再放上一个空的收集盘，将收集盘中的水果放到轮履小车的收集箱中。

2 关键零部件设计

2.1 机械爪

机械爪用于摘取目标果实，采用拉绳驱动方式，具体的结构如图2所示。机械爪包括夹持机构和底座旋转机构，夹持机构安装在底座旋转机构上，采摘手指使用TPU柔性材料，能避免采摘过程中对水果的损伤，拉动两根拉绳可以实现机械爪对目标果实的夹持和旋转动作，当手指夹持住目标果实后，底座旋转机构会驱动夹持机构连同目标果实一起转动，将果实从树枝上拧下，实现对目标果实的摘取。

图2 机械爪结构示意图

2.2 机械臂

象鼻是大象最重要的肢干，本身由16块肌肉组成，靠纵向肌肉的牵引来实现运动，可以完成伸长、弯曲和偏转动作，具有快速伸长并朝任意方向弯曲的能力，并且可以根据需要改变自身刚度。在相同的尺度范围内，象鼻既灵活又具有较高的自由度。

机械臂模仿象鼻运动机理进行设计，是一种新型的仿生机械，模仿象鼻内部纵向肌肉的牵引来实现运动，采用拉线方式驱动，机械臂结构示意图如图3所示。其结构具有以下特点：

图3 机械臂结构示意图

1）在长度方向上有很高的拉伸强度，而在其他方向上却很柔软且易于弯曲，可以承担较大的拉力而不改变本体尺寸。

2）自身超强的弯曲变形能力能够适应不同的工作环境，在复杂狭小的工作空间内每个关节可以根据环境产生弯曲变形，具有很强的避障能力和环境适应能力。

3）在运动空间内，能够控制机械臂末端较准确地到达指定位置。

机械臂主要由三段相同的柔性段从上到下依次串接而成。各柔性段均包括上、下底座连接盘和3个中间支撑盘，底座连接盘和支撑盘的圆周上均布有9个对应的绳孔，便于控制机械臂的9根拉绳穿过，一个柔性段由3根拉绳进行控制，3根拉绳间隔120°设置，在保证有效驱动的同时又不至于使控制过于复杂，中间支撑盘的引入能对柔性段的弯曲进行约束，使得变形更加可控。其中，机械爪的拉绳从拉簧硅胶骨架的内部穿过，机械爪和机械臂都是由驱动底座提供动力，驱动底座上设有直线模组，直线模组运动并拉动拉绳，能够实现机械臂弯曲并到达目标采摘位置，同时能实现机械爪对目标果实的摘取。

2.3 车身

车身主要由车型框架、变履转换装置、水果收集箱三大部分组成，其结构示意图如图4所示。车型框架起到连接各分支部分和协调配合的作用，车型框架底部装有变履转换装置，变履转换装置利用液压伸缩杆来伸缩调整五边形框架支撑梁的形状，从而可实现平履动和半轮动两种工作状态的切换，车型框架尾部装有水果收集箱，用于存储收集到的水果。

图4 车身结构示意图

2.4 收集装置

收集装置主要由一级升降装置、二级升降装置、传输管道、收集盘组成。一级升降装置作为安装基础，连接设置二级升降装置，传输管道、收集盘安装在二级升降装置上，一级升降装置用于实现对收集装置的升降，采摘完的水果通过传输管道进入收集盘，通过二级升降装置的移动完成水果的向下输送，最终，收集盘中的水果进入水果收集箱。水果收集装置协调柔性采摘机械臂进行工作，能缩短机械臂控制末端的位移距离，进一步提高采摘效率。收集装置结构示意图如图5所示。