王文卫 ，单以才 ，陈思宇 ，林 鸿 ，王金鹏

（1.南京晓庄学院电子工程学院，江苏 南京 210071；2.南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037）

0 引言

随着当前我国蔬果的种植与收获朝着规模化、机械化、智能化发展，设施苹果采摘机器人的发展正日益提速[1-2]。设施机器人采摘时，对苹果的精准识别定位较为困难，夹伤果实的情况时有发生，采摘后的果柄常常需要二次加工。可见，苹果的自然生长环境及其特有的构造、形貌和重量，对农业机器人整机性能的要求通常要比工业机器人严苛得多[3-4]。

采摘执行器作为农业机器人与苹果直接进行接触的部件，其持果、断柄的方法影响着采摘的成功率和损伤率，因而一直是国内外学者的研究热点[5-9]。调研现有采摘执行器机型发现，目前持果方式主要有柔性夹持、真空吸附等，而断柄则采取剪切、拧断等方法[10-14]。其中，前者均需对待采摘的苹果进行精准的识别定位，后者需设计相应的机构来完成断柄作业。至今，现有的采摘执行器虽然对设施机器人采摘苹果的实现起到了显著的推动作用，但在采摘效率和成功率方面与实际需求仍存在较大差距，有关苹果短柄剪切的研究也鲜有报道。

探究造成上述差距的原因，根源依然是采摘执行器的持果、断柄等问题未能得到很好的解决。对此，课题组基于仿生咬切原理，结合现有的苹果识别定位技术，设计了一种大容差采摘执行器，以单个驱动对悬置苹果设施无需夹持的短柄剪切，在实现低损高效采摘的同时，降低设备的制造成本。

1 整体结构与工作原理

1.1 整体结构

参照爬行类动物在丛林中的快速捕食过程（即“伸—咬—缩”）[15]，设计了一种大容差苹果采摘执行器，如图1所示，主要由并联调姿机构、原地剪切机构、双目视觉等组成。

图1 整体结构图

1.1.1 并联调姿机构

为了满足自然环境下苹果对采摘机器人本体频繁调姿的需求并降低整机功耗，课题组设计的采摘执行器配有一个并联调姿机构，具有局部调姿和辅助进刀的双重功能。该机构包括定平台、动平台以及用于连接定、动平台的三支电动伸缩杆和一支定长中心杆，具体如图2所示。

图2 并联调姿机构

其中，本设计将动平台设置在定平台的下方，防止调姿过程中动平台与周围枝叶发生干涉。三支电动伸缩杆两端均通过球铰连接定、动平台。定长中心杆下端与动平台固连，中上部通过球铰与定平台相连，在增大原地剪切机构工作范围的同时，还能使原地剪切机构在小范围内灵活调姿。

1.1.2 原地剪切机构

6.1 浇水 苗木移栽前浇水，树坑浇满水，切忌浇半坑水，若发现水下漏，应及时填土，直到土不再下沉为止，否则根系悬空透气与土壤结合不上，导致苗木死亡。栽植后3d内再浇第2次透水，10d内浇第3次透水，以后浇水次数视天气、土壤和树种等情况而定，每次浇水都要培土、处理裂缝和做护圈。

采摘执行器的原地剪切机构用于分离苹果与枝干，由拢果壳体、咬切组件、连杆传动机构和差动进给机构四部分组成，如图3所示。

图3 原地剪切机构

其中，拢果壳体设计为球体，上面配有径向的进果口和输果通道，在两弧形颚架的协同约束下，能对被采摘的苹果设施可靠拢持，克服了夹持力不当会损伤果实的缺陷。连杆传动机构对称排布在拢果壳体的两侧，带动咬切组件沿壳体球面滑移，可避免进刀时咬切组件与相邻枝丫、树叶发生运动干涉，有助提高剪切成功率和采摘效率。咬切组件包括两弧形颚架和构成对合的Ⅴ型剪切刀片组。差动进给机构安装在原地剪切机构外套杆的下端，采摘时使拢果壳体相对悬置苹果无需产生位移，从而实现对果柄设施短柄剪切，有效减少采摘后的苹果果柄二次加工。

1.2 工作原理

大容差采摘执行器装接于苹果采摘机器人末端，其工作流程如图4所示。

图4 工作流程图

其中，原地剪切机构作业时主要涉及以下两个动作：

1）差动进给。进给电机带动丝杆旋转，丝杆通过其上两段旋向相反、螺距相等的螺纹分别驱动内套杆和外套杆沿着定平台中心轴线方向移动，由此实现原地剪切机构的差动进给。

2）原地剪切。内套杆及拢果壳体在连杆传动机构的带动下相对外套杆上移，两弧形颚架带动刀片组对果柄进行剪切；与此同时，外套杆相对定平台下移，由于丝杆与内套杆和动平台连接的螺距相等，此时拢果壳体相对悬置苹果并未发生位移，从而实现原地剪切。

2 设施短柄剪切的设计与分析

2.1 大容差

苹果的构造是采摘执行器设计的重要依据。据调研，精品苹果横向直径为60 mm～75 mm。因此本文取拢果壳体直径为160 mm，进果孔孔径为Φ80 mm，则采摘执行器的拢果定位误差为：

其中，Dq为进果孔直径，dg为苹果横向直径，则该执行器的拢果定位误差为6.7%～33.3%。较大的拢果定位误差，可有效简化视觉识别定位算法，缩短识别定位时间，提高采摘效率[16]。

2.2 原地咬切

为保证大容差的设计方案得以顺利实施，连杆传动机构与咬切组件的互连方式如图5所示，两个弧形颚架上分别设有一组Ⅴ型剪切刀片。剪切时，内套杆相对外套杆产生上移运动，通过由T型连杆与直连杆构成的连杆传动机构带动咬切组件产生摆动，逐步合拢的两组Ⅴ型剪切刀片对果柄的位姿具有一定的纠正能力，可以弥补大容差捕果带来的定位精度低等不足，同时也能克服单侧Ⅴ型剪切可能诱发果柄发生逃脱的缺陷。

图5 连杆传动机构与咬切组件的互连示意图

剪切时，连杆传动机构带动咬切组件运动的极限位置如图6所示。由采摘执行器初步结构设计结果可知，弧形颚架Lab段长43 mm，直连杆Lbc段长43 mm，T型连杆Lcd段长18.61 mm。

图6 咬切的两极限位置

当咬切组件位于咬切结束位置时，如图6（a）所示，由弧形颚架结构可知α=30°，而β可由下式计算：

此时，耳轴到T型连杆的距离Lad为：

同理，当咬切组件位于咬切初始位置时，如图6（b）所示。由弧形颚架结构可求得α'=60°，则耳轴到T型连杆的距离La'd'为：

由此可求得，完成剪切时内套杆相对外套杆上移的距离ΔL为：

2.3 差动进给

设横向直径为60 mm～75 mm的精品苹果的果柄剪切力为60 N，结合图6（a）对咬切机构和连杆传动机构进行受力分析，可求得差动进给机构的丝杆需要产生的向上推力FT为：

其中，G为拢果壳体和内套杆的重力，等于51.744 N。

设定采摘时间为1 s，则内套杆上移速度为19.88 mm/s，取丝杆螺距Ph为5 mm，则驱动电机转速n为：

则差动进给驱动电机所需转矩T为：

其中，μ为丝杆传动效率，取0.94。

由差动进给电机的转速n和转矩T，可计算得出驱动电机的功率为：

3 设施短柄剪切的仿真与分析

为了进一步研究大容差苹果采摘执行器设施短柄剪切的可行性，在ADAMS中针对短柄剪切进行运动仿真。

3.1 仿真模型的建立

建模时，首先在SolidWorks中创建采摘执行器装配模型，然后将装配模型导入ADAMS中；接着在ADAMS中对各零件添加相应的材料，并根据各零部件的装配运动关系建立运动构件，对相互连接的构件添加运动副。建立的仿真模型如图7所示，本模型将所受重力方向设定为沿Z轴正向，以模拟重力对仿真模型的作用效果。

图7 仿真模型

3.2 仿真结果分析

为考查短柄剪切成效，在拢果壳体耳轴处和两弧形颚架Ⅴ型开口贴合界面处添加三个点：MARK_10、MARK_12和MARK_13。仿真时间设置为1 s，仿真步数为500步。仿真完成后，查看MARK_10分别相对外套杆和定平台的位移，以及MARK_12和MARK_13在剪切过程中的相互位移。MARK_10相对外套杆和定平台沿Z向的位移如图8所示。由图8（a）可知，果柄短切完成时，MARK_10相对外套杆上移19.88 mm，即内套杆相对外套杆也上移19.88 mm，这与理论计算结果基本一致。而由图8（b）可知，此时拢果壳体耳轴相对定平台的位置并未发生改变，即耳轴相对悬置苹果未发生移动，表明本文设计的末端执行器实施了原地剪切。

图8 MARK10的位移曲线

两弧形颚架Ⅴ型开口贴合界面处MARK_12和MARK_13在Y向和Z向相对定平台的位移曲线如图9所示。由图9（a）可知，咬切机构由初始的张开状态运行1 s后，MARKER_12与MARKER_13在Y向处于重合位置；而在Z向则升高了相同的高度，如图9（b）所示。由此表明，此时两弧形颚架带动剪切刀片组已完成果柄的剪切。

图9 MARK_12和MARK_13的位移曲线

4 结果与结论

1）基于仿生咬切原理，设计了一种大容差采摘执行器，通过差动进给机构带动连杆传动机构、咬切组件和拢果壳体，实现了无需夹持的短柄剪切效果，能够满足苹果采摘机器人对采摘执行器高效低损的性能需求。

2）进行了采摘执行器大容差、原地咬切和差动进给的设计计算，为满足在1 s内完成精品苹果采摘的要求，将采摘执行器的定位误差设定为6.7%～33.3%，设施剪切时，耳轴相对外套杆需上移19.88 mm，差动进给驱动电机功率大约需要6.34 W，采摘后果柄残留长度可缩短19.88 mm。

3）ADAMS仿真结果表明：设施剪切时，耳轴相对悬置苹果并未产生移动，而相对外套杆上移了19.88 mm，与理论计算结果基本一致；同时，咬切组件在运行1 s时完成剪切操作，表明该设计方案是可行的。

4）本研究成果为后续研制大容差采摘执行器物理样机提供了理论依据，同时也为其他水果仿生型高效采摘执行器的研究提供了参考。