裴雷 刘 欢 王恺

摘 要：本论文研究一种低成本、防夹漏的柔性草莓采摘器，包括底座，底座上沿周向设置至少三个结构相同的四连杆机构；四连杆机构由主臂、指段、副臂、底座依次铰接而成；指段的末端向下延伸成为夹持端，三个指段的夹持端相向设置；主臂上端铰接在底座上，副臂与底座之间设置弹性张紧装置；主臂与底座之间设置拉绳驱动装置。采摘器上设置摄像头自动识别，设置超声定位装置确定位置，可以自动识别成熟草莓并确定距离；副臂与底座之间设置弹性张紧装置，主臂与底座之间设置拉绳驱动装置，使夹持端可以同步柔性合拢与张开，也作为缓冲装置防止夹坏草莓且成本低廉。夹持端为平夹装置，防止夹漏且控制简单。

关键词：草莓；柔性；四连杆；平夹

1 背景技术：

国内草莓种植面积和产量有逐年增加的趋势，但是由于采摘环节落后的人工作业方式，制约了草莓种植业的发展。目前有相关研究针对我国常见的温室里高垄畦作栽培的草莓，初步建立了草莓采摘机器人实验系统，在草莓果实目标识别、提取、定位、采摘机器人及手爪等方面的研究取得了一定成果。还有跨垄作业4个自由度的草莓收获机器人设备。该机器人采用两个俯视地面的CCD摄像机获取草莓的图像，计算出草莓的方位，用激光传感器测量机械手爪到草莓的距离；采用气动机械手爪抓取草莓果柄，并用剪切式切刀切断果柄。但这仅仅只是一个草莓采收实验装置，体积比较庞大，且没有驱动装置，成本高，无法进行大规模、产业化应用。

草莓采摘器即草莓采摘机械手末端执行器，是用来采摘草莓的机构。草莓的外表比较脆弱，采摘时候容易损伤。为了解决这个问题，常使用的办法是设置柔性爪子或者采用刚柔混合机构。这种机构往往比较复杂，而且成本高、控制复杂。

2 结构原理：

图1采摘器结构图。图2为采摘器四连杆机构示意图（弹性张紧装置为扭簧）。图3为采摘器四连杆机构示意图（弹性张紧装置为橡皮筋）。图4为采摘器轴测图。

如图1所示，一种柔性草莓采摘器1，包括底座11，底座11上沿周向设置至少2个结构相同的四连杆机构。四连杆机构由主臂12、指段13、副臂14、底座11依次铰接而成。指段 13的末端向下延伸成为夹持端131，三个指段13的夹持端131相向设置。主臂12上端较接在底座11上，副臂14与底座11之间设置弹性张紧装置15。主臂12与底座11之间设置拉绳驱动装置。通过四连杆机构的运动使夹持端131合拢或分开。

四连杆机构的铰接点之间依次连线组成平行四边形，使夹持端131运动过程中只平移、角度不变，三个夹持端131构成平夹状态。指段13和底座11两个铰接点的连线为互相平行，底座11是固定的，方向不会发生变化，所以夹持端131角度也不会改变，仅仅在四连杆机构所在平面内平移。这样夹持草莓时，夹持更方便、准确，不容易夹漏。控制上也比较简单，误差小。）

拉绳驱动装置指：每个主臂12与底座11铰接处设置销轴16，销轴16任意一侧的主臂12上设置主臂绳孔121，在底座11上设置各自对应的底座绳孔111。底座绳孔111到销轴16 的距离与主臂绳孔121到销轴16的距离相等，如图2所示。在底座11上设置转动盘17，在主臂绳孔121、底座绳孔111，转动盘17之间设置绳子18。绳子18的一端固定在转动盘17上，另一端顺时针或逆时针依次穿过底座绳孔111、主臂绳孔121最后固定，将三个主臂12与对应的底座11通过绳子18串联在一起。驱动装置驱动转动盘17转动带动绳子18收紧使夹持端131向内合拢。绳子18具有一定的弹性，是一种弹性绳。绳子18收紧到夹持端131触碰到草莓时，因为绳子18的弹性及变形，起到一定的缓冲作用，使夹持端从触碰到夹紧草莓的过程中不会损伤草莓。底座绳孔111、销轴16、主臂绳孔121之间夹角优选为锐角，方便受力。每个主臂12上都设置主臂绳孔121，并在底座11上设置各自对应的底座绳孔111。这样，转动盘17旋转时，绳子18收紧，使臂绳孔121 和底座绳孔111之间距离逐渐变小，直到重合。几个主臂12 可以同步转动，带动夹持端131同步合拢。反向旋转时，绳子18放松，主臂12在副臂14与底座11之间弹性张紧装置15的弹力下被拉回到原位，夹持端131分开。本实施例中，转动盘17为舵机带动的舵盘，绳子18两端相隔180度固定在舵盘上。以销轴16为支点，主臂1 2为一个杠杆，主臂12位千销轴16的两端分别为杠杆的长边、短边；主臂12的短边的小的位移可以转化为主臂12长边的大的位移。这样，驱动装置处比较大的驱动力可以转换为夹持端131比较小的夹持力，避免损伤草莓。

参考文献

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作者简介：裴雷（1997-），男，汉族，郑州大学机械工程学院2016级学生