采摘机器人避障末端臂的设计与试验
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２ ０ １ ３年 ２月
农 机 化 研 究
第 ２期
采 摘 机 器 人 避 障 末 端 臂 的 设 计 与 试 验
丁加 军 ，刘 桂 芝 ，杨 文 亮
（ １ ． 南 京工 业 职 业 技术 学 院 ，南 京 摘 ２ １ ０ ０ ４ ６；２ ． 南京 工 程 学 院 ，南 京 ２ １ １ １ ６ ７ ）
要 ： 在 机 器 人 实 际采 摘 果 实 的作 业 中 ， 机器人末端臂及末端 执行器与果树枝条接触 碰撞几率最高 ， 其 要 具
有 感 知碰 撞 的能 力 ， 从 而判 断 原 规 划 采摘 路 径 的合 理性 ， 最终 实 现 避 障 采摘 之 目的 。为 此 ， 提 出 了一 种 采 摘 机 器
０ 引 言
自１ ９ ８ ３年 第 １台西 红 柿 采 摘 机 器 人 在 美 国诞 生 以来 ， 采 摘 机 器 人 的研 究 和 开 发 历 经 了 ３ ０多 年 。 在 国外 ， 日本 、 美 国 和 西 欧 等 发 达 国 家 相 继 立 项 开 发 了 苹果 、 柑桔、 西红柿、 西 瓜 和 葡 萄 等 智 能 采 摘 机 器 人 １ － ７ ］ 。 日本 Ｋ ｏ ｎ ｄ ｏ — Ｎ 的 团 队 研 制 的西 红 柿 采 摘 机 械 手具 有 ７个 自由度 ， 在 机 构 灵 活 度 方 面增 强 了机 械
手的避 障能力。Ｊ ｏ ｈ ａ ｎ Ｂ ａ ｅ ｔ ｅ ｎ和 Ｓ ｖ ｅ ｎ Ｂ ｏ ｅ ｄ ｒ ｉ ｊ 等人研制
的苹果 采 摘 机器 人 ， 将 工 业 机 器 人 的 ６ 自由度 手 臂 安 装 于可 竖 直 升 降的 架子 上 ， 再 由 １台拖 拉 机 牵 引 在 果 园里 作 业 。法 国一 家公 司开 发 了苹 果 采 摘 机 器 人 ， 其
设计的末端臂 （ 如图 １ 所示 ） 主要 由大臂关节 法 兰件 、 丝杠螺母 机构 、 伸缩 杆和 ３组感 知碰撞部件 组
成 。末 端 臂 通 过 大 臂 关 节 法 兰 件 与 机 器 人 大 臂 形 成
于避 障而采用 的冗余 自由度机械臂。无论 哪种类 型 ，
其机器人的关节类型多为转动形式 ， 而在实际 的机器
器 人 的研 究 ， 浙 江 大学 对 ７ 自由度 番茄 收获 机 械 手 进 行 了机构 分 析与 优 化设 计 研 究 等 Ｊ 。 目前 ， 国 内外 对 于 采 摘 机 器 人 机 械 臂 结 构 主要 采
用两种类型 ： 一是 直接借 用工业机 械臂形 式 ； 二是基
１ 总体结构 方案
人采摘作业 中， 转动关 节臂动作 时 ， 臂 杆在果树 内扫
过 的 面积 是一 个 扇 面 ， 而 移 动 关 节 臂 的伸 缩 动 作 路 径 只 是一 条 直线 。相 比而 言 ， 转 动 关 节 臂 增 大 了采摘 机
器人机械臂与果树枝 叶的碰撞几率 ， 降低 了机器人 的
避 障能 力 ， 增 加 了采 摘 机 器 人 路 径规 划 和 运 动控 制 的
人 感 知碰 撞 避 障 伸缩 末 端 臂 ， 其 通 过 转动 关 节 与 机 器人 大 臂 连 接 ， 整 体 相对 于大 臂 可 以进 行 仰 俯 动 作 ， 同时 本 身 具 有直 线 伸 缩 的 功能 ， 从 而 驱 动 末端 执 行 器 实 现 直 线 接 近 待 采 果 实 。感 知 碰 撞 结 构 使 末 端 臂 在 上 、 左 和 右 ３个 方 向上 具 有 感 知危 险 碰 撞 的 能力 。通 过试 验 改 进 了样 机部 分 结 构 ， 伸 缩 杆 运 动平 稳 ， 感 知 碰撞 结 构 动作 可靠 ， 并
可通 过 调 节 微 动 开关 的 高 度 位置 ， 能 够 对 不 同碰撞 力 做 出反应 ， 发 出危 险 力 的 开关 量信 号 ， 以适 应 多 种 果 蔬 的 采
摘作业 。
关键 词 ：采 摘机器人 ；碰撞力 ；避 障；伸缩臂
中图分 类号 ：Ｔ Ｈ １ １ ２ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ３ — １ ８ ８ Ｘ（ ２ ０ １ ３） ０ ２ — ０ ０ ８ １ — ０ ４
叶发生碰撞 。如果 机械臂没 有感知 碰撞力大小 程度 的功能 ， 当其 撞上 较粗 的树 枝 时就 没有 能力 做 出判
断， 那 么这 种 碰 撞 即可 对果 树 和机 人 工作空 间有限。在 国内 ，
对 于果 蔬 采摘 机 器人 的研 究 刚 刚起 步 ， 中 国农 业 大 学 对 苹 果 采摘 机 械 手 的视 觉 识 别 系 统 和 手 臂 控 制 进 行 了研 究 ， 东北 林 业 大 学 的 陆怀 民研 制 了林 木 球果 采摘
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ８ — １ １
基 金项 目：南 京工业职业技 术学院 院级 重大科研项 目（ Ｙ Ｋ １ ０ － ０ １ － ０ ６ ） 作者 简介 ：丁加军 （ １ ９ ６ ３ 一） ， 男， 江 苏姜堰人 ， 副教授 ， 高级 工程师 ， （ Ｅ
难度 。所以 ， 在保证 采摘成功率 的前提 下 ， 机 械臂 的
后 关 节 采用 移 动关 节 具 有更 优 的避 障性能 。
另外 ， 目前用来感 知外部 环境 信息 的传感器大都
装在机器人 的末 端执 行器 上 ， 在 机 械 臂 上 安 装 的 很 少 。而机 器 人 在采 摘 果 树 内部 的果 实 时 ， 机 械臂 的末 端 臂 不可 避 免地 要 深 入 果 树 的 内部 进 行 作 业 ， 会 与枝
机 器 人 Ｊ 。此 外 ， 上 海 交通 大 学 正在 进 行 黄 瓜 采 摘 机
基于 以上调研及分析 ， 本文提 出了一种能够感 知 危险碰撞力 的、 具有伸缩功能 的采摘机器人避障末 端
臂（ 下 文简 称 末端 臂 ） ， 其 通 过 转 动关 节 与机 器 人 大 臂 连接 ， 并 安 装 上相 应 的 末 端 执 行 器 之 后 ， 进 行 了试 验 ， 收 到 了 良好 的效果 。
农 机 化 研 究
第 ２期
采 摘 机 器 人 避 障 末 端 臂 的 设 计 与 试 验
丁加 军 ，刘 桂 芝 ，杨 文 亮
（ １ ． 南 京工 业 职 业 技术 学 院 ，南 京 摘 ２ １ ０ ０ ４ ６；２ ． 南京 工 程 学 院 ，南 京 ２ １ １ １ ６ ７ ）
要 ： 在 机 器 人 实 际采 摘 果 实 的作 业 中 ， 机器人末端臂及末端 执行器与果树枝条接触 碰撞几率最高 ， 其 要 具
有 感 知碰 撞 的能 力 ， 从 而判 断 原 规 划 采摘 路 径 的合 理性 ， 最终 实 现 避 障 采摘 之 目的 。为 此 ， 提 出 了一 种 采 摘 机 器
０ 引 言
自１ ９ ８ ３年 第 １台西 红 柿 采 摘 机 器 人 在 美 国诞 生 以来 ， 采 摘 机 器 人 的研 究 和 开 发 历 经 了 ３ ０多 年 。 在 国外 ， 日本 、 美 国 和 西 欧 等 发 达 国 家 相 继 立 项 开 发 了 苹果 、 柑桔、 西红柿、 西 瓜 和 葡 萄 等 智 能 采 摘 机 器 人 １ － ７ ］ 。 日本 Ｋ ｏ ｎ ｄ ｏ — Ｎ 的 团 队 研 制 的西 红 柿 采 摘 机 械 手具 有 ７个 自由度 ， 在 机 构 灵 活 度 方 面增 强 了机 械
手的避 障能力。Ｊ ｏ ｈ ａ ｎ Ｂ ａ ｅ ｔ ｅ ｎ和 Ｓ ｖ ｅ ｎ Ｂ ｏ ｅ ｄ ｒ ｉ ｊ 等人研制
的苹果 采 摘 机器 人 ， 将 工 业 机 器 人 的 ６ 自由度 手 臂 安 装 于可 竖 直 升 降的 架子 上 ， 再 由 １台拖 拉 机 牵 引 在 果 园里 作 业 。法 国一 家公 司开 发 了苹 果 采 摘 机 器 人 ， 其
设计的末端臂 （ 如图 １ 所示 ） 主要 由大臂关节 法 兰件 、 丝杠螺母 机构 、 伸缩 杆和 ３组感 知碰撞部件 组
成 。末 端 臂 通 过 大 臂 关 节 法 兰 件 与 机 器 人 大 臂 形 成
于避 障而采用 的冗余 自由度机械臂。无论 哪种类 型 ，
其机器人的关节类型多为转动形式 ， 而在实际 的机器
器 人 的研 究 ， 浙 江 大学 对 ７ 自由度 番茄 收获 机 械 手 进 行 了机构 分 析与 优 化设 计 研 究 等 Ｊ 。 目前 ， 国 内外 对 于 采 摘 机 器 人 机 械 臂 结 构 主要 采
用两种类型 ： 一是 直接借 用工业机 械臂形 式 ； 二是基
１ 总体结构 方案
人采摘作业 中， 转动关 节臂动作 时 ， 臂 杆在果树 内扫
过 的 面积 是一 个 扇 面 ， 而 移 动 关 节 臂 的伸 缩 动 作 路 径 只 是一 条 直线 。相 比而 言 ， 转 动 关 节 臂 增 大 了采摘 机
器人机械臂与果树枝 叶的碰撞几率 ， 降低 了机器人 的
避 障能 力 ， 增 加 了采 摘 机 器 人 路 径规 划 和 运 动控 制 的
人 感 知碰 撞 避 障 伸缩 末 端 臂 ， 其 通 过 转动 关 节 与 机 器人 大 臂 连 接 ， 整 体 相对 于大 臂 可 以进 行 仰 俯 动 作 ， 同时 本 身 具 有直 线 伸 缩 的 功能 ， 从 而 驱 动 末端 执 行 器 实 现 直 线 接 近 待 采 果 实 。感 知 碰 撞 结 构 使 末 端 臂 在 上 、 左 和 右 ３个 方 向上 具 有 感 知危 险 碰 撞 的 能力 。通 过试 验 改 进 了样 机部 分 结 构 ， 伸 缩 杆 运 动平 稳 ， 感 知 碰撞 结 构 动作 可靠 ， 并
可通 过 调 节 微 动 开关 的 高 度 位置 ， 能 够 对 不 同碰撞 力 做 出反应 ， 发 出危 险 力 的 开关 量信 号 ， 以适 应 多 种 果 蔬 的 采
摘作业 。
关键 词 ：采 摘机器人 ；碰撞力 ；避 障；伸缩臂
中图分 类号 ：Ｔ Ｈ １ １ ２ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ３ — １ ８ ８ Ｘ（ ２ ０ １ ３） ０ ２ — ０ ０ ８ １ — ０ ４
叶发生碰撞 。如果 机械臂没 有感知 碰撞力大小 程度 的功能 ， 当其 撞上 较粗 的树 枝 时就 没有 能力 做 出判
断， 那 么这 种 碰 撞 即可 对果 树 和机 人 工作空 间有限。在 国内 ，
对 于果 蔬 采摘 机 器人 的研 究 刚 刚起 步 ， 中 国农 业 大 学 对 苹 果 采摘 机 械 手 的视 觉 识 别 系 统 和 手 臂 控 制 进 行 了研 究 ， 东北 林 业 大 学 的 陆怀 民研 制 了林 木 球果 采摘
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ８ — １ １
基 金项 目：南 京工业职业技 术学院 院级 重大科研项 目（ Ｙ Ｋ １ ０ － ０ １ － ０ ６ ） 作者 简介 ：丁加军 （ １ ９ ６ ３ 一） ， 男， 江 苏姜堰人 ， 副教授 ， 高级 工程师 ， （ Ｅ
难度 。所以 ， 在保证 采摘成功率 的前提 下 ， 机 械臂 的
后 关 节 采用 移 动关 节 具 有更 优 的避 障性能 。
另外 ， 目前用来感 知外部 环境 信息 的传感器大都
装在机器人 的末 端执 行器 上 ， 在 机 械 臂 上 安 装 的 很 少 。而机 器 人 在采 摘 果 树 内部 的果 实 时 ， 机 械臂 的末 端 臂 不可 避 免地 要 深 入 果 树 的 内部 进 行 作 业 ， 会 与枝
机 器 人 Ｊ 。此 外 ， 上 海 交通 大 学 正在 进 行 黄 瓜 采 摘 机
基于 以上调研及分析 ， 本文提 出了一种能够感 知 危险碰撞力 的、 具有伸缩功能 的采摘机器人避障末 端
臂（ 下 文简 称 末端 臂 ） ， 其 通 过 转 动关 节 与机 器 人 大 臂 连接 ， 并 安 装 上相 应 的 末 端 执 行 器 之 后 ， 进 行 了试 验 ， 收 到 了 良好 的效果 。