猕猴桃采摘机器人末端执行器设计与试验_傅隆生
基于猕猴桃果萼图像的多目标果实识别方法
基于猕猴桃果萼图像的多目标果实识别方法陈礼鹏;穆龙涛;刘浩洲;谷新运;傅隆生;崔永杰【期刊名称】《计算机工程与设计》【年(卷),期】2018(039)006【摘要】在猕猴桃采摘机器人作业的过程中,由于对于目标果实的识别一般是针对单个果实,极大影响了猕猴桃采摘的效率.为此,提出多目标果实的识别方法,以猕猴桃果萼为识别对象对猕猴桃图像进行识别.运用该方法对多目标果实进行识别,对所采集的样本图像中的20幅图片进行实验,实验结果表明,运用该方法识别的准确率为88.86％,该识别获得的信息能达到猕猴桃多目标识别的目的,为后续机械臂的路径规划,采摘机器人末端执行器设计提供了信息支持,也可为苹果、柑橘等果实的识别提供参考.%When kiwifruit harvesting robot is working,the recognition of the target fruit is aiming at a single one generally,which affects the picking efficiency of robot greatly.For this issue,a recognition method of multi-target was proposed,which recognized kiwifruits images by referring the calyx as the subject.20 images of the sample images were tested using the proposed recognition method of multi-target,the conclusion was drawn that the accuracy of the method can reach 88.86 ％.The information obtained using the method achieves the goal of multi-target recognition of kiwifruits successfully and it can provide information supports for the following path planning of mechanical arms and designing of end-effector.The method also can provide references for recognition of other fruits,such as apples,oranges,etc.【总页数】7页(P1738-1744)【作者】陈礼鹏;穆龙涛;刘浩洲;谷新运;傅隆生;崔永杰【作者单位】西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100【正文语种】中文【中图分类】TP391.41【相关文献】1.基于图像的猕猴桃果实目标提取研究 [J], 丁亚兰;耿楠;周全程2.基于果萼图像的猕猴桃果实夜间识别方法 [J], 傅隆生;孙世鹏;Vázquez-Arellano Manuel;李石峰;李瑞;崔永杰3.基于PLC和MCGS的猕猴桃果实称重分级控制器设计 [J], 纪娜4.基于单片机的猕猴桃果实称重分级控制器设计 [J], 何国荣5.基于GC-MS代谢组学技术的不同品种猕猴桃果实化学成分差异性研究 [J], 赵燕妮;张坤;许牡丹;雷靖;刘欢;刘宁;陈雪峰;张迪因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于Kinect传感器的猕猴桃果实空间坐标获取方法
基于Kinect传感器的猕猴桃果实空间坐标获取方法王滨;陈子啸;傅隆生;苏宝峰;崔永杰【摘要】猕猴桃自动采摘机器人研究中,为了自动获取目标果实的空间坐标,提出了一种基于Kinect传感器的猕猴桃果实空间坐标获取方法.首先利用Kinect传感器的红外投影机和红外摄像机获取深度图像,利用彩色摄像机获取RGB图像,根据彩色图和深度图对应关系,转换成深度坐标;然后通过Map Depth Point To Skeleton Point函数得到以红外摄像机为原点的坐标系坐标.实验表明:该方法能够有效获取猕猴桃目标果实的空间坐标,其定位误差小于2mm.%Considering the problems to acquire spatial coordinates of fruit during Kiwi fruit picking robot harvesting, a method is proposed to obtain the spatial coordinates of kiwi fruit based Kinect.This method can obtain the Kiwifruit spa-tial coordinates accurately.Kinect infrared projector and infrared cameras was used to obtain the depth of image, and Col-or camera for RGB images.According to corresponding relationship between color and the depth image, the depth of the coordinate could be obtained.Then, map depth point to skeleton point function was used to get Spatial coordinate system coordinates for the origin of the infrared camera.Experiments show that this method can effectively obtain the spatial co-ordinates of kiwi fruit, positioning error less than 2mm.【期刊名称】《农机化研究》【年(卷),期】2016(038)005【总页数】6页(P232-236,241)【关键词】采摘机器人;猕猴桃;Kinect传感器;深度图像;空间坐标【作者】王滨;陈子啸;傅隆生;苏宝峰;崔永杰【作者单位】西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100【正文语种】中文【中图分类】S233.5;TP399中国是世界上猕猴桃种植面积最大的国家，但目前猕猴桃主要依靠人工采摘，采摘自动化程度很低。
猕猴桃采摘机械手末端执行机构的设计
猕猴桃采摘机械手末端执行机构的设计王宜磊;陈霖;易柳舟;魏鑫;唐建【摘要】设计一种针对早期猕猴桃果实较硬时采摘的末端执行机构,分析猕猴桃采摘机械手末端执行机构在运动、抓取、采摘等方面的性能和技术指标.猕猴桃在采摘时被纸袋包裹,在保证夹取果实而不被压坏的最小压力下减少果实的磨损,该机械采摘末端执行机构采用旋转加拉扯共同作用,可实现猕猴桃采摘的彻底性.%Designed a terminal actuator for picking the fruit of early kiwifruit,and analyzed the performance and technical indexes of the terminal actuator of kiwifruit picking manipulator in motion,grasping and picking.The mechanical picking terminal actuator using rotary plus pull together,can realize the thoroughness of kiwifruit picking.For the packaging a bag the outside of the kiwi fruit in picking,the fruit wear is reduced in the process of picking under the minimum pressure to ensure that the fruit is not crushed.【期刊名称】《食品与机械》【年(卷),期】2018(034)001【总页数】4页(P89-91,148)【关键词】猕猴桃;机械手;末端执行机构;设计【作者】王宜磊;陈霖;易柳舟;魏鑫;唐建【作者单位】四川农业大学机电学院,四川雅安 625000;四川农业大学机电学院,四川雅安 625000;四川农业大学机电学院,四川雅安 625000;四川农业大学机电学院,四川雅安 625000;四川农业大学机电学院,四川雅安 625000【正文语种】中文随着科技的发展，机械采摘方面也在不断发展，水果采摘机械手也在广泛使用中，不同果蔬的生长特点和采摘要求不同，采摘的方式也不同，在末端执行机构上也存在差异[1-3]。
(2021年整理)猕猴桃果实采摘末端执行器设计与试验
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猕猴桃果实采摘末端执行器设计与试验*【摘要】果实无损采摘是采摘机器人的关键技术之一,本文进行了自然生长条件下簇生猕猴桃果实无损采摘末端执行器的研究。
基于人工采摘方式和果柄生物特性,提出面向机器人的果实采摘方法，设计了果柄分离试验进行可行性验证；基于果实采摘方法设计了从底部接近、旋转包络分离毗邻果实并抓取的末端执行器，并试制样机，进行了现场评价试验。
试验结果表明，末端执行器有效解决了毗邻果实分离问题,能够实现单个果实稳定抓取和无损采摘，采摘成功率在96.0％以上，平均单果耗时22s。
关键词:猕猴桃果实采摘机器人采摘方法末端执行器中图分类号：S225.93文献标识码：A文章编号：××（编辑部制作）Study on Picking End—effector of KiwifruitAbstractFruit nondestructive picking is one of the key technologies of harvesting robot. In this paper， a nondestructive picking end—effector of kiwifruit was studied。
Firstly, based on the artificial way of kiwifruit picking and the biology characteristics of kiwifruit stalk， a fruit picking method for robot was proposed, which was verified by a special designed separation test. Then, an end-effector was designed and manufactured based on the fruit picking method, which could approach a fruit from the bottom, envelop and grab the fruit from two sides。
猕猴桃采摘机器人末端执行器设计
猕猴桃采摘机器人末端执行器设计陈军;王虎;蒋浩然;高浩;雷王利;党革荣【摘要】An end-effector for harvesting kiwifruit was developed. The compressibility properties and other related physical properties of the kiwifruit were measured. The body structure, perception system and control system of the end-effector were designed. The experiment of kiwifruit picking was finally conducted. The results showed that the success ratio of clamping and picking kiwifruit reached to 100% and 90% , respectively. Picking time of 9 s was needed to perform one action of harvesting.%为实现猕猴桃的自动化采摘,设计了猕猴桃采摘机器人末端执行器.测定了猕猴桃抗压特性和其他相关物理特性,提出了一种机器采摘方案,设计了末端执行器的机械装置、感知系统和控制系统.试验结果表明,该末端执行器对猕猴桃的抓持成功率为100％,采摘成功率为90％,完成一次采摘动作耗时9 s.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2012(043)010【总页数】5页(P151-154,199)【关键词】猕猴桃;采摘机器人;末端执行器;设计【作者】陈军;王虎;蒋浩然;高浩;雷王利;党革荣【作者单位】西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100【正文语种】中文【中图分类】TP242.6引言末端执行器作为采摘机器人的核心部件之一，安装于机械手臂前端，是机器人接触果实的重要工作部件，其工作对象的大小和形状一般不相同，且具有柔软、易损坏等特性，因此采摘机器人末端执行器的设计非常重要［1～3］。
猕猴桃采摘机器人设计及试验
收稿日期:2022-10-25基金项目:浙江省级重点研发计划(2019C02029);浙江省 领雁 研发攻关计划(2022C02055); 科技助力经济2020 重点专项(SQ2020YFF0401786)作者简介:王佳虹(1984 ),女,山西大同人,工程师,主要从事智慧农业与机器人关键技术研究,E-mail:jackie@㊂文献著录格式:王佳虹,王迪,叶宏宝,等.猕猴桃采摘机器人设计及试验[J].浙江农业科学,2023,64(10):2418-2422.DOI:10.16178/j.issn.0528-9017.20221073猕猴桃采摘机器人设计及试验王佳虹1,王迪1,叶宏宝2,朱国宏1,晏毓1(1.杭州乔戈里科技有限公司,浙江杭州㊀310051;2.浙江省农业科学院农业装备研究所,浙江杭州㊀310021)㊀㊀摘㊀要:针对猕猴桃无损采摘的需求,基于机器视觉相关理论设计了一种主要由履带式底盘㊁采摘机械臂和末端执行机构这三部分组成的猕猴桃采摘机器人㊂根据猕猴桃采摘机械特性,设计无损采摘的末端执行机构;通过设计采摘机器人硬件控制系统和软件控制系统,实现猕猴桃准确识别和精准采摘,提高采摘机器人的作业效率㊂为验证采摘机器人的采摘性能,采用视觉识别和采摘实地试验进行验证㊂结果表明,视觉识别准确率可达97.7%,采摘成功率可达85%以上,平均采摘单颗猕猴桃时间为3.01s,可以满足农业实际生产对采摘机器人的性能要求㊂关键词:机器人;猕猴桃;无损采摘;控制中图分类号:S233.74㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0528-9017(2023)10-2418-05㊀㊀采摘作业在整个猕猴桃生产中占据很大比例,完整的猕猴桃种植生产过程中约有35%的时间被采摘占据,并且猕猴桃进入适采期后必须尽快采摘,盛果期采摘作业量骤增[1],提高猕猴桃采摘的自动化程度对于提高整个产业的经济效益至关重要㊂2000年以来,世界各地都将农业研究重点转向了农产品自动化[2-6]㊂草莓采摘机器人由东京大学的学者们率先研发成功,随之问世的是荷兰研究者研发的采摘机器人[7],主要针对当地的黄瓜采摘,中国科学家也研发出针对草莓[8]㊁茄子[9-10]㊁番茄[11]㊁苹果[12]等采摘机器人㊂随着农业自动化程度的不断加深,关于猕猴桃采摘的机械自动化研究成果也越来越多,但现存研究成果仍存在机械采摘易受损伤㊁机器人自动化程度低㊁采摘效率低等问题㊂针对上述猕猴桃机械采摘的一系列问题,本文针对猕猴桃生长和采收特点对采摘机器人进行设计和试验,研制了搭载无损采摘末端的整体采摘机器人样机,并进行果园实地采摘实验㊂1 采摘机器人系统组成及工作原理猕猴桃属落叶藤类植物,我国猕猴桃多种植在露天果园环境中(图1),猕猴桃果树藤架高约180cm,两排果树间距为200~300cm,可作为采摘机器人的行走通道,猕猴桃果实分布较为集中,适采期果实多从顶端树冠垂下,分布在地面向上150~170cm 处至藤架㊂鉴于猕猴桃的农艺管理特点和生长特点,采摘机器人在两排果树中间移动,能够保证采摘绝大部分果实㊂图1㊀猕猴桃果园种植环境猕猴桃采摘机器人的结构示意如图2所示,主要由履带式移动底盘㊁控制装置㊁双目相机㊁承载装置㊁升降座㊁托架㊁气泵㊁真空控制器等组成,其中控制装置由工控机㊁GPS接收器㊁温湿度传感器㊁调压阀和控制电路等组成㊂1表示移动装置,2表示控制装置,21表示第一控制装置,22表示第二控制装置,3表示视觉装置,4表示承载装置,41表示升降座,42表示托架,5表示气泵,6表示真空控制器㊂图2㊀猕猴桃采摘机器人结构简图采摘机器人在作业过程中可以完成自主导航,当视觉系统检测到自身行走到目标果树位置后,上位机发送命令控制履带底盘停止前进,并通过Ethernet向机械臂发送运动指令,控制机械臂到达目标位置进行图像采集工作,上位机接收到图像数据后生成适采期果实位置数据,进一步对机械臂运动路径进行规划生成机械臂运动指令㊂当机械臂到达预定位置后,上位机通过PLC控制末端执行机构抓取果实㊂当前位置的果实采摘结束后,机械臂恢复初始设定位姿,上位机控制机器人继续前进,重复上述步骤㊂机器人前进过程中若遇到障碍物,上位机通过双目视觉相机给出的深度信息控制机器人躲避,若无法躲避则停在原地并发出警报㊂猕猴桃采摘机器人实物图如图3所示㊂2 控制系统设计2.1㊀软件控制㊀㊀整个软件系统基于ROS框架开发完成,其程序流程图如图4所示,程序流程简述如下:(1)各系统设备初始化㊂(2)初始化完成后,导航系统开始通过串口采集RTK技术解析的当前机器人经纬度位置信息和航向角信息,同时通过双目摄像机采集机器人周图3㊀猕猴桃采摘机器人实物图边环境信息,上位机提取并分析当前路面信息用于导航决策,进而生成导航控制数据,实现采摘机器人自主行走㊂(3)上位机控制导航机器人行走的同时,双目摄像机采集周围果树位置图像,生成位置信息指导机器人到达果树边,之后双目相机继续扫描适采期果实,并保存果实中心点位置信息,上位机利用这些位置信息对机械臂运动路径进行规划和运动学求解㊂(4)机械臂按照上位机规划的运动顺序到达预设位置后,末端执行机构通过PLC接收上位机的指令进行果实抓取动作,当前果实采摘完成后重复上述步骤直至当前范围内果实全部被采摘㊂(5)采摘机器人不断重复前进和采摘步骤,当视觉系统检测到果树特征消失后,执行转弯动作㊂当导航系统检测到机器人到达预设终点时,采摘任务结束㊂2.2㊀硬件控制㊀㊀智能移动采摘机器人的控制系统主要由上位机控制器㊁下位机控制器和传感器系统等部分组成,硬件结构框图如图5所示㊂其中末端执行机构由支撑板㊁驱动装置㊁控制装置㊁夹爪和相机组成,如图6所示,能够以夹持果实的方式摘取猕猴桃㊂相机位于支撑板外侧,用于将待采摘的水果位置信号传递给连接执行机构的机械臂,可以有效保证水果采摘过程的自主精确定位及抓取;驱动装置安装在支撑板上,并连接固定件,同时固定件上安装3个柔性气动夹爪,通过控制外接气泵的气体使柔性夹爪膨胀并发生弯曲,进㊀㊀图4㊀上位机软件流程图图5㊀硬件结构设计图而贴合果实表面握紧果实,保证了抓牢果实完成折断的过程中不对果实造成伤害;驱动装置可以推动鱼眼轴承带动固定件发生转动,进而使得安装在固定件上的多个夹爪发生转动,夹爪抓取采摘水果在转动过程折断水果果蒂完成采摘动作;内部中空的㊀㊀1表示支撑板,11表示第一延伸部,2表示驱动装置,21表示第一控制装置,22表示第二控制装置,3表示固定件,4表示滑槽块,5~7表示夹爪,8表示鱼眼轴承,9表示视觉相机模块, 10表示固定底片㊂图6㊀末端执行机构结构示意图管筒形固定件的上端安装夹爪,在其下端安装连接柔性兜袋并延伸至柔性收集箱,夹爪抓取水果完成采摘后可松开将水果直接从中空的管筒形固定件滑入收集容器,提高了采摘效率,也避免了末端执行机构机械臂的往返移动,降低了对树体枝叶损伤的概率㊂3㊀结果与分析采摘机器人能否高效准确地完成采摘任务主要由两个指标决定,首先在于识别系统对于猕猴桃果实识别的准确率,其次在于识别成功后机械系统能否成功采摘,故本文设计了两方面的实验来验证采摘机器人的性能㊂3.1㊀识别定位试验㊀㊀试验于2022年9月15 30日开展,采摘试验地点为浙江省杭州市富阳猕猴桃种植园,试验对象为移栽猕猴桃,猕猴桃品种为海沃德㊂通过在一天中的不同时段进行识别实验,测试机器人在不同光照情况下的识别准确率,识别结果如表1所示㊂表1㊀识别定位试验结果参数测试环境较暗正常较亮成熟果实180210190成功识别156199179准确率/%86.797.794.2㊀㊀由表1可知,识别系统在较暗㊁正常和较亮3种情况下的识别成功率分别为86.7%㊁97.7%和94.2%㊂由该结果可知,该系统在较暗的环境下识别性能相对较差,在环境光线正常和较亮的情况下识别准确率均达到了94%以上,结合采摘机器人多为日间工作的实际应用情况,其工作场景下绝大部分时间光线充足,故该采摘识别系统可满足猕猴桃采摘需求,部分识别结果如图7所示㊂图7㊀3种光照识别结果图3.2㊀采摘试验㊀㊀采摘末端执行机构安装于六轴机械臂上,并在机械臂末端搭载双目视觉相机,机械臂的最大线速度和最大线加速度分别设为2m㊃s-1和2m㊃s-2,最大角速度和最大角加速度不超过180(ʎ)㊃s-1和180(ʎ)㊃s-2,采摘时机械臂在双目视觉的引导下将柔性夹爪对准并贴近猕猴桃表面,然后执行采摘操作,猕猴桃在夹爪闭合过程中被夹爪向末端执行器方向拉拽,当夹住果实后摆动气缸转动,将猕猴桃果梗与果实分离㊂最终测得采摘机器人的采摘成功率和单果采摘时间等数据,如表2所示㊂表2㊀采摘试验结果参数测试时间10:0013:0016:00识别数量/个218196189成功采摘/个188167164成功率/%86.285.286.8采摘时间/s 2.95 3.12 2.96㊀㊀由表2可知,在准确识别视野内的猕猴桃果实的基础上,3个时间点下采摘成功率均达到了85%以上,单果平均采摘时间为3.01s,可满足实际生产的技术要求㊂4㊀结论与讨论针对猕猴桃机械采摘时果实易受损伤的情况,搭载柔性夹爪设计末端采摘机构,通过控制气压大小实现猕猴桃果实的无损采摘㊂设计了猕猴桃采摘的整体控制系统,从硬件和软件两方面实现采摘系统的自动化和智能化,实现了履带车移动底盘㊁采摘机械臂㊁末端执行机构及采后水果收集等一系列动作的协调统一,推进了猕猴桃采摘的智能化和机械化进程㊂参考文献:[1]㊀MU L T,LIU H Z,CUI Y J,et al.Mechanized technologies forscaffolding cultivation in the kiwifruit industry:a review[J].Information Processing in Agriculture,2018,5(4):401-410.[2]㊀SILWAL A,DAVIDSON J R,KARKEE M,et al.Design,integration,and field evaluation of a robotic apple harvester[J].Journal of Field Robotics,2017(2).DOI:10.1002/rob.21715.[3]㊀MU L T,CUI G P,LIU Y D,et al.Design and simulation ofan integrated end-effector for picking kiwifruit by robot[J].Information Processing in Agriculture,2020,7(1):58-71.[4]㊀于丰华,周传琦,杨鑫,等.日光温室番茄采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报,2022,53(1):41-49.[5]㊀ARAD B,BALENDONCK J,BARTH R,et al.Development ofa sweet pepper harvesting robot[J].Journal of Field Robotics,2020,37(6):1027-1039.[6]㊀XIONG Y,GE Y Y,GRIMSTAD L,et al.An autonomousstrawberry-harvesting robot:design,development,integration,and field evaluation[J].Journal of Field Robotics,2020,37(2):202-224.[7]㊀VAN HENTEN E,VAN TUIJL B,HOOGAKKER G J,et al.An autonomous robot for de-leafing cucumber plants grown in ahigh-wire cultivation system[J].Biosystems Engineering,2006,94(3):317-323.[8]㊀HAYASHI S,SHIGEMATSU K,YAMAMOTO S,et al.Evaluation of a strawberry-harvesting robot in a field test[J].Biosystems Engineering,2010,105(2):160-171. [9]㊀张凯良,杨丽,张铁中.草莓收获机器人采摘执行机构设计与试验[J].农业机械学报,2011,42(9):155-161.[10]㊀宋健,孙学岩,张铁中,等.开放式茄子采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报,2009,40(1):143-147. [11]㊀梁喜凤,杨犇,王永维.番茄收获机械手轨迹跟踪模糊控制仿真与试验[J].农业工程学报,2013,29(17):16-23.[12]㊀马履中,杨文亮,王成军,等.苹果采摘机器人末端执行器的结构设计与试验[J].农机化研究,2009,31(12):65-67.(责任编辑:董宇飞)。
猕猴桃采摘机器人的研究与设计
猕猴桃生 为机器人采摘的实现 提供 了可行性 。猕猴桃 果实形 状多为较规 则 的椭 圆
形， 易于 实现 机械 手 的夹持 。 设 计要 求 为猕猴 桃 采 摘机 器 人 能 够驱 动 机 械 臂靠
个移 动 关 节 。
ｗｓ ｕ ａ ｆ ＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 ｇ ａ ｏ ｈ ａ ｏ ｎ
军（ １ ９ ７ １ 一 ） ， 男， 宁夏 固原人 ， 教授， 博士 生导师 。
２ ０ １ ３年 ２月
农 机 化 研 究
第 ２期
平 面 内 的坐标 变 量 （ ， ｙ ） 表示为极坐标形式 ， 则 果 实
２ ０ １ ３年 ２月
农 机 化 研 究
第 ２期
猕 猴 桃 采 摘 机 器 人 的 研 究 与 设 计
高 浩 ，王 虎 ，陈 军
７ ｌ ２ ｌ ０ ０）
（ 西 北农 林 科 技 大 学 机 电学 院 ， 陕 西 杨 凌 摘
要 ： 设 计 了一 种 针对 规 范 化种 植 的猕 猴 桃 采摘 机 构 ， 它 能 够 在 果 实成 熟 期 的 果 实 分 布 平 面 内对 果 实 进 行 识
的坐标 为 （ ０ ， ｒ ， ） 。其 中 ， ０为 在 Ｘ Ｏ Ｙ平 面 内腰 部 的 旋 转 角度 ， ｒ 为 小 臂 的伸 出距 离 ， ｚ为 大 臂 在 垂 直 平 面
内的伸出距离 ， 机器人 自身的坐标原点为（ ０ ， ０ ， ０ ） 。
… ｃ ｔ ａ ｎ
（ ）
： 、
示 为较 窄 的宽度 为 ２ Ｏ ０ ０ ｍ ｍ， 成 熟 后 果 实 多 分 布在 地 面 向上 ｌ ５ ０ ０ ｍ ｍ 处至 藤架 之 间。
《采摘机器人末端执行器设计与抓取特性研究》
《采摘机器人末端执行器设计与抓取特性研究》一、引言随着科技的进步与农业现代化进程的推进，采摘机器人在农业领域的应用逐渐成为研究的热点。
其中，采摘机器人末端执行器作为执行抓取动作的关键部件，其设计与抓取特性的研究至关重要。
本文将围绕采摘机器人末端执行器的设计进行探讨，深入分析其抓取特性，为实际应用的采摘机器人提供理论支持。
二、采摘机器人末端执行器设计1. 设计要求与目标采摘机器人末端执行器的设计需满足轻便、灵活、高效和安全等要求。
设计目标为实现对不同大小、形状和质地的果实的精准抓取，减少果实破损率，提高采摘效率，并保证作业过程的安全性。
2. 结构设计采摘机器人末端执行器主要由夹爪、驱动机构、控制机构等部分组成。
夹爪采用柔性材料制成，以适应不同形状的果实；驱动机构采用电机驱动，实现夹爪的开启与闭合；控制机构则负责接收指令并控制驱动机构的动作。
3. 关键技术在设计中，需考虑的关键技术包括夹爪的材质选择、驱动机构的效率与稳定性、控制系统的精确性等。
夹爪材质需具备一定弹性和耐磨性，以适应不同果实的抓取；驱动机构需保证动作迅速且稳定，以适应高效率的采摘作业；控制系统需精确控制夹爪的开启与闭合，以实现精准抓取。
三、抓取特性研究1. 抓取力分析采摘机器人末端执行器的抓取力是影响抓取效果的关键因素。
通过对夹爪的材质、形状以及驱动机构的参数进行优化，可以实现抓取力的合理分配，使机器人在抓取过程中既能保证果实的稳定性，又能减少果实破损率。
2. 适应性分析采摘机器人需适应不同大小、形状和质地的果实。
通过对末端执行器进行适应性设计，使其能够根据果实的特征调整夹爪的形状和抓取力度，实现对不同果实的有效抓取。
3. 安全性分析安全性是采摘机器人作业过程中需重点考虑的问题。
通过对控制系统进行优化，确保机器人在抓取过程中能够根据果实的实际情况调整抓取力度，避免因力度过大而导致果实破损或机器损坏。
同时，还应设置安全防护装置，防止机器在异常情况下对人员造成伤害。
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（ 1． College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi 712100，China 2． Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China 3． Faculty of Agriculture，University of Miyazaki，Miyazaki 8892192，Japan）
本文从自然生长条件下猕猴桃簇生等特点出 发，基于果实与果柄的分离特性，提出面向机器人的 果实无损采摘方法，进行了果柄分离试验的可行性 验证； 充分利用果实底部空间，采用钳式组合手指设 计从果实底部接近、旋转包络分离毗邻果实并抓取 的末端执行器，并试制样机进行现场评价试验。
1 果实采摘方法
1. 1 果实采摘简化几何模型 猕猴桃成熟时，果柄与果实形成以维管束为主
Development and Experiment of End-effector for Kiwifruit Harvesting Ｒobot
Fu Longsheng1 Zhang Fanian1，2 Gejima Yoshinori3 Li Zhen1 Wang Bin1 Cui Yongjie1
收稿日期： 2014-12-10 修回日期： 2015-01-10 * 国家自然科学基金资助项目（ 61175099） 作者简介： 傅隆生，讲师，博士，主要从事果实的省力化采收和智能化分选研究，E-mail： fulsh@ nwsuaf． edu． cn 通讯作者： 崔永杰，副教授，博士生导师，主要从事果蔬生产自动化研究，E-mail： cuiyongjie@ nwsuaf． edu． cn
陈军等［7］研 究 的 猕 猴 桃 采 摘 末 端 执 行 器 从 果 实两侧抓持，左右翻转分离果柄，在实验室进行了单 果采摘试验，但该装置采摘毗邻果实时易与相邻果 实碰撞，抓取空间和抓取力也受影响，且未讨论自然 生长 条 件 下 簇 生 猕 猴 桃 果 实 的 采 摘 问 题。Scarfe 等［8］介绍了猕猴桃采摘机器人的基本结构，但未涉 及末端执行 器 的 内 容。 刘 继 展 等［14］ 采 用 真 空 吸 盘 吸附的方式研究了毗邻番茄果实的分离，但猕猴桃 表面生有绒毛不 利 于 真 空 吸 盘 工 作。 刘 继 展 等［14］ 和陈燕等［15］分别 对 番 茄 和 荔 枝 的 果 柄 切 断 特 性 进 行了研究，从对应果实采摘方法考虑，为采摘方式设 计提供了依据。
要组织结构的离层。维管束是一种管状空心纤维组 织，能承受较强的拉应力，但不易承受剪切力。果实 脱落的主要原因是果柄离层受剪切力作用，导致维 管束被折断［16］。末端 执 行 器 在 抓 取 果 实 后 以 其 尺 寸为半径旋转，使果柄与果实惯性轴成一定夹角，同 时产生对果柄离层的剪切作用折断果柄。果柄与果 实惯性轴的夹角越大，剪切效果越明显，果柄分离力 越小。人工采摘猕猴桃时动作为： 手指抓住果实后，
2015 年3 月
农业机械学报
doi： 10． 6041 / j． issn． 1000-1298． 2015． 03． 001
第 46 卷 第 3 期
猕猴桃采摘机器人末端执行器设计与试验*
傅隆生1 张发年1，2 槐岛芳德3 李 桢1 王 滨1 崔永杰1
（ 1． 西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100； 2． 中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110016； 3． 宫崎大学农学部，宫崎 8892192）
摘要： 进行了棚架式栽培模式自然生长条件下簇生猕猴桃无损采摘机器人末端执行器的研究。基于果实与果柄的 分离特性，提出面向机器人的果实采摘方法和简化几何模型，进行了果实与果柄分离试验的可行性验证； 基于果实 采摘方法设计了从底部接近、旋转包络分离毗邻果实并抓取、向上运动分离果实的末端执行器，并试制样机，进行 了现场评价试验。结果表明，采摘模型能够实现果实与果柄的分离，末端执行器解决了毗邻果实分离问题，能够实 现单个果实稳定抓取、无损采摘和采后抓持，成功率达到 96. 0% ，平均单果耗时 22 s。 关键词： 猕猴桃 采摘机器人 无损采摘 末端执行器 中图分类号： S225. 93 文献标识码： A 文章编号： 1000-1298（ 2015） 03-0001-08
以果实果柄连接处后为支点，在竖直平面内旋拧果 实将果实 果 柄 连 接 处 折 断［7］。 利 用 人 手 的 包 容 性 和手指的多关节保证果实采摘后不掉落。但受目前 技术水平的限制，末端执行器难以达到人手的灵活 性。因此，末端执行器的设计既要实现果实与树枝 的分离，又要保证果实分离后不掉落，且对果实的夹 持力不能太大。此外，机器人采摘过程中，末端执行 器有固定支点，可实现以末端执行器的尺寸为半径 旋转。为此，提出如图 1 所示果实采摘简化几何模 型。末端执行器将果实包住后，通过旋转向上运动， 使果柄与果实惯性轴形成一定角度产生剪切力从而 使果实与果柄分离，并利用末端执行器的包容性保 证果实不掉落。因此，需研究果柄与果实惯性轴夹 角及预设末端执行器的旋转角度。
如图 1 所示，AB 表示果柄，CD 表示末端执行 器。虚线圆弧 a 表示无末端执行器作用时以铰链 A 为圆心，果柄长为半径，果蒂的运动轨迹。实线圆弧 b 表示在末端执行器作用下以末端执行器腕部（ 铰 链 C） 为圆心，末端执行器与果实组成的整体尺寸为 半径的果蒂运动轨迹，即果实被末端执行器稳定抓 取后在末端执行器作用下的实际运动轨迹。直线 c 表示果实的惯性轴。2 个运动轨迹的右上交点 B″， 为果柄理论上所能达到的极限位置。