草莓采摘机器人

5.2.2运动定位机构设计

运动定位机构用于局部范围内精密调节末端执行器和采摘目标的相对位置，包含3个平动自由度和1个旋转自由度．如图5所示。

图5 精密运动定位机构示意图

1.电动机 2.横梁 3.电动机2 4.丝杠导轨模组1 5.丝杠导轨模组2 6.电动机4 7.电动机支架 8.螺旋法兰 9.固定法兰 10.滑块3 11.丝杠导轨模组3 12.电动机3

横梁与丝杠导轨模组l平行放置且固连，滑块l、滑块2、滑块3分别与丝杠导轨模组l、丝杠导轨模组2、丝杠导轨模组3配合；丝杠导轨模组1与丝杠导轨模组2垂直放置，滑块1与滑块2固连；电动机4通过电动机支架与丝杠导轨模组2的一端固连，电动机4的输出轴与旋转法兰固连，旋转法兰与滑块3固连。在电动机l的驱动下，丝杠导轨模组2随滑块1沿x方向平动；在电动机2的驱动下，整个丝杠导轨模组2和电动机4一同相对于滑块2沿y方向平动；在电动机3的驱动下，丝杠导轨模组3可相对于滑块3沿z方向平动。

末端执行器通过固定法兰与精密运动定位机构固连，精密运动定位机构通过横梁与框架顶端固连。电动机1、电动机2、电动机3搭配增量式编码器，控制系统可对其进行闭环控制，从而实现末端执行器沿x、y、z方向的精确平动。

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5.2.3末端执行器设计

末端执行器由机械手、摄像头、刀片和光纤传感器组成，如图6所示，能够以剪切并夹持果柄的方式摘取草莓。摄像头位于机械手正下方，用于判断采摘目标与末端执行器在x、y方向上的位置偏差；光纤传感器a与光纤传感器b分别位于手钳a和手钳b的前端，用于探测两手钳之间是否存在果柄；刀片固连在手钳a前端，刃口正对手钳b前端的纳刀槽，用于在机械手闭合同时切断果柄；夹持面是指位于手钳b纳刀槽下方且面向手钳a的部分表面与手钳a上与之相对的表面，在目标果柄被切断后可将果实夹持。

图6 末端执行器机构示意图

1.机械手 2.手钳a 3.光纤传感器a 4.光纤传感器b 5.纳力槽 6.手钳b 7.摄像头 8.刀片

一般采摘机械手的结构设计原则为：一是有最优的工作空间，在采摘过程中，机械手工作空间应该尽可能多地包含工作目标的位置，以降低机器人的移动频率，提高工作效率。二是具有合理的内部机构设计，在设计采摘机器人时，不仅要考虑其结构形式和参数，而且要设计合理的内部机械结构。具有较好的避障能力，农业生产环境复杂，难以预测，作为作业对象的果实分布随机，一般生长在茂密的茎叶和支撑物等障碍物之间，而且在果实采摘过程中，植物茎叶以及支撑物的位置常常不固定，为了减少对植物的损伤，机械手在接近果实的过程中必须能方便地避开障碍物。三是具有消除工作空间内奇异形位的能力，对于非冗余度机器人，一般通过增加自由度使其具有冗余度，以解决机械手机构的奇异问题。自由度越多，灵活性越好，但是会增加机构复杂性和控制难度。农业机器人要求操作简单、成本低廉，因此要在保证这几条原则的前提下尽量采用冗余自由度少、机构简单的形式。

机械手由压缩空气驱动，机械手闭合过程可分4个阶段，各阶段机械手最终状态如图7所示。

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图7 机械手闭合过程示意图

（a）第一阶段最终状态（b）第二阶段最终状态（c）第三阶段最终状态（d）第四阶段最终状态

第1阶段：末端执行器运动到采摘位置，两手钳把果柄置于中间，机械手准备闭合；第2阶段，两手钳对称相向运动，直到刀片刃口接触果柄，即将进行切割动作；第3阶段，两手钳继续对称相向运动，直到果柄被完全切断；第4阶段，两手钳继续对称相向运动，刀片刃口逐渐进入纳刀槽中，直到机械手的夹持力达到最大，此时被采摘的草莓果实从果柄处被可靠的夹持。由于果柄被切断后果实将连同剩余果柄在重力作用下掉落，为保证机械手能够及时将果柄夹持，针对末端执行器的设计需要进行专门参数校验。

5.3基于无线遥控采摘机器人系统构造 5.3.1系统构成模块

草莓采摘机器人系统如图8所示。采摘机器人系统硬件由轮式移动平台、关节型采摘机械臂、双耳视觉相机、柔性末端执行器、人机交互模块以及系统控制器等6部分构成。系统控制器负责控制算法运行以及控制信号接收发送，从而协调控制各功能部件。双目视觉相机安装于机械臂末端附近，通过设置机械臂初始姿态使得相机水平正对草莓栽培槽，以进行果实识别定位。旋转机械臂腰关节1800则可以对机器人另一侧的果实进行识别定位和采摘。机器人系统采用语音提示与遥控手柄相结合的无线人机交互方式，以实现启停、应急控制等简易操作，保证系统使用安全方便。

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图8 草莓采摘机器人系统

1.移动平台 2.声纳传感器 3采摘机械臂 4.末端执行器 5.双目视觉相机 6.控制箱

5.3.2末端执行器

末端执行器是指机器人具有直接作用于作业对象功能的部分。末端执行器安装在机械手的末端，其功能类似于人手，是直接与目标物体接触的部件。末端执行器的形式主要有吸盘式、针式、喷嘴式、杯状、多关节手爪式、顺应型指结构等。通常末端执行器都是专用的，草莓果实表皮非常柔嫩，夹持果实本体容易造成果皮损伤，影响果实品质．进而影响后续加工、储藏。采摘机器人采用了由果实吸附、果柄夹持、果柄切割3部分组成的柔性末端执行器，如图9和图10所示。

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