】欠驱动苹果采摘末端执行器设计
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果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制
Design and Force Control of an Underactuated Robotic Hand for Fruit and Vegetable Picking
JIN Bo LIN Longxian
(The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310007)
+ θα1 = θ 1 h1 θα = h1 + l1 2
再建立一个转换矩阵 Jω，使得 θ = J ω
Abstract：To achieve non-destructive fruit and vegetable picking, an end-actuator with a simpler and more versatile structure is designed based on underactuated principle. The underactuated mechanism refers to machine that has fewer drivers compared with the number of degrees of freedom. The robotic hand designed by adopting the underactuated principle is simpler and more reliable. Due to simple structure and better adaptability to shape of objects, the robotic hand can fold the object completely with its fingers. Non-destructive harvesting is achieved by using a closed-loop force-feedback control algorithm which controls the maximum contact forces. Based on this design idea, a three-finger gripper which is driven by only one motor is designed. Through theoretical analysis, mechanism design and modeling, and structural optimization, the final model size is determined and physical production is completed. A control circuit combined with force-feedback control is designed for grasping experiments. The experimental results show that the robotic hand can achieve the desired grasping function, maximum contact force control and has such features as simple and reliable control, stable grasping and non-damaging. Key words：fruit and vegetable picking；robotic hand；underactuated；grasping experiments；maximum contact force control
基于TRIZ理论的苹果采摘机器人末端执行器的设计
（1） 结构合理紧凑并且可靠性高就会给批量生产带来难
度，即可制造性（32）；
（2）执行器要尽可能做到适应复杂环境的采摘作业，可能
增加执行器机构的复杂程度，即装置的复杂性（36）。
以 上 两 类 条 件 通 用 工 程 参 数 为 27 、32 、35 、36 、39 ， 分 别 将
以上参数作为行、列建立矛盾矩阵列表[4]，如表2所示。
表2 执行器冲突矩阵
27
32
35
36
39
27
13、35、8、24 13、35、1 1、35、29、38
32
2、13、15
27、26、1 35、1、10、8
35 35、13、8、24 1、13、31
15、29、37、28 35、28、6、37
36 13、5、1 27、26、1、13 19、15、28、37
灵活程度高，结构设置合理紧凑，即结构的稳定性（39）；
（2）采摘作业往往时间长、任务紧，所以末端执行器必须
可靠性高，即可靠性（27）；
（3）为了节省资源，末端执行器的适用范围应该广泛，即
适应性及多用性（35）。
设计制作时在保证以上条件的过程中很有可能导致其他
性能有所下降，现将可能下降的性能总结如下：
Sheji yu Fenxi◆设计与分析
基于TRIZ理论的苹果采摘机器人末端执行器的设计
乔海龙 李卫国 王利利 （内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051）
摘 要：以苹果为采摘对象，研究苹果的物理性质，制定末端执行器的设计要求，阐述TRIZ理论的原理和方法，结合设计要求应用 TRIZ理论解决问题的方法合理安排末端执行器的设计流程，最终设计出符合要求的苹果采摘机器人末端执行器。
一种果实采摘末端执行器设计与仿真分析
（ Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ） ｄ ｉ ｎ ｇ ｊ ｊ ＠ｎ ｉ ｉ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 。
１ 所示） ， 该末端执行器主要 由步进 电机 、 双作 用伸缩
摘
要 ：为 了实 现 球状 果 实 的 自动 化 采摘 ， 设 计 了一 种 能 够 完 成 多 种 球状 果 实采 摘 的 机 器 人 末 端 执 行 器 。其 具
有 无需 检 测 与 果实 的 接触 力 和无 需 检 测果 柄 与 末端 执 行 器 的相 对 方位 的 突 出优 点 ， 大 大 降 低 了机 器 人末 端执 行
２ ０ １ ３年 １月
农 机 化 研 究
第 １期
一
种 果 实 采 摘 末 端 执 行 器 设 计 与 仿 真 分 析
丁加 军 ，刘 桂 芝 ，杨 文亮
（ １ ． 南 京 工业 职 业 技术 学 院 ，南 京 ２ １ ０ ０ ４ ６；２ ．南 京 工 程学 院 ，南 京 ２ １ ｌ １ ６ ７）
过程 中出现 松 动 或 者 挤 碎 果 实 的情 况 就 要 添 加 压 力 传感 器 ， 对 抓取力进行控制 ， 这 样 就 增 加 了末 端 执 行 器 的成 本 及 控 制 系 统 的 设 计 难 度 与 末 端执 行 器 的方 位 也需 要 增 加 相
此 目标任务 可以有 以下几种方式 ： ①抓牢果 实后 ， 模 仿人采摘时手腕的掰拧动作将果柄拧断 ； ②用微型 电
锯将果柄割 断； ③ 抓 紧果 实 后 ， 利 用 一定 速 度 的刀 片
定采摘姿态 ， 同 时保 证 结 构 紧 凑 简 明 ， 具 有 较 高 的采
将 果 柄砍 断 ； ④ 判断 果 柄 位 置 ， 利用剪刀将果柄剪断 ； ⑤ 夹 住果 实 后 ， 用激 光将 果柄 烧 断 。 这 几 种方 案 中 ， 其 中第 １种 方 案 对 于柔 韧 果 柄 和 枝条 的情 况 采 摘 成 功 率 低 ； 第 ２—５种 方 案 对 于 打 断
１ 所示） ， 该末端执行器主要 由步进 电机 、 双作 用伸缩
摘
要 ：为 了实 现 球状 果 实 的 自动 化 采摘 ， 设 计 了一 种 能 够 完 成 多 种 球状 果 实采 摘 的 机 器 人 末 端 执 行 器 。其 具
有 无需 检 测 与 果实 的 接触 力 和无 需 检 测果 柄 与 末端 执 行 器 的相 对 方位 的 突 出优 点 ， 大 大 降 低 了机 器 人末 端执 行
２ ０ １ ３年 １月
农 机 化 研 究
第 １期
一
种 果 实 采 摘 末 端 执 行 器 设 计 与 仿 真 分 析
丁加 军 ，刘 桂 芝 ，杨 文亮
（ １ ． 南 京 工业 职 业 技术 学 院 ，南 京 ２ １ ０ ０ ４ ６；２ ．南 京 工 程学 院 ，南 京 ２ １ ｌ １ ６ ７）
过程 中出现 松 动 或 者 挤 碎 果 实 的情 况 就 要 添 加 压 力 传感 器 ， 对 抓取力进行控制 ， 这 样 就 增 加 了末 端 执 行 器 的成 本 及 控 制 系 统 的 设 计 难 度 与 末 端执 行 器 的方 位 也需 要 增 加 相
此 目标任务 可以有 以下几种方式 ： ①抓牢果 实后 ， 模 仿人采摘时手腕的掰拧动作将果柄拧断 ； ②用微型 电
锯将果柄割 断； ③ 抓 紧果 实 后 ， 利 用 一定 速 度 的刀 片
定采摘姿态 ， 同 时保 证 结 构 紧 凑 简 明 ， 具 有 较 高 的采
将 果 柄砍 断 ； ④ 判断 果 柄 位 置 ， 利用剪刀将果柄剪断 ； ⑤ 夹 住果 实 后 ， 用激 光将 果柄 烧 断 。 这 几 种方 案 中 ， 其 中第 １种 方 案 对 于柔 韧 果 柄 和 枝条 的情 况 采 摘 成 功 率 低 ； 第 ２—５种 方 案 对 于 打 断
一种水果采摘机器人末端执行器
一种水果采摘机器人末端执行器一种水果采摘机器人的末端执行器随着科技的不断进步，机器人技术正在越来越广泛地应用于各种领域。
其中，水果采摘领域也不例外。
水果采摘机器人的末端执行器是实现采摘水果的关键部分，它能够通过精确的操作，快速、高效地完成水果采摘任务。
一、末端执行器的设计水果采摘机器人的末端执行器一般采用机械手或机器人手臂的设计。
它通常由多个关节组成，具有高度的灵活性和操作性。
末端执行器可以通过感应器来感知水果的位置和形状，并通过复杂的算法来确定最佳的采摘路径。
二、末端执行器的操作流程1、感应水果：末端执行器使用感应器来探测水果的位置和形状。
这些感应器可以是光学相机、红外相机或深度相机等。
通过对采集到的图像进行处理和分析，可以确定水果的精确位置和大小。
2、路径规划：一旦确定了水果的位置，末端执行器将通过复杂的算法计算出最佳的采摘路径。
这些算法通常考虑多种因素，如机械手的灵活性、水果的位置和形状等。
3、采摘水果：在规划好路径后，末端执行器将开始执行采摘操作。
它可以使用夹持器或剪刀等工具来抓住或切断水果的茎干。
在采摘过程中，末端执行器需要保证水果不受损伤，同时也要保证机械手的操作安全。
4、放置水果：一旦采摘完成，末端执行器将把水果放置到指定的位置。
这个位置可以是篮子、箱子或其他容器。
放置过程中，末端执行器需要保证水果的稳定性和整齐性，以便后续的处理和运输。
三、末端执行器的优势1、高效性：末端执行器可以快速、准确地完成采摘任务，大大提高了采摘效率。
2、准确性：通过感应器和算法的配合，末端执行器可以精确地定位水果的位置和形状，从而保证采摘的准确性。
水果采摘机器人末端执行器的研究进展随着现代农业技术的不断发展，自动化和机器人技术在农业生产中的应用越来越广泛。
其中，水果采摘机器人在提高生产效率、降低劳动成本、提升水果质量等方面具有明显优势。
然而，采摘水果的精度和效率在很大程度上取决于机器人末端执行器的设计和功能。
一种欠驱动末端执行器控制系统的设计
一种欠驱动末端执行器控制系统的设计欠驱动末端执行器是一种具有较高研究价值和潜在应用前景的机械臂末端执行器，其特点在于其自身可以完成某些精细控制任务，如绕线、套配、流体传送、微立方体组装等。
然而，由于欠驱动执行器具有多自由度和非线性特性，在实现端执行器控制时必须制定相应的控制策略和控制算法，确保机械臂可以在预期的物理环境和操作环境下完成所需的运动和操作任务。
本文旨在研究一种欠驱动末端执行器控制系统的设计，通过对控制策略和控制算法的研究，设计一种稳定可靠的控制系统来实现机械臂的高精度运动和操作任务。
首先，本文对欠驱动末端执行器的控制模型进行建模，其中包括欠驱动末端执行器的动力学模型和控制模型。
具体而言，动力学模型包括机械臂的位置、姿态和速度等关键参数，而控制模型包括机器人的运动控制、力控制和位姿控制等关键因素。
建模完成后，针对不同的控制任务和运动需求，本文提出了不同的控制策略和控制算法，如运动控制中的PID控制，力控制中的ADM控制，位姿控制中的遗传算法等，以满足机械臂的高精度运动和操作需求。
其次，本文设计了一种基于ROS和OpenRave的欠驱动末端执行器控制系统，该系统包括硬件信号采集模块、数据处理和传输模块以及控制算法和控制策略模块等。
在该系统中，硬件信号采集模块负责采集机器人的传感器信号，数据处理和传输模块负责对采集到的数据进行处理和传输，而控制算法和控制策略模块负责设计和实现机械臂的各种运动和操作任务。
最后，本文通过实验验证了所设计的欠驱动末端执行器控制系统的可行性和有效性。
具体而言，本文在实验中利用设计的控制系统模拟了机械臂的绕线和套配等操作任务，通过对实验结果的分析和测量，证明了所设计的控制系统可以实现机械臂的高精度运动和操作任务需求。
此外，本文讨论了欠驱动末端执行器控制系统存在的局限性和发展前景，并提出了相应的改进和拓展建议。
综上所述，本文提出了一种基于ROS和OpenRave的欠驱动末端执行器控制系统的设计，该系统可以实现机械臂的高精度运动和操作任务需求，具有一定的应用前景。
果蔬采摘欠驱动灵巧机械手的设计
果蔬采摘欠驱动灵巧机械手的设计杨婕;赵晓栋;宋申祥;张兆德【摘要】Underactuated mechanism is a system whose number of control inputs is smaller than the number of degree of freedom. In order to realize non-destructive picking of fruits and vegetables ,a flexible and underactuated robotic hand with simple structure was designed through theoretical analysis,design of finger tip,transmission and drive mechanism,and modeling and simulation. It has shape-adaptability while grasping objects ,which can be completely surrounded to realize non-destructive picking. With small size and low cost ,it is adaptable to application in automatic picking in agriculture field.%欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构. 为了实现果蔬的无损采摘,通过理论分析、指端结构设计、传动机构设计和驱动机构设计与建模仿真,设计出一种灵活性高、结构简单的果蔬采摘欠驱动灵巧机械手.该机械手抓取物体时具有形状自适应能力,可完全包络物体实现无损采摘,且体积小、成本低,能够适应农业采摘自动化技术的推广.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】3页(P93-95)【关键词】果蔬采摘;无损采摘;欠驱动;机械手;仿真【作者】杨婕;赵晓栋;宋申祥;张兆德【作者单位】浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山,316022;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山316022;浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山 316022;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山,316022;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山316022;浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山 316022【正文语种】中文【中图分类】TP2420 引言果蔬采摘机器人的研究在国外已经有40多年的历史，日本和欧美等发达国家相继研究用于采摘番茄、黄瓜、苹果、蘑菇等果蔬的智能机器人［1-6］。
采摘机器人欠驱动末端抓手设计与分析
采摘机器人欠驱动末端抓手设计与分析摘要：农业是国家经济的基础，其中，果蔬产业占据着农业的重要地位。
我国是果蔬的产出大国，果蔬需求量增加使得果蔬产业对劳动力的需求也增加。
在果蔬的生产过程中，最重要的是采摘步骤。
然而，传统的人工采摘模式已经远远不能满足，加上农村劳动力的流失，果蔬业面临着十分严峻的难题。
因此，发展果蔬采摘机器人是十分必要的，不仅能够代替人力劳动，减少用工成本，还能提高采摘效率，对于果蔬产业的发展具有重要意义。
关键词：果蔬采摘；末端抓手；绳传动；欠驱动1.总体方案确定1.1明确抓取目标果蔬的种类繁多，形状大小各不相同，需要所设计的采摘机器人末端抓手具备较佳的适应性。
本课题以苹果和黄瓜这两个最常见的水果和蔬菜为采摘机器人欠驱动末端抓手的夹取目标，通过对它们的几何特性和形状进行分析来得到机器人末端抓手的夹取条件、基本参数、驱动方式和结构形式。
虽然不同品种的西红柿和黄瓜的形状大小和质量不同，但总体来说，苹果类似于球体，黄瓜类似于长圆柱体，其截面都类似圆形。
由表可知，苹果的平均直径为100mm，平均质量为180g；黄瓜的平均直径为45mm，平均质量为145g。
本课题所设计的采摘机器人末端抓手将以苹果和黄瓜直径与质量的平均值为参考。
1.2各类采摘机器人末端执行器比较1.2.1吸入式末端执行器吸入式末端执行器是通过吸盘、吸筒等，采用负压的原理来抓取果实，对果实表皮的损伤较小，响应比较快。
但是，抓持力有限，仅适用于球状的单颗果蔬，如苹果、番茄、草莓等。
1.2.2两指夹持式末端执行器两指夹持式末端执行器通常是采用两片夹板组成夹持机构，对果实进行两个在同一直线、相反方向的夹持力的夹取，稳定夹取后，用切刀将果杆剪切以得到果实。
这种类型的采摘机器人末端执行器可以夹取的果实体积范围较大，但是容易出现夹持力不在质心上，夹持不稳定的情况。
1.2.3指节式仿人手末端执行器指节式仿人手末端执行器是模仿人手的结构，多根手指，多个指节，采用连杆传动或腱绳传动，可以实现欠驱动方式，提高灵活性和简便性，可以对不同形态的物体进行捏取、包络抓取等不同的动作，通用性更强。
一种欠驱动末端执行器控制系统的设计
一种欠驱动末端执行器控制系统的设计【摘要】本文针对一种欠驱动末端执行器控制系统进行了设计和研究。
引言部分介绍了背景和研究意义，重点阐述了控制系统在现代工程中的重要性以及欠驱动末端执行器的特点。
正文部分包括系统架构设计、传感器集成与数据采集、控制算法设计、系统性能评价和实验结果分析。
结合实验数据，评价了系统的稳定性和效率。
最后结论部分总结了设计的可行性，强调了创新性和实用性，同时展望了未来的发展方向，为相关领域的研究和应用提供了一定的参考价值。
通过本文的研究，可以为欠驱动末端执行器控制系统的设计和优化提供一定的理论和实践支持。
【关键词】欠驱动末端执行器控制系统、系统架构、传感器集成、数据采集、控制算法、系统性能评价、实验结果分析、设计可行性、创新性、实用性、未来发展展望。
1. 引言1.1 背景介绍在当前工业自动化领域，末端执行器控制系统作为机器人系统的重要组成部分，扮演着至关重要的角色。
欠驱动末端执行器控制系统是一种新型的控制系统，其特点是具有较少的驱动器数量，但是能够实现较为复杂的运动任务。
这种系统广泛应用于各种需要精准操作和复杂机械运动的场景，如装配线上的装配操作、医疗器械中的手术机器人等领域。
随着人工智能和机器人技术的不断发展，欠驱动末端执行器控制系统在工业自动化中的应用越来越广泛。
目前在设计和控制这类系统时仍然存在一些挑战和问题，例如传感器数据的准确性、控制算法的优化等方面需要进一步研究和探讨。
对欠驱动末端执行器控制系统的设计和优化具有重要的意义。
本文旨在探讨一种欠驱动末端执行器控制系统的设计方案，通过系统架构设计、传感器集成与数据采集、控制算法设计等方面的研究，评价系统的性能并分析实验结果，最终得出设计的可行性、创新性和实用性，并展望未来该领域的发展方向。
希望通过本文的研究成果，为欠驱动末端执行器控制系统的设计和应用提供一定的参考和借鉴。
1.2 研究意义欠驱动末端执行器控制系统的设计具有重要的研究意义。
基于气压传动的苹果采摘机器人末端执行器的设计
科技风2021年3月D0I：10.19392/ki.1671-7341.202108005基于气压传动的苹果采摘机器人末端执行器的设计赵竹辽宁农业职业技术学院辽宁营口115009摘要：随着我国苹果种植规模化的发展，苹果采摘机器人成为苹果机械化生产环节中最重要的一环。
本文以苹果为采摘对象，研究苹果的物理性质，分析苹果采摘末端执行器组成和工作原理，结合当前苹果采摘末端执行器结构存在的不足，设计一款基于气压传动原理的苹果采摘末端执行器。
关键词:气压传动；苹果采摘；末端执行器Design of end-Effector of Apple Picking Robot based on pneumatic transmissionZhao ZhuLiaoning Agricultural Technical College LiaoningYingKou"5009Abstract%With the large-scale development of apple planting in China，apple picking robot has become the most important link in the mechanization of apple production.Taking applet at the picking object，this papeo studies the physical propertiec of applet，analyzec the composition and working principle of the apple-picking end-effectoo,and desions an apple-picking end-effector based on the pneumatic transmission principle in combination with the deficiencies of the current apple-picking end-effectoo structure.Key words%Pneumatic transmission；Apple picking；End-Effector我国是世界最大的苹果种植国，产量和面积均占世界续表50%以上。
一种苹果采摘末端执行机构[实用新型专利]
专利名称：一种苹果采摘末端执行机构
专利类型：实用新型专利
发明人：何强,杨发武,罗文翠,易湘斌,钱春会,司浩文,李昭余,曹尚武,李皓
申请号：CN201721330023.4
申请日：20170929
公开号：CN207505445U
公开日：
20180619
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种苹果采摘末端执行机构，属于农林机械设备领域，结构简单易实现，制造成本低，效果显著，大大降低后期的人工成本，提高效率，延长苹果储存时间。
同时本实用新型可用于和苹果有类似形状和需要的果实采摘设备的末端。
申请人：兰州工业学院
地址：730050 甘肃省兰州市七里河区龚家坪东路一号兰州工业学院
国籍：CN
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1.直接切断式：
这类末端执行器一般都是直接剪断果梗，由于其本身不能实现果实的回收，因此剪掉的果实直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器、茄子采摘末端执行器、番茄采摘末端执行器、美国柑橘采摘末端执行器均为此类结构，如图1-1、1-2、1-3所示。
图1-1甜椒采摘末端执行器
1.2
1.2.1
工业领域是机器人技术的传统应用领域，工业机器人处于可控制的人工环境内，并以均匀材质、确定的尺寸和形状的物体为操作对象，目前已经得到了相当成熟的应用，而采摘机器人工作在高度非结构化的复杂环境下，作业对象是有生命力的新鲜水果或蔬菜。同工业机器人相比，果蔬采摘机器人具有以下特点：
1、非结构性的操作环境。由于作物随时间和空间变化，工作环境在变，未知的，是开放性。除了受地形条件的限制，而且还直接受季节，气候等自然条件的作物生长环境。这不仅需要采摘机器人具有灵活性，以适应处理的生物学功能，并能够适应不断变化的自然环境，具有相当高的智慧在视觉，触觉，多传感器融合和知识推理和判断等方面。
1.3
末端执行器是果蔬采摘机器人的另一重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术之一。一般果蔬的外表比较脆弱，它的形状及生长状况通常复杂。在机器人采摘过程中果蔬外表发生损伤的原因主要有：
①水果和蔬菜位置识别或机械手控制计划是错误的，导致划伤或刺伤外观水果和蔬菜的致动器的末端;
②末端执行器夹持或抓取力过大，压伤果蔬外表；③末端执行器抓持不稳定导致果蔬掉落，与地面或其他坚硬物体接触而碰上外表。
4、作业动作的复杂性。通常同时进行移动机器人拾取操作，农业和行走的字段没有连接到的最短对焦距离的出发点，但有一个狭窄的范围在整个长途和偶数场的特性。
5、作业对象和价格的特殊性。采摘机器人经营者大多是农民，因此需要一个简单的采摘机器人必须具有高可靠性和工作特性。另一个重要的因素，智能化程度高导致水果制造成本较高，蔬菜采摘机器人，农民和农业经营者或不能接受的，并通过使用采摘机器人和季节限制的时间，效率不高，也限制了推广采摘机器人。
该末端执行器采摘方案合理有效、总体性能可满足机器人采摘苹果的要求。
关键词：苹果采摘机器人；末端执行器；机械设计
ABSTRACT
This article is designed to end an apple picking robot. The actuator clamping mechanism is a three-under-drive bionic robot. As the use of steel tendons can drive the drive part and the operative part of the separation, the driving portion is placed in the distal end of the arm to reduce the weight, while increasing the flexibility of selection of the drive motor.
如图1-5（a）所示比利时开发的苹果采摘机器人末端执行器，设计成漏斗的形状，漏斗内安置摄像机，当有果实进入手爪范围的时候，真空吸引器打开将果实吸入，再通过旋转扭断果梗将果实采摘下来。图1-5（b）所示英国开发的苹果采摘机器人末端执行器，由一截管道、两个内置圆环和两个弹簧盖组成，该末端执行器获取果实的原理也是吸入+扭断式，当苹果的位置信息传来之后，真空系统将果实吸入，再扭断果梗采摘下苹果。
苹果是我国生产的主要果品之一，2010年苹果产量占果品总产量的32.73%，居三大果品(苹果、柑橘、梨)之首。同时我国苹果种植面积2848万亩，产量2600万吨，分别占世界苹果面积、产量的35%上，规模居世界第一。机器人采摘在苹果采摘过程中的大量应用能够极大地提高采摘效率、节约成本，不过，虽然水果采摘过程中容易出现机械损伤，机械损伤也是门入侵的病原微生物，是烂水果的主要原因。由于受负载瘀伤的操作方面，打破，从而导致变质腐烂的水果多达30%～40%，每年的损失高达数百亿人民币。机械手是与果实直接接触的部分，因此设计一种轻巧易用且对果实损伤小的机械手显得尤为重要。
第一章
1.1
随着计算机技术和自动控制技术，农业高新技术的应用和推广的发展，农业机器人已逐渐进入农业生产领域，并促进现代农业装备走向机械化，生产智能化方向发展的。水果采摘是季节性的农业生产，劳动强度大，要求的工作是利用人工采摘不仅效率低下的一个重要方面，劳动密集，水果和蔬菜也造成了一定的伤害。智能机器人的水果和蔬菜的采摘劳动的解放研究和开发，提高生产效率，降低生产成本，保证了新鲜水果和蔬菜的品质，以及满足作物生长等方面的实时性要求有一个非常重要的意义。并且，随着下降，增加水果和蔬菜的采摘机器人的农业从业人员，开发和利用的老龄化趋势，具有巨大的经济效益和广阔的市场前景。
这类非夹持类末端执行器主要是通过真空系统将果实吸入末端执行器内，再通过切断、扭断等方式分离果实和果梗。
如图1-4所示的柑橘采摘末端执行器结构图，由真空吸盘先吸持住果实向后拉动，同时末端执行器的弹性盖板向前移动，使果实进入笼体内，然后盖板收缩进而保住果实，随后一对割刀合拢切断果梗。
图1-4柑橘采摘末端执行器
图1-5苹果采摘末端执行器
还有吸入+勾取的方式来获取果实等等。吸入式的末端执行器硬件设计简单，工作原理类似，对于果实娇嫩、果梗柔弱细长的草莓等果实，采取吸入加勾取比夹持的获取方式更可行，但这类末端执行器对果实个体尺寸差异适应能力较差动作速度较慢，稳定性不高，而且相邻的未成熟的果实也容易被一同吸入和采摘下来。
图1-2茄子采摘末端执行器
图1-3番茄采摘末端执行器
这类末端执行器的结构更能较为简单，适用于植株冠层内枝叶较稀疏，且果实具有一定抗冲击能力的果蔬。对于果梗较短的植株，往往造成无法剪切或碰上果实的现象，对于冠层空间比较复杂的植株，果实下落过程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影响果实的回收。
2.吸入式：
本文设计了一种苹果采摘机器人的末端执行器。该执行器的夹持机构为一个三欠驱动仿生机械手。使用钢丝作为传动腱可以将驱动部分和执行部分分离，将驱动部分置于远端，减轻了机械臂末端的重量，同时增加了驱动电机选择的灵活性。
首先，对机械手的运动学进行了分析。其次，对机械手抓取稳定性的基本理论问题进行了分析和讨论，建立了抓取模型，为设计机械手的稳定抓取提供了理论依据。最后，对机械手的机械部分和控制部分进行了设计。
3.夹持类
这类末端执行器其夹持器通常由带有真空吸引器和数目不等的手指构成。按手爪的个数可分为两指和多指型，目前大多数果蔬采摘机器人末端执行器为两指，也有一些三指和四指的末端执行器，用于外形不规则或较大的果实。因此，一般情况下，对于形状较为规格，尺寸和质量部太大的果实，应首选较少手指进行抓持。
日本东京大学乔俊等人开发设计的甜椒采摘机器人末端执行器，该末端执行器具有两个瘦长形的手指，长度为160mm，厚度和宽度分别只有1mm和10mm。两个手指组成的手爪抓住果柄的过程由依靠一个凸轮的瞬时针旋转运动进行张开和夹紧动作，凸轮的旋转运动由一个步进电机进行驱动，凸轮为椭圆形，旋转90度后手爪就完成一次张开或夹紧的过程。
The program end picker reasonably effective to meet the overall performance requirements of apple picking robot.
关键词：Apple picking robot; end effector; mechanical design
作为采摘机器人的执行装置，末端执行器应根据不同果蔬果实的生物、机械特性及栽培方式，采取不同的专用机构以提高采摘的成功率并减小对果蔬的损伤为主要目标。一般集成两项功能：
①检测果实的位姿，为执行机构提供导航信息；
②适当努力夹紧及切割果柄或果柄采摘完成动作。得到在行动上通常包括水果和水果和植物中分离成两部分。为了安全高效地完成采摘行动，最终也可能被添加到吸盘，推杆和各种传感器，如额外的机制来完成，准确配货，减少损伤。
1.2.2
水果和蔬菜的采摘机器人的研究始于20世纪60年代，在20世纪的美国，用于收割方法主要是机械和气动摇晃摇晃风格。缺点是水果的脆弱性，效率不高，是不是特别有选择性的收获，存在很大的局限性采摘柔软，新鲜水果和蔬菜方面。但此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是在工业机器人，日益成熟的计算机图像处理技术和人工智能技术，采摘机器人的研究和技术开发得到了快速发展。目前，日本，荷兰，法国，英国，意大利，美国，以色列，西班牙等国相继推出的水果和蔬菜采摘机器人方面的研究相关的研究主要橘子，苹果，西红柿，樱桃西红柿，芦笋，黄瓜，甜瓜，葡萄，甘蓝，菊花，草莓，蘑菇等，但这些收益还没有真正商业化经营的机器人。
1.3.1
获取和分离果实是采摘机器人末端执行器必须实现的两大关键动作，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法完成果实与果梗的分离。从目前发表的文献来看，获取果实的方式主要归为非夹持类和夹持类两种。分离果实与果梗的方式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪刀或切刀进行切断，还有新式的热切割方法等。
First, the robot kinematics is analyzed. dly, the stability of the robot to crawl the basic theory problems are analyzed and discussed the establishment of a crawl model, designed to stabilize the crawling robot provides a theoretical basis. Finally, the part and the control part of the mechanical robot was designed.
这类末端执行器一般都是直接剪断果梗，由于其本身不能实现果实的回收，因此剪掉的果实直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器、茄子采摘末端执行器、番茄采摘末端执行器、美国柑橘采摘末端执行器均为此类结构，如图1-1、1-2、1-3所示。
图1-1甜椒采摘末端执行器
1.2
1.2.1
工业领域是机器人技术的传统应用领域，工业机器人处于可控制的人工环境内，并以均匀材质、确定的尺寸和形状的物体为操作对象，目前已经得到了相当成熟的应用，而采摘机器人工作在高度非结构化的复杂环境下，作业对象是有生命力的新鲜水果或蔬菜。同工业机器人相比，果蔬采摘机器人具有以下特点：
1、非结构性的操作环境。由于作物随时间和空间变化，工作环境在变，未知的，是开放性。除了受地形条件的限制，而且还直接受季节，气候等自然条件的作物生长环境。这不仅需要采摘机器人具有灵活性，以适应处理的生物学功能，并能够适应不断变化的自然环境，具有相当高的智慧在视觉，触觉，多传感器融合和知识推理和判断等方面。
1.3
末端执行器是果蔬采摘机器人的另一重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术之一。一般果蔬的外表比较脆弱，它的形状及生长状况通常复杂。在机器人采摘过程中果蔬外表发生损伤的原因主要有：
①水果和蔬菜位置识别或机械手控制计划是错误的，导致划伤或刺伤外观水果和蔬菜的致动器的末端;
②末端执行器夹持或抓取力过大，压伤果蔬外表；③末端执行器抓持不稳定导致果蔬掉落，与地面或其他坚硬物体接触而碰上外表。
4、作业动作的复杂性。通常同时进行移动机器人拾取操作，农业和行走的字段没有连接到的最短对焦距离的出发点，但有一个狭窄的范围在整个长途和偶数场的特性。
5、作业对象和价格的特殊性。采摘机器人经营者大多是农民，因此需要一个简单的采摘机器人必须具有高可靠性和工作特性。另一个重要的因素，智能化程度高导致水果制造成本较高，蔬菜采摘机器人，农民和农业经营者或不能接受的，并通过使用采摘机器人和季节限制的时间，效率不高，也限制了推广采摘机器人。
该末端执行器采摘方案合理有效、总体性能可满足机器人采摘苹果的要求。
关键词：苹果采摘机器人；末端执行器；机械设计
ABSTRACT
This article is designed to end an apple picking robot. The actuator clamping mechanism is a three-under-drive bionic robot. As the use of steel tendons can drive the drive part and the operative part of the separation, the driving portion is placed in the distal end of the arm to reduce the weight, while increasing the flexibility of selection of the drive motor.
如图1-5（a）所示比利时开发的苹果采摘机器人末端执行器，设计成漏斗的形状，漏斗内安置摄像机，当有果实进入手爪范围的时候，真空吸引器打开将果实吸入，再通过旋转扭断果梗将果实采摘下来。图1-5（b）所示英国开发的苹果采摘机器人末端执行器，由一截管道、两个内置圆环和两个弹簧盖组成，该末端执行器获取果实的原理也是吸入+扭断式，当苹果的位置信息传来之后，真空系统将果实吸入，再扭断果梗采摘下苹果。
苹果是我国生产的主要果品之一，2010年苹果产量占果品总产量的32.73%，居三大果品(苹果、柑橘、梨)之首。同时我国苹果种植面积2848万亩，产量2600万吨，分别占世界苹果面积、产量的35%上，规模居世界第一。机器人采摘在苹果采摘过程中的大量应用能够极大地提高采摘效率、节约成本，不过，虽然水果采摘过程中容易出现机械损伤，机械损伤也是门入侵的病原微生物，是烂水果的主要原因。由于受负载瘀伤的操作方面，打破，从而导致变质腐烂的水果多达30%～40%，每年的损失高达数百亿人民币。机械手是与果实直接接触的部分，因此设计一种轻巧易用且对果实损伤小的机械手显得尤为重要。
第一章
1.1
随着计算机技术和自动控制技术，农业高新技术的应用和推广的发展，农业机器人已逐渐进入农业生产领域，并促进现代农业装备走向机械化，生产智能化方向发展的。水果采摘是季节性的农业生产，劳动强度大，要求的工作是利用人工采摘不仅效率低下的一个重要方面，劳动密集，水果和蔬菜也造成了一定的伤害。智能机器人的水果和蔬菜的采摘劳动的解放研究和开发，提高生产效率，降低生产成本，保证了新鲜水果和蔬菜的品质，以及满足作物生长等方面的实时性要求有一个非常重要的意义。并且，随着下降，增加水果和蔬菜的采摘机器人的农业从业人员，开发和利用的老龄化趋势，具有巨大的经济效益和广阔的市场前景。
这类非夹持类末端执行器主要是通过真空系统将果实吸入末端执行器内，再通过切断、扭断等方式分离果实和果梗。
如图1-4所示的柑橘采摘末端执行器结构图，由真空吸盘先吸持住果实向后拉动，同时末端执行器的弹性盖板向前移动，使果实进入笼体内，然后盖板收缩进而保住果实，随后一对割刀合拢切断果梗。
图1-4柑橘采摘末端执行器
图1-5苹果采摘末端执行器
还有吸入+勾取的方式来获取果实等等。吸入式的末端执行器硬件设计简单，工作原理类似，对于果实娇嫩、果梗柔弱细长的草莓等果实，采取吸入加勾取比夹持的获取方式更可行，但这类末端执行器对果实个体尺寸差异适应能力较差动作速度较慢，稳定性不高，而且相邻的未成熟的果实也容易被一同吸入和采摘下来。
图1-2茄子采摘末端执行器
图1-3番茄采摘末端执行器
这类末端执行器的结构更能较为简单，适用于植株冠层内枝叶较稀疏，且果实具有一定抗冲击能力的果蔬。对于果梗较短的植株，往往造成无法剪切或碰上果实的现象，对于冠层空间比较复杂的植株，果实下落过程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影响果实的回收。
2.吸入式：
本文设计了一种苹果采摘机器人的末端执行器。该执行器的夹持机构为一个三欠驱动仿生机械手。使用钢丝作为传动腱可以将驱动部分和执行部分分离，将驱动部分置于远端，减轻了机械臂末端的重量，同时增加了驱动电机选择的灵活性。
首先，对机械手的运动学进行了分析。其次，对机械手抓取稳定性的基本理论问题进行了分析和讨论，建立了抓取模型，为设计机械手的稳定抓取提供了理论依据。最后，对机械手的机械部分和控制部分进行了设计。
3.夹持类
这类末端执行器其夹持器通常由带有真空吸引器和数目不等的手指构成。按手爪的个数可分为两指和多指型，目前大多数果蔬采摘机器人末端执行器为两指，也有一些三指和四指的末端执行器，用于外形不规则或较大的果实。因此，一般情况下，对于形状较为规格，尺寸和质量部太大的果实，应首选较少手指进行抓持。
日本东京大学乔俊等人开发设计的甜椒采摘机器人末端执行器，该末端执行器具有两个瘦长形的手指，长度为160mm，厚度和宽度分别只有1mm和10mm。两个手指组成的手爪抓住果柄的过程由依靠一个凸轮的瞬时针旋转运动进行张开和夹紧动作，凸轮的旋转运动由一个步进电机进行驱动，凸轮为椭圆形，旋转90度后手爪就完成一次张开或夹紧的过程。
The program end picker reasonably effective to meet the overall performance requirements of apple picking robot.
关键词：Apple picking robot; end effector; mechanical design
作为采摘机器人的执行装置，末端执行器应根据不同果蔬果实的生物、机械特性及栽培方式，采取不同的专用机构以提高采摘的成功率并减小对果蔬的损伤为主要目标。一般集成两项功能：
①检测果实的位姿，为执行机构提供导航信息；
②适当努力夹紧及切割果柄或果柄采摘完成动作。得到在行动上通常包括水果和水果和植物中分离成两部分。为了安全高效地完成采摘行动，最终也可能被添加到吸盘，推杆和各种传感器，如额外的机制来完成，准确配货，减少损伤。
1.2.2
水果和蔬菜的采摘机器人的研究始于20世纪60年代，在20世纪的美国，用于收割方法主要是机械和气动摇晃摇晃风格。缺点是水果的脆弱性，效率不高，是不是特别有选择性的收获，存在很大的局限性采摘柔软，新鲜水果和蔬菜方面。但此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是在工业机器人，日益成熟的计算机图像处理技术和人工智能技术，采摘机器人的研究和技术开发得到了快速发展。目前，日本，荷兰，法国，英国，意大利，美国，以色列，西班牙等国相继推出的水果和蔬菜采摘机器人方面的研究相关的研究主要橘子，苹果，西红柿，樱桃西红柿，芦笋，黄瓜，甜瓜，葡萄，甘蓝，菊花，草莓，蘑菇等，但这些收益还没有真正商业化经营的机器人。
1.3.1
获取和分离果实是采摘机器人末端执行器必须实现的两大关键动作，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法完成果实与果梗的分离。从目前发表的文献来看，获取果实的方式主要归为非夹持类和夹持类两种。分离果实与果梗的方式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪刀或切刀进行切断，还有新式的热切割方法等。
First, the robot kinematics is analyzed. dly, the stability of the robot to crawl the basic theory problems are analyzed and discussed the establishment of a crawl model, designed to stabilize the crawling robot provides a theoretical basis. Finally, the part and the control part of the mechanical robot was designed.