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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。
果蔬采摘机器人的研究现状及发展方向随着现代科学技术的发展，人类正在朝着一个机械智能化时代迈进。
越来越多的行业开始导入智能化、自动化的机器，而对于劳动力输入最多的农业自是不甘落后的，早早的将机械利用其中。
为解决农业采摘中的实际问题，果蔬采摘机器人的研究与应用成为一种迫切需要。
综述了国内外果蔬采摘机器人的研究进展与现状，通过分析这些采摘机器人，并在此基础上重点分析了果蔬采摘机器人研究中存在的问题，提出了未来研究开发的技术关键与方向，同时也指明了采摘机器人未来的研究方向。
标签：果蔬采摘;机械手;自动化;研究现状引言随着电子计算机和自动控制技术的迅速发展、农业高新科技的应用和推广，农业机器人已逐步进入到农业生产领域中，并将促进现代农业向着装备机械化、生产智能化的方向发展。
【1】果蔬采摘是农业生产中季节性强、劳动强度大、作业要求高的一个重要环节，研究和开发果蔬采摘的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬的品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。
果蔬采摘机器人的研究现状：国际上，一些以日本和美国为代表的发达国家，已经从20世纪80年代开始研究采摘机器人，并取得了一些成果。
而我国直到20 世纪90 年代，中国才开始研究果蔬采摘机器人，而且相对于其他发达国家，中国的研究工作具有起步晚，发展慢，投资少的特点。
哪怕在改革开放之后，我国加大对于这个方面的研究，但是所取得效果仍旧不明显，使得果蔬采摘自动化技术长期处于基础研发的阶段。
我国对采摘机器人的研究始于20世纪90年代中期，虽然与发达国家还有很大的差距，但是在不少院校和研究学者的努力下也取得了一些进展【2】。
中国农业大学的汤修映等人研制了一个6自由度黄瓜采摘机器人，该机器人基于RGB三基色模型的G分量【3】来进行图像分割，在特征提取后确定黄瓜的采摘点。
同时提出了新的适合自动化采摘的斜栅网架式黄瓜栽培模式。
孙明等为苹果采摘机器人开发了一套果实识别视觉系统，并研究成功了一种使二值图像的像素分割正确率大于80%的彩色图像处理技术。
农业收获机器人的技术特点及发展现状袁国勇（中国农业大学，北京100094）摘要本文介绍了农业机器人的特点，发达国家各种农业收获机器人研究及应用现状，重点介绍了目前西红柿与黄瓜采摘机器人的特点。
关键字：农业机械化采摘机器人发展现状引言随着电子技术和计算机技术的发展，智能机器人已在许多领域得到日益广泛的应用。
在农业生产中，由于作业对象的复杂、多样，使得新概念农业机械——农业机器人的开发具有了巨大经济效益和广阔的市场前景，符合社会发展的需求。
中国是一个发展中的农业大国，农业问题始终是关系到中国经济社会发展的根本问题。
目前我国农业增长中，农业科技进步对农业增长的贡献率已达到45%以上，超过了土地、劳动力以及物资投入要素的贡献份额。
根据党的十六大精神，新阶段“科教兴农”的目标是力求通过5-8年的不懈努力，农业科技进步贡献率达到55%以上，科技成果转化率提高到60%[1]，科学技术成为农业和农业经济发展的主要推动力。
但是，我国农业机械化对农业生产的贡献率仅为17%，而发达国家基本实现了机械化[2]。
因此要加强农业科技成果转化和技术推广，提高农业生产的科技含量，这样才能促进农业增长方式的根本性转变，缩小与发达国家的差距，加速农业现代化进程。
实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，以提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。
现代农业技术和其它相关科学技术的发展，不但对农业机器的技术革命提出了要求，而且也奠定了相应的科学技术基础。
因此，抓紧机遇，迎头赶上农业新科技革命的潮流，及时研究开发以农业机器人为代表的新一代农业机械，对于我国农业的长远发展有着重要意义。
1、农业机器人的特点和工业机器人相比，农业机器人有以下特点：[3]（1）农业机器人作业对象的娇嫩性生物具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理。
且其种类繁多，形状复杂，在三维空间里的生长发育程度不一，相互差异很大。
（2）农业机器人的作业环境的非结构性由于农业作物随着时间和空间的不同而变化，机器人的工作环境是变化的、未知的，是开放性的环境。
果蔬采摘机器人研究进展刘长林,张铁中,杨丽 (中国农业大学,北京100083)摘要 综述了果蔬采摘机器人的国内外研究现状,介绍了目前大部分典型的果蔬采摘机器人的研究成果。
通过分析大部分采摘机器人的工作情况、功能、存在问题,指出了目前采摘机器人的应用与研究过程中的主要难点与制约因素,提出了研究开发的方向与关键技术。
关键词 果蔬采摘;机器人;研究进展;关键技术中图分类号 S225 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2008)13-05394-04R esearch P rogress on Picking R obot for F ruits and V egetablesLIU Ch ang 2lin et al (Chinese Agricultural University ,Beijing 100083)Abstract T he current situation of research on fruit and vegetable picking rob ot at h om e and broad was summ arized ,the particularly focus were on the re 2search results of m ost ty pical picking rob ots ,including rob ot principle and structure.T hrough analyzing the w orking condition ,function and problems of m ost of picking rob ot ,the present difficulties and restricted factors of picking rob ot in its research and application were point out and the research direction and key techn ology in future were provided.K ey w ords Fruit and vegetablepicking ;R ob ot ;Research progress ;K ey techn ology 果蔬采摘作业是果蔬生产中最耗时、最费力的一个环节。
第26卷第7期农业工程学报V ol.26 No.72010年7月Transactions of the CSAE Jul. 2010 107 黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究钱少明，杨庆华，王志恒，鲍官军，张立彬※（浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，杭州 310014）摘 要：为了设计用于黄瓜采摘的末端执行器，首先测定了黄瓜的抗压特性、表面摩擦系数和果柄切断阻力等物理特性。
针对黄瓜抓持模型进行了力学分析，建立了气动驱动器中的气压值与抓持能力之间的关系。
最后，研制了可用于黄瓜采摘的末端执行器，由抓持器和切割器组成，抓持器由2个基于气动柔性驱动器的弯曲关节构成，切割器由旋转气缸和刀片构成。
该采摘执行器机械结构简单，输出力较大。
试验结果表明：黄瓜抓持成功率为90%，黄瓜果柄割断成功率为100%，采摘时间为3 s。
该采摘执行器采摘黄瓜效果良好，具有较好的实际应用前景。
关键词：农业机械，机器人，研究，黄瓜，抓持特性，采摘执行器doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.019中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2010)-07-0107-06钱少明，杨庆华，王志恒，等. 黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究[J]. 农业工程学报，2010，26(7)：107－112.Qian Shaoming, Yang Qinghua, Wang Zhiheng, et al. Research on holding characteristics of cucumber and end-effector of cucumber picking[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(7): 107－112. (in Chinese with English abstract)0 引 言果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。
采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。
由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。
采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。
采摘机器人通常由移动机构、机械手臂、末端执行器和视觉传感器等组成。
末端执行机构是机器人的核心部分之一，它是直接接触目标作物的设备，其作业对象即果实组织柔软、易损伤，且果实形状复杂，生长发育程度不一，相互差异很大，由此决定了采摘机器人的末端执行器应具有较好的柔顺性和自适应性。
因此，末端执行器的研究开发对果品采摘效果起着至关重要的作用[1-4]。
日本的N. Kondo等人研制了番茄收获机器人，其末端执行器把果实吸住后，利用机械手的腕关节把果实在花梗处拧下[5]。
1996年，荷兰农业环境工程研究所研制出一种多功能黄瓜收获机器人，其末端执行器由手爪和切割器构成，切割器为能产生高温（1 000℃）的特殊电收稿日期：2009-12-15 修订日期：2010-03-16基金项目：国家“863”高技术研究发展计划（2009AA04Z209）；浙江省自然科学杰出青年团队项目（R1090674）作者简介：钱少明（1973－），男，浙江嵊州人，博士生，主要从事农业采摘机器人研究。
杭州浙江工业大学机械工程学院，310032。
Email：qiantide@※通信作者：张立彬（1955－）男，浙江景宁人，教授，博士研究生导师。
主要研究方向为机器人及智能控制、工厂化农业装备。
杭州浙江工业大学，310032。
Email：robot@ 极，可防止植物的感染[6]。
日本国立蔬菜茶叶研究所和歧阜大学联合研制了茄子采摘机器人，其末端执行器设计复杂，包括4个手指、2个吸嘴、2个诱导杆、1个气动剪子和光电传感器[7]。
日本国立农业研究中心的Murakami等人研制的甘蓝采摘机器人，其末端执行器由4个手指组成[8]。
英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人，它的末端执行器是带有软衬垫的吸引器[9]。
从以上实例可以看出，现有的末端执行器通常由两部分组成，即抓持器和切割器。
切割器通常采用剪刀剪断果茎或圆盘形带齿锯片切断果茎，对某些果茎与果枝较容易分离的果实而言，可利用机械臂直接拧断果柄；抓持器通常由带有真空吸引器和数量为2～4个不等的手指构成。
为了解决农业采摘末端执行器应具备机械结构简单、重量轻、又能有效抓持果实这一较为困难的问题，在已有气动柔性驱动器的基础上[10-14]，本文介绍了一种可用于黄瓜采摘的末端执行器，它由机械抓持器和切割器2部分组成。
1 黄瓜抓持特性1.1 试验条件为了在无损果实表皮的情况下末端执行器能够抓持到果实的理想部位并对果实施加适当的抓持力，有必要对黄瓜的相关物理特性进行测定，具体包括：抗压特性、果柄切断阻力和黄瓜无刺表面与硅胶表面之间的摩擦系数。
试验黄瓜品种为津绿4号，质量：100～250 g，瓜体直径范围：30～40 mm。
果实中部和下半段内部种子较多且较大，抗压能力较低；果实上半段内部几乎没有种子，抗压性较好。
另外，黄瓜上半段的外部刺瘤特征不明显，抓持时可减少对黄瓜表皮的损伤。
为此抓持部位定在黄瓜果柄和果实边缘距离30～45 mm处。
108 农业工程学报 2010年试验设备采用深圳瑞格尔仪器有限公司生产的微机控制电子万能试验机RG4000－0.5。
1.2 抗压特性试验对象为黄瓜上半段无刺部分，其最大直径为φ32、φ36、φ40 mm，试验时黄瓜放置在试验机的固定底板和带球形支承的加载板之间，加载速度为2 mm/min，得到黄瓜径向压缩量与外力载荷之间的特性曲线1、2、3，如图1所示。
图1 黄瓜抗压特性曲线Fig.1 Compressibility characteristic curve of cucumber从试验结果可看出，当抓持力为5 N时，黄瓜的径向压缩量为0.6 mm左右，可以认为果实抓持部位没有受到损伤。
1.3 果柄切断力试验时在试验机的加载板上安装刀片，同时在固定底板上放置软木板，将试验对象黄瓜果柄放在软木板上，加载速度为1 mm/min，得到黄瓜果柄切割阻力值，如表1所示。
表1 黄瓜果柄切割阻力数据Table 1 Cutting resistance of cucumber peduncle样本序号果柄直径/mm切割力最大值/N样本序号果柄直径/mm切割力最大值/N1 6.0 5.1 8 4.9 4.62 6.0 4.8 9 4.8 4.93 5.5 4.8 10 4.6 4.54 5.4 4.2 11 4.5 4.25 5.2 4.2 12 4.2 3.86 5.0 4.8 13 4.0 4.67 5.0 3.8 14 4.0 4.3从试验结果可看出，切割阻力与果柄直径大小不呈线性关系，切断果柄所需力都小于5.2 N。
在实际采摘场合，切割刀片总是以一定的速度运动，若刀片输出力不变，实际切割效果会比静态切割效果更好。
因此，可以认为用5.5 N的力应能切断黄瓜果柄。
1.4 摩擦特性用表面平整的硅胶平板将黄瓜夹住，并施加一定大小的正压力，用一根光杆从黄瓜中部推动黄瓜移动，光杆带有水平导向装置，使黄瓜受到的推力垂直于正压力，在光杆的头部装有一个微型触力传感器FSG15N1A（美国honeywell公司），记录黄瓜刚被推动时推力的大小。
试验得出黄瓜果实上部表面与硅胶表面之间的摩擦系数,如表2所示。
从试验数据可以看出，正压力较小时，摩擦系数较大，正压力较大时，摩擦系数较小，但相差不大，主要是因为黄瓜并非很规整，黄瓜表面与硅胶平板的接触面积大小不一，导致摩擦系数值有一定的波动。
表2 黄瓜表面摩擦系数数据Table 2 Friction coefficient of cucumber surface样本序号正压力值/N 推力值/N 摩擦系数1 2 2.641.322 3 3.991.333 45.241.314 5 6.601.325 6 7.681.286 7 9.101.307 8 10.081.268 9 11.341.269 10 12.501.2510 11 13.64 1.2411 12 14.64 1.2212 13 16.38 1.2613 14 16.94 1.2114 15 18.15 1.2115 16 19.84 1.2416 17 20.91 1.2317 18 21.78 1.2118 19 23.18 1.2219 20 24.20 1.21 2 气动柔性弯曲关节气动柔性弯曲关节由转轴、连杆、联接件、端盖、橡胶管、螺旋钢丝及进气接头组成，由橡胶管和螺旋钢丝共同构成气动柔性驱动器（flexible pneumatic actuator, FPA），如图2所示。
压缩气体从右端盖通入FPA的内腔，由于螺旋钢丝的约束作用橡胶管不作径向膨胀，橡胶管只能产生轴向伸长，并通过联接件推动连杆以转轴为中心转过一定大小的角度θ。
释放FPA内腔的压缩气体，在橡胶管的弹性力的作用下，FPA恢复到初始状态，转角θ变为初始值，即θ= 0°[15]。
图2 弯曲关节结构Fig.2 Structure of bending joint第7期 钱少明等：黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究 109通过静力学分析可得FPA 内腔的压力与关节的弯曲角度之间的关系式，即关节的转角静态模型[15]bbb b atm bb cot()222cot()22L H L E t P P r L H θθθθθθ+−=++ （1）式中： P——FPA 内腔的压力，MPa ；θ——关节的弯曲角度，rad ；L b——橡胶管的初始有效长度，mm ；r b——橡胶管的平均半径，mm ；t b ——橡胶管的初始厚度，mm ；E b ——橡胶管的弹性模量，MPa ；H——初始状态时连杆中心线与橡胶管中心线之间的距离，mm ；P atm——大气压力，MPa 。
在气压P 的作用下弯曲关节产生转角大小为θ，此时在外界约束的限制下关节连杆不再继续转动，同时进一步增加FPA 内腔的气压值到P +ΔP ，ΔP 即为气压增加值，FPA 的输出力为推力F out [15]2out π()2b b tF r P =−Δ （2）式中：F out ——FPA 的输出力值，N ；ΔP ——FPA 内腔的气压增加值，MPa 。
若ΔP =0.2 MPa ，r b =6 mm ，t b =2 mm ，则F out =15.7 N 。
这说明弯曲关节的驱动器FPA 的输出力较大。
如果要增大FPA 的输出力，可以进一步增大FPA 内腔气压值，或者加大FPA 的内径。
