““沙虫式”银杏花穗采摘末端执行器机械方案研究——口器部分”文献综述

摘 要：我国是世界上最大的林木种植国，且有大量的种植银杏树，银杏花粉因其含有氨基酸、维生素、不饱和脂肪酸、黄酮类和内酯类等多种营养成分和药用保健成分有了重要的经济价值，但银杏花穗主要依靠人工采摘完成，采摘机器人代替人工采摘可以降低劳动成本并解决劳动力短缺的问题。采摘机器人对果实的损伤率和采摘效率是评价采摘机器人性能的重要指标。本次毕业论文主要讨论并设计沙虫式银杏花穗采摘的末端执行器设计，以解决采摘精度、效率的问题

关键词：末端执行器，银杏花穗。

1课题研究目的和意义

银杏是我国传统重要的经济林和绿化树种，中国是世界上银杏的主产区，中国的银杏资源占全世 界的85％，银杏种植面积约40万hm2，栽培数量达25亿株以上，银杏种植每年都以2 000～2 500万株 速度递增，白果年产量约为2．5万t，银杏干青叶产量4万t以上。银杏产业链产值200亿元，是重要的地方农林特色产业。银杏全身是宝，银杏树可用于木材加工、苗木、盆景、道路绿化等领域，白果是传统药食两用佳品， 营养丰富，已使用1 000多年，具有杀菌、止咳、补肺等疗效，老年人食用可延年益寿。银杏种提取物 可加工成糕点、罐头、饮品等。银杏叶富含黄酮、内酯、聚戊烯醇、多糖、有机酸和烷基酚酸等生物活性 物质，银杏叶提取物及制剂可用于健康食品、医药、化妆品及生物农药和生物饲料[5]。银杏外种皮的酚 酸物质有抗菌、抗病毒、抗炎、抗癌等作用，是制造生物农药、生长素等很好的原料。另外，银杏花粉可开发成延缓皮肤老化、抗衰老的化妆品和作为防治肿瘤、心血管疾病的药品及保健品^[1-5]。据相关临床研究治疗表明,银杏叶提取物中所含有的药物活性成分 , 能起到保护大脑血脑屏障的作用,且能将影响神经元的有害物质抵挡在血脑屏障外。同 时 , 药物活性成分的应用能起到解除血管痉挛及扩张 血管的效用。从而更好地实现改善患者认知功能的目的 ,上述研究提示 , 银杏叶提取物可作为临床常用的脑 血管保护药物之一 , 对于延缓患者疾病的恶化,改善患者的认知功能障碍,在治疗老年精神病伴认知功能障碍方面效果明显^[3]。

2.1国外机械臂采收研究现状

国外已进行过许多相关研究，日本冈山大学设计了一款安装于 6自由度机械臂上带有吸盘的末端执行器，工作时两手指先将目标果实固定后，手指中间执行器推送出真空吸盘对果实进行吸取。 日本岐阜大学研制的茄子采摘机器人采用了关节型采摘 机械臂，使用带有尺寸判断功能的末端执行器对茄子 进行抓取和果梗切割。荷兰开发的甜椒果实采摘 机器人，采用关节型采摘机械臂，设计了自适应的采摘抓取结构，便于果实的抓握和摘取 ^[6,7]。也有美国科威特大学研制的番茄机器人，该机器人集成了机器视觉系 统、机械臂和末端执行器。其机械臂由三个相互垂直的装置组成，负责左右方向和上 下方向运动的是两根相互垂直的滚珠丝杠，其前后运动是由线形伺服电机负责。该机 器人的机械臂是典型的笛卡尔机械臂，其采摘效率为 30s/个。相对于其他类型的采摘 机器人，该型机器人采摘效率较低的原因为：（1）该机械臂构型灵活性差、集成度低； （2）该机械臂的机器视觉不能够直接得到目标果实的深度图像，经图像处理过的目标 果实只能得到目标果实的像素坐标^[8,9]。

日本设计的可进行夜间作业的草莓采摘机器人，该机器人机械臂有 3 个自由度且 3 个自由度由 3 个相互垂直的移动副组成，采用液压驱动，由机器视觉 系统、末端执行器、果实采收筐和移动平台等组成，采用双目识别系统来定位目标果 实，通过剪刀式末端执行器切割草莓的果梗，最后使用机械臂将草莓运送到果实收集 箱内，该机器人存在的缺点有：（1）机械臂具有 3 自由度，灵活性较差；（2）采摘耗时较长，采摘效率低。^[10,11]

美国 Energid 公司研制的柑橘采摘机器人，该机械臂采摘机构的延伸部分没有执行器和传感器，使其坚固耐用，易于制造，易于更换，而且成本较低，与人工采摘成本相当；该机械臂采用电机和气动驱动，使用便携式发电机和空气压缩机在佛罗里达州的橘子林进行了测试，实验表明，采摘速度每秒 2~3 个，采摘成功率 50%，采摘完全率 80%。同时机械臂的利用也与航空，废品回收等方面息息相关^[12-14]。