“沙虫式”银杏花穗采摘末端执行器的设计

摘要

作为采摘机器人的重要组成，末端执行器的通用性与系统成本、使用成本之间的矛盾是制约采摘机器人未来发展与应用推广的关键难题。末端执行器作为采摘的最终执行机构，通用性与实用性是其设计核心指标之一。目前，果蔬采摘末端执行器一般是对特定果实设计专用执行器。国外如日本、美国、荷兰等国研发了针对各类蔬果采摘的末端执行器，而采摘银杏花穗的末端执行器并没有成为这些国家的的研究和设计方向。

关键词：银杏花穗，末端执行器，采摘机器人

1. 前言

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。国内在末端执行器方面的研究起步较晚，以番茄、苹果、黄瓜等果实为采摘对象研究开发了多种末端执行器，而一些小型花穗为采摘对象的末端执行器还很少；本文在研究银杏花穗特性的基础上，设计一种仿沙虫结构的采摘末端执行器。

1. 研究内容和意义

本文研究是设计一种“沙虫式”银杏花穗采摘末端执行器，要设计的是末端执行器的口腔部分，通过模仿沙虫身体构造，再对银杏花穗进行实地研究实验，确定设计方案，再通过solid works进行建模，再导入Ros虚拟仿真环境中，导入运动程序模拟采摘银杏花穗。

现在虽然有很多蔬菜水果的采摘机器人及末端执行器，但是采摘银杏花穗的专用末端执行器市面上还没有，现在还是需要人工进行花穗的采摘，然后加工用喷雾进行银杏的传粉。所以本文设计的末端执行器，对后面银杏花穗采摘的末端执行器的发展和改善都有帮助。

1. 国内外研究概况

3.1采摘方式

目前，果实采摘的方式主要有两类^[1]：第一类是抓取切断方式，即在末端执行器抓取果实后，利用切割器如剪刀、刀片、锯子等切断果梗，该方式的通用性较强，尤其适用于果实和果柄结合力较大的果实，如黄瓜等，但不易确定果梗的切割位置，而且要防止切割过程中伤及作物枝蔓，对末端执行器的精确度要求较高。浙江工业大学钱少明等研制的用于黄瓜采摘的末端执行器^[2]，采用抓取切断的方式，结构简单，抓持器采用柔性关节对果实的损伤较小，采摘效率高，但抓取不够平稳。第二类是仿生采摘方式，即利用末端执行器抓牢果实后，根据果实和果柄连接处的特点，通过拧、折、拽等动作实现果实和果柄的分离^[3]。华南农业大学张炳超等^[4]研制的番木瓜采摘末端执行器，该执行器选定了三个手爪的番木瓜采摘方式，采用先夹持后扭转的动作顺序实现果实的扭转分离。