柑橘采摘机器人末端执行器研究.docx

1、柑橘采摘机器人末端执行器研究浙江工业大学硕士学位论文柑橘采摘机器人末端执行器研究作者姓名：张水波指导教师：张立彬教授、杨庆华教授浙江工业大学机械工程学院年月 时：哆 浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名州哆日期：如年【月毛日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校

2、有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于、保密口，在年解密后适用本授权书。、不保密酣。（请在以上相应方框内打“）作者签名：导师签名：一一日期：知年易月日日期：小年多月日 浙江工业人学硕十学位论文柑橘采摘机器人末端执行器研究摘要果蔬采摘作业在农业生产中是一个十分重要的环节，而柑橘生产是浙江省水果生产的主要产业之一，柑橘的人工采摘是柑橘生产过程中最为耗时和费力的环节。末端执行器作为机

3、器人与外界环境互相作用的最后执行部件一直受到研究人员的关注。尤其是在农业机器人研究领域，由于机器人操作对象的特殊性，末端执行器的研究成为了农业机器人特别是果蔬采摘机器人的关键技术之一。本文通过研究基于机器人采摘的柑橘机械特性，进而研究柑橘果实抓持和果枝分离的关键技术。研究设计一种基于气动柔性驱动器的末端执行器，用于柑橘采摘，建立其实现采摘和抓持过程的数学模型。该执行器具有充分的柔顺性和安全性，对采摘对象一柑橘的损伤极小。本文首先研究一种基于气动柔性驱动器的新型弯曲关节，研究其基本特性，建立了该新型弯曲关节的转角静态模型和输出力静态模型，并进行了实验验证。并对柑橘果实的压缩特性和摩擦特性以及果柄

4、的切割特性进行了实验研究，为设计柑橘采摘末端执行器的三指手爪和切割结构提供依据。本文通过对设计的三指手爪对球果的抓取特征进行分析和研究进一步建立了手爪抓持球果的动态通用数学模型，为实现对手爪实现采摘过程中的稳定抓持球果过程的准确控制；运用锯切原理对末端执行器采用的圆锯切割方式进行了锯切特性分析，建立了柑橘果柄切割的经验公式，并进一步对上述模型进行了仿真和实验研究。关键词：机器人，柑橘采摘，末端执行器，气动，机械特性（、协，够，：脏向，），五目啪，孤，能订，锄，衔，孤锄伊啊，匆：；仇；，砌浙江业大学硕上学位论文摘要目录第章绪论课题的研究背景农业采摘机器人的发展综述农业采摘机器人末端执行器的发展现

5、状和趋势国外农业采摘机器人末端执行器的发展现状和趋势国内农业采摘机器人末端执行器发展现状和趋势课题的研究的目的与主要内容课题的研究目的与意义本文主要研究内容第章柑橘的机械特性研究柑橘人工采摘作业分析柑橘压缩特性实验材料和仪器实验原理实验方法和过程柑橘压缩实验结果分析柑橘果实的弹性常数柑橘表面摩擦特性实验实验方法和过程实验结果分析柑橘果柄切割特性实验方法实验结果分析本章小结第章基于气动柔性驱动器的新型气动弯曲关节新型气动弯曲关节的结构原理新型气动弯曲关节静态模型转角静态模型输出力静态模型新型弯曲关节的实验研究实验平台转角静态特性实验输出力静态特性实验本章小结第章基于新型气动弯曲关节的柑橘采摘末端

6、执行器研究柑橘采摘末端执行器的抓持机构新型气动柔性三指手爪的结构新型气动柔性三指手爪的数学模型爪指结构的数学模型爪指指端的运动学方程抓持结构的抓握特性抓握特征描述：抓握初始状态的压强特性抓握状态下目标球体的空间受力分析特殊抓握状态下的压力特性任意抓握状态下的一般压力特性三指手爪抓握模型的仿真分析柑橘采摘末端执行器切割机构设计切割机构结构设计锯切方式圆锯片锯切力分析圆锯片锯切力与功率计算模型本章小结第章末端执行器的实验研究三指手爪抓握模型的实验研究三指手爪抓握特性实验平台手爪抓握实验过程柑橘采摘切割机构果柄分离实验本章小结第章总结与展望总结后续研究工作思路和方向参考文献浙江工业人学硕：学位论文致

7、谢攻读硕士学位期间主要科研成果 浙江业火学硕：学位论文课题的研究背景第章绪论近年来，我国水果产业取得稳步增长，从年起水果产量己跃居世界首位。但目前果实采摘作业主要靠人力来完成，由于果实采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节，而且采摘作业质量的好坏还直接影响到水果的品质，提高采摘作业生产机械化程度是必须重视的问题。并且农业从业者人数的减少及高龄化趋势不断加大。所以采摘机器人的开发具有巨大经济效益和广阔的市场前景，符合社会发展的需求。国外在农业采摘机器人领域研究较早，近年来国内中国农业大学、浙江大学、江苏大学、南京农业大学、沈阳农业大学等科研单位也积极投入农业机器人领域的研究，取得了初步的

8、成果，但是都处于实验阶段，投入农业生产实际仍需时日。柑橘是浙江省传统的水果，已有多年栽培历史。浙江省柑橘产量全国第一，占全国宽皮柑橘总量的，占全世界的，从业人员万人，年产值亿元【】。通过浙江特色优势区域规划的实施，已经形成了两条柑橘优势产业带，柑橘是我省农业主导产业之一。本课题以柑橘为主要研究对象，研究柑橘的物理特性和力学特性，进而研究柑橘抓持和果枝分离的关键技术，并基于自行研制的新型气动柔性驱动器：（啪）研制具有充分柔顺性和安全性的柑橘果实采摘机器人末端执行器，研究建立末端执行器的理论模型和控制算法，实现柑橘抓持和果枝分离的功能，最终建立农业球类果实抓取和采摘末端执行器研究的一般理论和方法。

9、柑橘采摘末端执行器的研制对于降低我省柑橘生产中采摘环节的工人劳动强度、提高采摘效率、节约成本具有重要的作用，在解决水果栽培从业人员数量减少、高龄化等问题具有长远的现实意义。所研制的基于的末端执行器具有传统刚性末端执行器所欠缺的柔顺性和安全性，解决了农业机器人采摘部第章绪论件的安全性问题，对于我省在农业机械化自动化，尤其是农业机器人领域的基础研究和应用研究具有推动作用。农业采摘机器人的发展综述多年来，机器人工业从无到有发展很快，到年全世界的机器人总量已经达到万台，其中大部分为日、美等发达国家拥有。随着世界人口的不断增加，对粮食生产的质和量的需求将会越来越大。传统的土地利用型农业将随着现代科学技术

10、的迅猛发展，逐渐形成一个以作物栽培技术为基础、以生物技术为先导、集机械化作业、自动化栽培设施以及人工可控环境等尖端技术的现代新型农业产业。农业机器人是一种以完成农业生产任务为主要目的，兼具有人类四肢行动，部分信息感知和可重复编辑功能的柔性自动化和半自动化设备【】，农业采摘机器人即为操作任务为实现果蔬采摘为主要任务的农业机器人。发达国家的农业机器人研究起步较早，而且投资大，发展快，这些国家农业规模化、多样化、精细化和设施农业的快速发展，有效的促进了农业机器人的发展。自世纪年代开始，发达国家根据本国实际，纷纷开始农业机器人的研发，并相继研制出了嫁接机器人、扦插机器人、移栽机器人和采摘机器人等多种农

11、业生产机器人。如澳大利亚的剪羊毛机器人，荷兰的挤奶机器人，法国的耕地和分拣机器人，日本的喷雾机器人、施肥机器人、除草机器人、果蔬采摘机器人、韩国的插秧机器人，丹麦的农田除草机器人，西班牙的采摘柑橘机器人，英国的采蘑菇机器人以及台湾的移栽机器人等。】。但是由于农业生产环境、作业对象及使用者等与工业生产领域截然不同，发达国家已研发成功的农业机器人目前尚未实现商品化生产和大面积普及。目前，国内外研究的农业机器人很大一部分都集中在果蔬采摘机器人的研究。果蔬采摘作业是果蔬生产中最耗时、最费力的一个环节。在日本、美国等发达国家，农业人口较少，随着农业生产的规模化、多样化、精确化，农业劳动力不足的现象越来越

12、严重。许多作业项目如蔬菜、水果的挑选和采摘等都是劳动密集型的工作，再加上时令的要求，劳动力的问题很难解决。正是基于这种情况，农林业机器人应运而生。年，美国加利福尼亚学者和、浙江业人学硕学位论文首先提出应该应用机器人技术采摘果到，这普遍被认为是农业采摘机器人研究的开始，最初采摘机器人研制采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式【，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获，采摘机械智能化较低，在采摘果实的时候容易碰伤未成熟的果实以及茎杆，因此在收获柔软、新鲜的果实方面存在较大的缺陷；而且因为同一束的植株卜的果实并不是同时成熟的，因此采摘常常需要有选择的进行；此外市场对果实的新鲜度也

13、有很高的要求，这就要求果实的采摘具有很高的时效性。因此，在果实采摘作业中采用机器人作业需要实现果实采摘机器人的自动化和智能化。世纪年代中期以来，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本【为代表的发达国家，包括美国【，、意大利】、荷兰【、比利时等国家在收获采摘机器人的智能化和柔性操作的研究上做了大量的工作。目前这些发达国家已研制出西红柿、柑橘、甜瓜、橙、黄瓜和苹果等水果和蔬菜收获的多种可用于农业生产的机器人。（）西红柿采摘机器人整体图（）两红柿采摘机器人手臂图日本的西红柿采摘机器人（）柑橘采摘机器人结构图（）柑橘采摘机器人采摘现场图

14、美国的柑橘采摘机器人第章绪论图美国甜瓜采摘机器人图意大利橙采摘机器人图荷兰的黄瓜采摘机器人图比利时的苹果采摘机器人农业采摘机器人末端执行器的发展现状和趋势由于果蔬的外表较为脆弱，而它的形状及生长状况复杂，因此末端执行器的设计通常被认为是农业机器人的核心技术之一【。果蔬采摘机器人末端执行器可分为：纯吸盘式、筒式、针式、多指式等几类【。国外农业采摘机器人末端执行器的发展现状和趋势希腊电子工程师和美国佛罗里达大学的农业工程学师曾在年联合开发了一种用于摘除柑橘果实的末端执行器，该末端执行器由一个旋转机械结构结合一组可用于识别柑橘果实并对其进行三维立体目标定位的视觉摄像头和一个超声波检测机构。该末端执行

15、器可以获得较高的柑橘果实摘除率，以及较低的果实损坏率，经过试验，该末端执行器摘除柑橘果实的成功率可达，对伤害柑橘果实的比例低于【。浙江业大学硕。：学位论文图仃柑橘采摘机器人末端执行器：伺服电机（前进后退）：内轴承：手指固：橡胶垫：伺服电机（开闭）：连杆：旋转轴承：果实吸取管图日本的樱桃采摘机器人末端执行器年，日本大阪府立大学血和山形大学巧等人研制了种樱桃采摘机器人，该机器人末端执行器采用了一种四自由度手，依靠一组三维视觉传感器和一个行进装置和控制系统来完成对樱桃的采摘。该末端执行器由一个果实吸取机构，一个张开闭合机构，一个前后移动机构和一对机械手指组成，高度约咖，宽度约，长度约。该末端执行器的

16、的吸取装置是一个圆形管子连接一个抽气泵构成，通过将管中空气抽排掉以吸取住目标果实，然后由一个伺服电机驱动两个手指的张卡与抓紧实现对樱桃果实的进一步抓取，抓取之后移动机械手即可将樱桃从果枝上摘除【。年，日本农业机械研究所等人对一种新型的草莓采摘机器人开展了研究。在采用机器人采摘果蔬操作中，为了避免损伤果实，应该尽可能的设计机器人少接触果实表面。该研究团队研究的采摘机器人的末端执行器则主要是直接抓取和切断果柄以达到不损伤果实而采摘果实的目的。首先，一个真空吸取装置通过一个光电传感器装置的定位吸住果实，一个表面设第章绪论置一层厚达的聚氨酯橡胶的夹子抓紧果柄，抓住果柄的同时，其中一个具有切到功能的手指

17、可以切断果柄，同时，这个夹子和真空吸盘机构可以在一个气动驱动装置下滑动，而且，在两个气动气缸的驱动下还可以左右各旋转度。以达到切断果梗摘取果实的目的，这个末端执行器的整个采摘过程可以直接通过同时抓取果柄和切断果柄完成采摘，使用真空吸盘是在光电传感器检测果实三维目标有误的情况下采用【引。图日本的草莓采摘机器人末端执行器年，日本北海道大学的【等人开发了一种苹果采摘机器人，该机器人安装了具有一对平行手指的末端执行器，该对手指用于夹持苹果的果柄。该末端执行器依靠摄像头和镭射激光装置确定成熟的苹果和对其进行定位而能准确的采摘果型。图卜日本的苹果采摘机器人末端执行器浙江工业人学硕士学位论文年，日本东京大学

18、乔俊（）等人开发设计了一种用于采摘甜椒的移动采摘机器人雏形，该机器人的末端执行器有两个手指，这两个手指设计成凸轮爪指瘦长形，长度有，厚度和宽度分别只有和，瘦长形的手指是为了在其抓住甜椒果柄时可以有足够的空间获取完整的果实图像。两个手指组成的雠趴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图日本的甜椒采摘机器入末端执行器和夹紧动作，凸轮的旋转运动由一个步进电机驱动。凸轮的为椭圆形，长轴，短轴，凸轮旋转度后手爪就完成一次张开或者夹紧的过程。一个弹簧机构用于产生足够的力施加与手爪以能够抓紧果实。整个手爪通过另一个步进电机来完成度到度的旋转，同时这个手爪还有一个的配重，可根据系统重量分布分

19、析实施平衡，该手爪本身的重量是，整个末端执行器就是通过这第二个步进电机连接在机器人的机械臂上【。接岸强瓜型器人的适配接口内台伺服电机和轴承最大开合距离日图美国的室内果蔬采摘机器人末端执行器年，美国佐治亚大学的生物和农业工程师硼等人提出了一种用于温室内果蔬采摘的末端执行器。该末端执行器是由伺服系统驱动的一第章绪论对并行连接的手指机构组成。这个末端执行器通过控制手指的位置和运动速度完成对目标物体的抓取控制，该装置中的两个平行安装的手指由两个低惯量，无振动的永磁直流电机和一组凸轮机构驱动其完成线性运动。手指表面设计有一层碳纤维材料以用于抓取不同弧度的抓取目标【。浙江业人学硕十学位论文用开环控制，需要

20、人工识别目标和进行按键操作机械手完成球果采集。近年来，其他一些高校科研机构和研究团队在采摘机器人的研究方面开始有了进展，中国农业大学的张铁中等人分别研究设计了一种草莓收获机器人【和一种茄子采摘机器人。设计的草莓采摘机器人末端执行器全长，主要部件包括个机械爪、个直流电机、对直齿轮、个低压电热切割装置、对机械触点、个激光发生器和两个摄像头，机械爪的末端开合由电机驱动，通过丝杠与内螺纹管通过螺纹连接机械爪，电机带动丝杠旋转，螺纹管即前后运动，从而带动两根手指做闭合或张开动作。机械爪的两根手指内侧均附有酚醛塑料板（俗称电木，其作用是绝缘和耐热），在其中一侧的酚醛塑料板上装有电热丝，电热丝的通断电状态通过固态继电器由计算机控制，从而组成一个电热切割装置。其设计的茄子采摘机器人末端执行器则采用了根夹持手指，依旧采用电机驱动丝杆而带动手指的夹