《果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)組成現(xiàn)狀分析[18頁(yè)]》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)組成現(xiàn)狀分析[18頁(yè)]（18頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、采摘機(jī)機(jī)器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀分析 末端執(zhí)行器是果蔬采摘機(jī)器人的另一重要部件，它的設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為是機(jī)器人的核心技術(shù)之一。一般果蔬的外表比較脆弱，它的形狀及生長(zhǎng)狀況通常復(fù)雜。在機(jī)器人采摘過(guò)程中果蔬外表發(fā)生損傷的原因主要有：①果蔬位置識(shí)別或機(jī)械臂控制規(guī)劃有誤，導(dǎo)致末端執(zhí)行器劃傷或刺傷果蔬外表；②末端執(zhí)行器夾持或抓取力過(guò)大，壓傷果蔬外表；③末端執(zhí)行器抓持不穩(wěn)定導(dǎo)致果蔬掉落，與地面或其他堅(jiān)硬物體接觸而碰上外表。 作為采摘機(jī)器人的執(zhí)行裝置，末端執(zhí)行器應(yīng)根據(jù)不同果蔬果實(shí)的生物、機(jī)械特性及栽培方式，采取不同的專(zhuān)用機(jī)構(gòu)以提高采摘的成功率并減小對(duì)果蔬的損傷為主要目標(biāo)。一般集成兩項(xiàng)功能：①檢測(cè)果實(shí)的位姿，為執(zhí)行

2、機(jī)構(gòu)提供導(dǎo)航信息；②以適當(dāng)力度夾持果實(shí)或果梗并剪切果柄，完成采摘?jiǎng)幼?。在?dòng)作上通常包括獲取果實(shí)和果實(shí)與植株分離兩部分。為了安全與高效的完成采摘?jiǎng)幼鳎┒藞?zhí)行器還可能加入吸盤(pán)、推桿等附加機(jī)構(gòu)以及各類(lèi)傳感器以完成準(zhǔn)確采摘并減小損傷。 1.獲取方式 獲取和分離果實(shí)是采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器必須實(shí)現(xiàn)的兩大關(guān)鍵動(dòng)作，即首先通過(guò)抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實(shí)，再通過(guò)扭斷、剪切等不同方法完成果實(shí)與果梗的分離。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，獲取果實(shí)的方式主要?dú)w為非夾持類(lèi)和夾持類(lèi)兩種。分離果實(shí)與果梗的方式有傳統(tǒng)的扭斷、折斷、拉斷以及通過(guò)剪刀或切刀進(jìn)行切斷，還有新式的熱切割方法等。 1.1.直接切斷式 這類(lèi)末端執(zhí)

3、行器一般都是直接剪斷果梗，由于其本身不能實(shí)現(xiàn)果實(shí)的回收，因此剪掉的果實(shí)直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本開(kāi)發(fā)的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器、茄子采摘末端執(zhí)行器、番茄采摘末端執(zhí)行器、美國(guó)柑橘采摘末端執(zhí)行器均為此類(lèi)結(jié)構(gòu)，如下圖所示。 1甜椒采摘末端執(zhí)行器 2茄子采摘末端執(zhí)行器 3番茄采摘末端執(zhí)行器 這類(lèi)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)更能較為簡(jiǎn)單，適用于植株冠層內(nèi)枝葉較稀疏，且果實(shí)具有一定抗沖擊能力的果蔬。對(duì)于果梗較短的植株，往往造成無(wú)法剪切或碰上果實(shí)的現(xiàn)象，對(duì)于冠層空間比較復(fù)雜的植株，果實(shí)下落過(guò)程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影響果實(shí)的回收。 1.2 吸入式 這類(lèi)非夾持類(lèi)末

4、端執(zhí)行器主要是通過(guò)真空系統(tǒng)將果實(shí)吸入末端執(zhí)行器內(nèi)，再通過(guò)切斷、扭斷等方式分離果實(shí)和果梗。 如圖4所示的柑橘采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖，由真空吸盤(pán)先吸持住果實(shí)向后拉動(dòng)，同時(shí)末端執(zhí)行器的彈性蓋板向前移動(dòng)，使果實(shí)進(jìn)入籠體內(nèi)，然后蓋板收縮進(jìn)而保住果實(shí)，隨后一對(duì)割刀合攏切斷果梗。 4 柑橘采摘末端執(zhí)行器 如圖5（a）所示比利時(shí)開(kāi)發(fā)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，設(shè)計(jì)成漏斗的形狀，漏斗內(nèi)安置攝像機(jī)，當(dāng)有果實(shí)進(jìn)入手爪范圍的時(shí)候，真空吸引器打開(kāi)將果實(shí)吸入，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)扭斷果梗將果實(shí)采摘下來(lái)。圖5（b）所示英國(guó)開(kāi)發(fā)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，由一截管道、兩個(gè)內(nèi)置圓環(huán)和兩個(gè)彈簧蓋組成，該末端執(zhí)行器獲取果實(shí)的原理也是

5、吸入+扭斷式，當(dāng)蘋(píng)果的位置信息傳來(lái)之后，真空系統(tǒng)將果實(shí)吸入，再扭斷果梗采摘下蘋(píng)果。 （a） （b） 圖5 蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器 還有吸入+勾取的方式來(lái)獲取果實(shí)等等。吸入式的末端執(zhí)行器硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作原理類(lèi)似，對(duì)于果實(shí)嬌嫩、果梗柔弱細(xì)長(zhǎng)的草莓等果實(shí)，采取吸入加勾取比夾持的獲取方式更可行，但這類(lèi)末端執(zhí)行器對(duì)果實(shí)個(gè)體尺寸差異適應(yīng)能力較差動(dòng)作速度較慢，穩(wěn)定性不高，而且相鄰的未成熟的果實(shí)也容易被一同吸入和采摘下來(lái)。 1.3 夾持類(lèi) 這類(lèi)末端執(zhí)行器其夾持器通常由帶有真空吸引器和數(shù)目不等的手指構(gòu)成。按手爪的個(gè)數(shù)可分為兩指和多指型，

6、目前大多數(shù)果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器為兩指，也有一些三指和四指的末端執(zhí)行器，用于外形不規(guī)則或較大的果實(shí)。因此，一般情況下，對(duì)于形狀較為規(guī)格，尺寸和質(zhì)量部太大的果實(shí)，應(yīng)首選較少手指進(jìn)行抓持。 1.3.1 兩指夾持 如圖6所示，日本東京大學(xué)喬?。↗un Qiao）等人開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器具有兩個(gè)瘦長(zhǎng)形的手指，長(zhǎng)度為160mm，厚度和寬度分別只有1mm和10mm。兩個(gè)手指組成的 手爪抓住果柄的過(guò)程由依靠一個(gè)凸輪的瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行張開(kāi)和夾緊動(dòng)作，凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，凸輪為橢圓形，旋轉(zhuǎn)90度后手爪就完成一次張開(kāi)或夾緊的過(guò)程。 圖6 日本的

7、甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器 .中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張凱良等人設(shè)計(jì)了草莓采摘機(jī)器人，其機(jī)械原理如圖7所示，該末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)主要有機(jī)械爪及其附屬部件構(gòu)成。絲杠與內(nèi)螺紋管通過(guò)螺紋連接，由電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而螺紋管進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)兩根手指做閉合或張開(kāi)動(dòng)作，完成對(duì)果實(shí)的獲取。在兩手指的內(nèi)側(cè)上裝有橡膠墊，增加了緩沖，可使末端執(zhí)行器更可靠地夾持，同時(shí)，在靠近手指根部的位置安裝了一對(duì)間距可調(diào)的機(jī)械觸點(diǎn)，作為機(jī)械爪夾持力度的反饋裝置。可見(jiàn)，該末端執(zhí)行器的夾持裝置獲取果實(shí)的精確性、可靠性以及對(duì)果實(shí)的保護(hù)程度明顯要好于日本的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器。 1.手指 2.內(nèi)螺紋管 3.絲杠 4.電機(jī) 圖7

8、機(jī)械爪機(jī)構(gòu)示意圖 劉繼展等研制了番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器（圖8），由于番茄的成串生長(zhǎng)增加了真空吸盤(pán)裝置，避免了采摘時(shí)將相鄰的未成熟果實(shí)一同夾持。真空吸盤(pán)裝置由真空發(fā)生設(shè)備、真空檢測(cè)控制元件、吸盤(pán)和連接附件組成。采用小型壓縮氣罐為氣源，采用適應(yīng)曲面及不平整工件、具有良好緩沖性能的真空波紋吸盤(pán)由真空軟管、接頭等附件連接組成末端執(zhí)行器的真空系統(tǒng)。真空波紋吸盤(pán)固定于齒輪的前端，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)帶動(dòng)吸盤(pán)前進(jìn)和后退，并與真空系統(tǒng)相配合，完成吸住并拉動(dòng)果實(shí)的任務(wù)。 采用兩指夾持機(jī)構(gòu)，如圖9所示，手指指面設(shè)計(jì)成圓弧并貼有5mm厚的橡膠，增強(qiáng)了夾持的可靠性。手指夾持機(jī)構(gòu)由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)錐齒輪的傳動(dòng)，

9、帶動(dòng)具有左旋和右旋兩段螺紋的雙向螺桿傳動(dòng)，使與之組成螺旋副的兩手指產(chǎn)生平行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而合攏或松開(kāi)，完成對(duì)番茄果實(shí)的夾持。 1.手指 2.真空波紋吸盤(pán) 3.雙向螺桿4、8、11.直流伺服電動(dòng)機(jī) 5.激光聚焦透鏡 6.齒條 7.外殼 9、10.錐齒輪 12.齒輪 圖8 番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器主體結(jié)構(gòu)示意圖 圖9 手指尺寸及吸盤(pán)行程 馬履中等研制的蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)如圖10所示，氣缸的活塞桿通過(guò)銷(xiāo)軸與兩手指后端滑槽的高副連接，最終把導(dǎo)桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成兩手指繞轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)，從而組成滑槽導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的夾持。手指圓弧面內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)覆蓋了海綿橡膠層，這樣可以保證在

10、抓取過(guò)程中抓取力分布均勻，增大手指與蘋(píng)果的摩擦力，可以減少夾持時(shí)對(duì)蘋(píng)果的損傷，但海綿彈性系數(shù)過(guò)小，受很小的力就會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的壓縮變形，不能起到很好保護(hù)果實(shí)的作用。 1.薄型氣缸 2.支架 3.活塞桿 4.導(dǎo)桿 5.銷(xiāo)軸 6.轉(zhuǎn)軸 7.手指 8.海綿材料 9.橡膠材料 10.滑槽 圖10 蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 1.3.2 多指夾持類(lèi) 手指的數(shù)目越少，夾持的穩(wěn)定性越差，多指的末端執(zhí)行器雖然夾持更為穩(wěn)定可靠，但機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性大大增加，同時(shí)在采摘過(guò)程中與果梗、枝葉的干涉現(xiàn)象也會(huì)隨之增多。 如圖11所示的茄子采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器抓取機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該抓取機(jī)構(gòu)

11、由4根夾持手指（直徑4mm的鋼絲，可以形變，手指外包有1cm厚的海綿）、2個(gè)滑軌（每個(gè)滑軌的一端固定在機(jī)械手本體上，另一端固定在夾持手指上）和雙向絲杠（帶螺母，每個(gè)螺母分別與夾持手指固定）組成。 4根夾持手指兩兩相對(duì)（圖中僅能看到兩個(gè)），左面的兩個(gè)連在同一滑軌上，并與雙向絲桿的左螺母固定；右面的兩個(gè)連在同一滑軌上，并與雙向絲桿的右螺母固定。通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)雙向絲杠，使左右兩個(gè)滑軌相向而行。蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比是1:10，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，雙向絲杠的兩個(gè)螺母沿相向方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度為電機(jī)的1/10。當(dāng)螺母運(yùn)動(dòng)到定位果實(shí)的位置時(shí)，完成夾持動(dòng)作。而且，雙向絲杠的中間部分無(wú)螺紋結(jié)構(gòu)，于是，夾持手指的預(yù)緊力可以

12、夾持到設(shè)定的最小的茄子果實(shí)，以后絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)而螺母原地不動(dòng)；當(dāng)兩個(gè)螺母在連在其之間的回位彈簧張力的作用下，螺母向相反的方向運(yùn)動(dòng)隨雙向絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母重新回到絲杠的螺紋上，沿著螺紋向兩邊運(yùn)動(dòng)，從而完成松開(kāi)夾持的果實(shí)的動(dòng)作。 該末端執(zhí)行器收獲茄子的范圍僅是3～6.5cm，作業(yè)時(shí)很容易造成遺漏掉果實(shí)，當(dāng)松開(kāi)夾持的果實(shí)時(shí)，回位彈簧降低了執(zhí)行器的整體穩(wěn)定。 1.滑軌 2.夾持手指 3.絲杠上的螺母 4.末端執(zhí)行器外壁 5.雙向絲杠 6.蝸桿 7.蝸輪 8.電機(jī)軸 9.回位彈簧 圖11 末端執(zhí)行器抓取機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 居洪玲、姬長(zhǎng)英設(shè)計(jì)了一種多用途的末端執(zhí)行器（圖12），不僅能收獲蘋(píng)果和梨

13、，其他生長(zhǎng)類(lèi)似的果實(shí)也可以一同收獲。含有三個(gè)機(jī)械爪，如圖13所示。此末端執(zhí)行器的抓取機(jī)構(gòu)主要由3個(gè)機(jī)械爪（寬25mm，長(zhǎng)75mm的鋼板，外包有彈性材料）、直線滑軌和止動(dòng)塊組成。電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)齒條，將轉(zhuǎn)動(dòng)化為平動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)連接桿帶動(dòng)機(jī)械爪向里運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的抓取采摘。水果的直徑是20～90mm。 3個(gè)機(jī)械爪分布在3600的圓周上，用螺絲與連接桿固定在一起，連接桿安裝在齒條上，齒條安裝在直線滑軌上?；墐蓚?cè)用止動(dòng)塊限制運(yùn)動(dòng)界限，從而控制手爪的抓取范圍。 彈性材料的變形適應(yīng)能力，可以避免快速抓取帶來(lái)的損害，還能依據(jù)果實(shí)的外形包裹果實(shí)，防止果實(shí)脫落。 1.機(jī)械爪 2 彈性材

14、料 3 傳感器 4 上護(hù)蓋 5 齒條 6 止動(dòng)塊 7直線滑軌 8 支撐套 9 定外環(huán) 10 電磁離合器 11 聯(lián)軸器 12 座架 14 電機(jī) 15電磁離合器 16 轉(zhuǎn)盤(pán) 17 墊腳 18 連接桿 19 齒輪 20 傳動(dòng)軸 圖12 末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu) 1.機(jī)械爪 2.彈性材料硅膠 3.連接桿 4.止動(dòng)塊 5.滑軌 6.轉(zhuǎn)盤(pán).7.齒條 8.齒輪 圖13 末端執(zhí)行器的抓取機(jī)構(gòu) 美國(guó)研制了研究員提出了一種西紅柿采摘機(jī)器人，該機(jī)器人末端執(zhí)行器采用了真空吸盤(pán)+四指機(jī)械爪，真空吸盤(pán)本身具備抓取功能，四個(gè)夾持手指對(duì)稱(chēng)分布，使用塑料質(zhì)地代替尼龍材料，減小了夾持時(shí)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)線纜連接

15、起來(lái)共同驅(qū)動(dòng)，可以更穩(wěn)定的抓持住果實(shí)。如圖14所示，這種柔性手指彎曲曲線平滑，具有一定的補(bǔ)償能力，能夠很好適應(yīng)果實(shí)的大小差異。但該柔性手指由一個(gè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)4個(gè)手指的所有關(guān)節(jié)，屬于高度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)遇到枝葉稠密等障礙物時(shí)，手指容易發(fā)生彎曲，易造成果實(shí)抓取的失敗。 圖14 美國(guó)的西紅柿采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器 2.分離方式 無(wú)論夾持類(lèi)和非夾持類(lèi)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，都需要通過(guò)一定的方式完成果梗的切斷或果梗與果實(shí)的分離，才能最終實(shí)現(xiàn)采摘果實(shí)。現(xiàn)有的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究成果來(lái)看，多采用扭斷、折斷或剪切的分離方式，一些末端執(zhí)行器對(duì)新的切割原理進(jìn)行了嘗試。 2.1 扭斷、折斷、拉斷

16、扭斷是利用手腕的旋轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在執(zhí)行器抓牢果實(shí)后擰斷果柄，需要多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開(kāi)果梗，末端執(zhí)行器需要較大的工作空間，這樣就難于避障。這種方式對(duì)于果柄易斷的果蔬較為實(shí)用，如番茄的采摘，但對(duì)于果柄柔韌性較高的果蔬則采摘成功率較低。而且無(wú)論扭斷、折斷或拉斷都只適用于果實(shí)被充分夾持的情況下，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需再附加另外的分離裝置和動(dòng)力，但這就要求末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)夾持果實(shí)要足夠可靠，對(duì)果實(shí)提供充分的作用力，又不能造成對(duì)果實(shí)的損傷，這樣夾持器對(duì)果實(shí)的夾持力要有較高的控制。同時(shí)，還要根據(jù)采摘對(duì)象的果梗力學(xué)特性驚醒不同方式的選擇和實(shí)驗(yàn)，否則難以達(dá)到預(yù)期的效果。 2.2剪切 相當(dāng)部分的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器安

17、裝了剪刀或切刀裝置，用來(lái)切斷果梗實(shí)現(xiàn)果實(shí)、果梗分離。 如圖15所示馬履中等人研制的蘋(píng)果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的切割裝置示意圖，切割裝置采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源，利用軟管鋼絲傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)刀片繞手指外廓做近一周的旋轉(zhuǎn)，以切割位于手指周向上任意位置的蘋(píng)果柄。這樣省掉了檢測(cè)果柄方位和調(diào)整末端執(zhí)行器位姿的復(fù)雜過(guò)程,提高了采摘效率。同時(shí)，刀片設(shè)計(jì)成楔形，使得在切割過(guò)程中果柄與刀刃有滑動(dòng)，更易切斷果柄，保證了采摘的成功率。但刀片的旋轉(zhuǎn)很難保證不對(duì)周?chē)墓麑?shí)或植物進(jìn)行傷害。 1 直流電機(jī) 2 微型蝸輪蝸桿減速器 3 鋼絲繞盤(pán) 4 鋼絲 5 下軟管架 6 彈性軟管 7 上軟管架 8 刀架 9 刀架轉(zhuǎn)輪

18、10 轉(zhuǎn)盤(pán)軸 11 契形刀片 圖 15 切割裝置示意圖 如圖16所示的茄子采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的切割機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該部分主要由三角傳動(dòng)支架、刀架、刀架導(dǎo)向桿(內(nèi)有導(dǎo)向槽)和鋸齒輪盤(pán)切刀組成。三角傳動(dòng)支架的后端移動(dòng)端固定在雙向絲杠移動(dòng)的螺母上，前端同刀架固定在一起。刀架的后端鉸接在電機(jī)軸上，前端固定在三角傳動(dòng)支架上，隨三角傳動(dòng)支架移動(dòng)可沿導(dǎo)向桿前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)夾持動(dòng)作的進(jìn)行，雙向螺母向中間運(yùn)動(dòng),三角傳動(dòng)支架頂點(diǎn)前伸，帶刀架在導(dǎo)向槽內(nèi)前進(jìn)，從而使得鋸齒輪盤(pán)切刀前進(jìn)，完成切割。 1 刀架轉(zhuǎn)向桿 2 據(jù)齒輪盤(pán)切刀 刀架 4 三角傳動(dòng)支架 5 同步帶 6 同步帶輪 7 滑

19、軌 8 和絲杠配合的螺母 9蝸輪 10雙向螺旋絲杠 11 蝸桿 12 電機(jī)軸 圖 16 末端執(zhí)行器切割機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（俯視） 利用切刀直接切斷果柄。這種方法可適用于夾持類(lèi)和非夾持類(lèi)各種類(lèi)型末端執(zhí)行器，適用范圍較廣。首先剪刀必須能夠直接接觸到果梗，對(duì)果柄的方位要做出精確的檢測(cè)，手腕要有必要的自由度，才能準(zhǔn)確地切斷果柄。同時(shí)其要求配置相應(yīng)的傳動(dòng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和動(dòng)力，造成末端執(zhí)行器裝置的復(fù)雜、體積和質(zhì)量的加大，增加了機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性，成本較高，這往往成為其走向?qū)嵱没囊淮笳系K。而剪切還可能由于剪刀的重復(fù)使用而造成植株間病菌的相互傳染，切口還會(huì)導(dǎo)致果實(shí)水分的流失。 2.3 熱切割 荷蘭瓦寧根大學(xué)

20、開(kāi)發(fā)的黃瓜采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，改變了傳統(tǒng)的果梗分離方法，采用兩個(gè)相對(duì)的熱電極，當(dāng)兩電極與果梗接觸時(shí)產(chǎn)生高頻電流，果梗的高含水率使之迅速產(chǎn)生高溫而將果?！扒小睌?。這種方式避免了病菌的相互傳染和水分流失問(wèn)題，但是這種方式要求兩電極必須與果?？煽拷佑|，同樣受到果梗長(zhǎng)度和植株冠層空間的限制，對(duì)于常規(guī)栽培方式和品種的番茄，這種方式同剪刀剪切方式都難以達(dá)到滿意的效果。 2.4 激光切斷 圖17所示的果梗切斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖，通過(guò)非接觸式的激光切斷果梗，降低了機(jī)器人末端執(zhí)行器裝置的復(fù)雜性和對(duì)夾緊力控制精度的要求。 果梗激光切斷裝置由激光發(fā)生控制單元和果梗聚焦切斷單元組成。其中激光發(fā)生控制單元由尺寸僅為

21、92 mm86 mm20 mm的小型30W高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器和保護(hù)控制電路組成,保護(hù)控制電路對(duì)激光器進(jìn)行直流供電和穩(wěn)壓保護(hù)，通過(guò)并聯(lián)的可變電阻調(diào)節(jié)激光器供電電流。果梗聚焦切斷單元由聚焦透鏡、直流伺服電動(dòng)機(jī)、聯(lián)接與支承部件組成。激光器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SMA905型光纖連接頭與聚焦透鏡聯(lián)接。作業(yè)時(shí)由固定于機(jī)械手上的雙目視覺(jué)系統(tǒng)與末端執(zhí)行器上的距離傳感器相配合，以進(jìn)行果梗的精確定位；通過(guò)直流伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)聚焦透鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，使透鏡對(duì)準(zhǔn)果梗；由電磁閥控制激光器打開(kāi)，激光束聚焦于果梗上(焦距為50 mm)將其切斷。聚焦透鏡的傾角可以進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同品種果實(shí)的梗長(zhǎng)需要。 1 聚焦透鏡 2 固定環(huán) 3 直推軸承 4 直流伺服電動(dòng)機(jī) 5 光纖 6 電壓表 7 時(shí)間繼電器 8 可變電阻 9 電流表 10 電源開(kāi)關(guān) 11 鋰電池組 圖 17 果梗切斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖 如圖18所示的草莓采摘機(jī)器人切割器剪切果柄示意圖，該切割裝置采用了低壓直流電熱切割的方法，通過(guò)在鎳鉻電熱絲兩端加載低壓直流電，其產(chǎn)生的高溫可在短時(shí)間內(nèi)將草莓果柄燒斷。 圖 18 電熱切割器剪切果柄 電熱切割法的優(yōu)勢(shì)在于：一是切口處的病毒在高溫環(huán)境下被殺滅，可有效防止病害傳播；二是果柄切口處因高溫被封閉，可有效防止水分流失,延長(zhǎng)果實(shí)的保鮮時(shí)間。