猕猴桃采摘机器人末端执行器设计.docx

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猕猴桃采摘机器人末端执行器设计

陈军;王虎;蒋浩然;高浩;雷王利;党革荣

【摘要】Anend-effectorforharvestingkiwifruitwasdeveloped.Thecompressibilitypropertiesandotherrelatedphysicalpropertiesofthekiwifruitweremeasured.Thebodystructure,perceptionsystemandcontrolsystemoftheend-effectorweredesigned.Theexperimentofkiwifruitpickingwasfinallyconducted.Theresultsshowedthatthesuccessratioofclampingandpickingkiwifruitreachedto100%and90%,respectively.Pickingtimeof9swasneededtoperformoneactionofharvesting.%为实现猕猴桃的自动化采摘,设计了猕猴桃采摘机器人末端执行器.测定了猕猴桃抗压特性和其他相关物理特性,提出了一种机器采摘方案,设计了末端执行器的机械装置、感知系统和控制系统.试验结果表明,该末端执行器对猕猴桃的抓持成功率为100%,采摘成功率为90%,完成一次采摘动作耗时9s.

【期刊名称】《农业机械学报》

【年(卷),期】2012(043)010

【总页数】5页(P151-154,199)

【关键词】猕猴桃;采摘机器人;末端执行器;设计

【作者】陈军;王虎;蒋浩然;高浩;雷王利;党革荣

【作者单位】西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100

【正文语种】中文

【中图分类】TP242.6

引言

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[1~3]。

日本、荷兰、美国等国学者针对采摘机器人末端执行器做了大量研究工作,而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。但目前采摘果实运用的方法主要为拉、拧果实,或者在检测到果柄位姿后用激光、刀片等辅助工具切割果柄,这些方法容易损坏果实表面,同时刀片的使用容易使果实之间传染疾病[4~14]。

本文在研究猕猴桃物理特性的基础上,设计一种运用旋拧的方法采摘猕猴桃的末端执行器,研制其机械装置、感知系统和控制系统,并进行采摘试验。

1猕猴桃物理特性

1.1试验条件

为使设计的末端执行器能正确采摘猕猴桃,设计之前需对猕猴桃的相关物理特性进行测定,包括猕猴桃扭转采摘试验和猕猴桃抗压特性试验。

杨凌周边猕猴桃成熟期一般为9月下旬至10月上旬,试验材料均于10月上旬采自杨凌周边猕猴桃园,品种为海沃德,猕猴桃质量为100~140g,果柄长度为43~65mm,果实直径为40~50mm。

1.2扭转采摘试验

研究发现:猕猴桃果实与果柄连接处最易断裂。人工采摘猕猴桃动作为手指抓住猕猴桃果实后,以猕猴桃果实果柄连接处为支点,在竖直平面旋拧果实将果实果柄连接处折断。本文所设计的末端执行器采摘猕猴桃动作模拟人手操作步骤。

扭转采摘试验在猕猴桃园内进行,时间为10月上旬,主要设备有自制夹具、测力计(浙江艾力NK-10型,最大量程为10N,分度值为0.05N)。夹具设计为凹槽状,模拟人手采摘动作,从果树的正面靠近猕猴桃,将树上的果实按其自然生长位置放入夹具凹槽内,夹紧果实。通过在竖直平面用测力计带动夹具旋转,从而折断猕猴桃果实果柄连接处,观察果柄断裂时测力计的值,以及猕猴桃旋转过的角度,并通过计算得到采摘该猕猴桃所需的扭矩。试验结果如表1所示。

表1猕猴桃扭转采摘试验数据Tab.1Harvestingtorqueforceandangleofkiwifruit序号质量/g扭力/N扭矩/N·m扭转角度/(°)11385.951.3546.021315.451.2461.131343.900.8955.04

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