柔性草莓采摘器

裴雷 劉 歡 王愷

摘 要：本論文研究一種低成本、防夾漏的柔性草莓采摘器，包括底座，底座上沿周向設(shè)置至少三個結(jié)構(gòu)相同的四連桿機(jī)構(gòu)；四連桿機(jī)構(gòu)由主臂、指段、副臂、底座依次鉸接而成；指段的末端向下延伸成為夾持端，三個指段的夾持端相向設(shè)置；主臂上端鉸接在底座上，副臂與底座之間設(shè)置彈性張緊裝置；主臂與底座之間設(shè)置拉繩驅(qū)動裝置。采摘器上設(shè)置攝像頭自動識別，設(shè)置超聲定位裝置確定位置，可以自動識別成熟草莓并確定距離；副臂與底座之間設(shè)置彈性張緊裝置，主臂與底座之間設(shè)置拉繩驅(qū)動裝置，使夾持端可以同步柔性合攏與張開，也作為緩沖裝置防止夾壞草莓且成本低廉。夾持端為平夾裝置，防止夾漏且控制簡單。

關(guān)鍵詞：草莓；柔性；四連桿；平夾

1 背景技術(shù)：

國內(nèi)草莓種植面積和產(chǎn)量有逐年增加的趨勢，但是由于采摘環(huán)節(jié)落后的人工作業(yè)方式，制約了草莓種植業(yè)的發(fā)展。目前有相關(guān)研究針對我國常見的溫室里高壟畦作栽培的草莓，初步建立了草莓采摘機(jī)器人實驗系統(tǒng)，在草莓果實目標(biāo)識別、提取、定位、采摘機(jī)器人及手爪等方面的研究取得了一定成果。還有跨壟作業(yè)4個自由度的草莓收獲機(jī)器人設(shè)備。該機(jī)器人采用兩個俯視地面的CCD攝像機(jī)獲取草莓的圖像，計算出草莓的方位，用激光傳感器測量機(jī)械手爪到草莓的距離；采用氣動機(jī)械手爪抓取草莓果柄，并用剪切式切刀切斷果柄。但這僅僅只是一個草莓采收實驗裝置，體積比較龐大，且沒有驅(qū)動裝置，成本高，無法進(jìn)行大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

草莓采摘器即草莓采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器，是用來采摘草莓的機(jī)構(gòu)。草莓的外表比較脆弱，采摘時候容易損傷。為了解決這個問題，常使用的辦法是設(shè)置柔性爪子或者采用剛?cè)峄旌蠙C(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)往往比較復(fù)雜，而且成本高、控制復(fù)雜。

2 結(jié)構(gòu)原理：

圖1采摘器結(jié)構(gòu)圖。圖2為采摘器四連桿機(jī)構(gòu)示意圖（彈性張緊裝置為扭簧）。圖3為采摘器四連桿機(jī)構(gòu)示意圖（彈性張緊裝置為橡皮筋）。圖4為采摘器軸測圖。

如圖1所示，一種柔性草莓采摘器1，包括底座11，底座11上沿周向設(shè)置至少2個結(jié)構(gòu)相同的四連桿機(jī)構(gòu)。四連桿機(jī)構(gòu)由主臂12、指段13、副臂14、底座11依次鉸接而成。指段 13的末端向下延伸成為夾持端131，三個指段13的夾持端131相向設(shè)置。主臂12上端較接在底座11上，副臂14與底座11之間設(shè)置彈性張緊裝置15。主臂12與底座11之間設(shè)置拉繩驅(qū)動裝置。通過四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動使夾持端131合攏或分開。

四連桿機(jī)構(gòu)的鉸接點之間依次連線組成平行四邊形，使夾持端131運(yùn)動過程中只平移、角度不變，三個夾持端131構(gòu)成平夾狀態(tài)。指段13和底座11兩個鉸接點的連線為互相平行，底座11是固定的，方向不會發(fā)生變化，所以夾持端131角度也不會改變，僅僅在四連桿機(jī)構(gòu)所在平面內(nèi)平移。這樣夾持草莓時，夾持更方便、準(zhǔn)確，不容易夾漏?？刂粕弦脖容^簡單，誤差小。）

拉繩驅(qū)動裝置指：每個主臂12與底座11鉸接處設(shè)置銷軸16，銷軸16任意一側(cè)的主臂12上設(shè)置主臂繩孔121，在底座11上設(shè)置各自對應(yīng)的底座繩孔111。底座繩孔111到銷軸16 的距離與主臂繩孔121到銷軸16的距離相等，如圖2所示。在底座11上設(shè)置轉(zhuǎn)動盤17，在主臂繩孔121、底座繩孔111，轉(zhuǎn)動盤17之間設(shè)置繩子18。繩子18的一端固定在轉(zhuǎn)動盤17上，另一端順時針或逆時針依次穿過底座繩孔111、主臂繩孔121最后固定，將三個主臂12與對應(yīng)的底座11通過繩子18串聯(lián)在一起。驅(qū)動裝置驅(qū)動轉(zhuǎn)動盤17轉(zhuǎn)動帶動繩子18收緊使夾持端131向內(nèi)合攏。繩子18具有一定的彈性，是一種彈性繩。繩子18收緊到夾持端131觸碰到草莓時，因為繩子18的彈性及變形，起到一定的緩沖作用，使夾持端從觸碰到夾緊草莓的過程中不會損傷草莓。底座繩孔111、銷軸16、主臂繩孔121之間夾角優(yōu)選為銳角，方便受力。每個主臂12上都設(shè)置主臂繩孔121，并在底座11上設(shè)置各自對應(yīng)的底座繩孔111。這樣，轉(zhuǎn)動盤17旋轉(zhuǎn)時，繩子18收緊，使臂繩孔121 和底座繩孔111之間距離逐漸變小，直到重合。幾個主臂12 可以同步轉(zhuǎn)動，帶動夾持端131同步合攏。反向旋轉(zhuǎn)時，繩子18放松，主臂12在副臂14與底座11之間彈性張緊裝置15的彈力下被拉回到原位，夾持端131分開。本實施例中，轉(zhuǎn)動盤17為舵機(jī)帶動的舵盤，繩子18兩端相隔180度固定在舵盤上。以銷軸16為支點，主臂1 2為一個杠桿，主臂12位千銷軸16的兩端分別為杠桿的長邊、短邊；主臂12的短邊的小的位移可以轉(zhuǎn)化為主臂12長邊的大的位移。這樣，驅(qū)動裝置處比較大的驅(qū)動力可以轉(zhuǎn)換為夾持端131比較小的夾持力，避免損傷草莓。

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作者簡介：裴雷（1997-），男，漢族，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2016級學(xué)生