【正文】 有良好緩沖性能的真空波紋吸盤由真空軟管、接頭等附件連接組成末端執(zhí)行器的真空系統(tǒng)。 圖 222 機械爪機構(gòu)示意圖 劉 繼展等研制了番茄采摘機器人末端執(zhí)行器（圖 223），由于番茄的成串生長增加了真空吸盤裝置，避免了采摘時將相鄰的未成熟果實一同夾持。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，在靠近手指根部的位置安裝了一對間距可調(diào)的機械觸點，作為機械爪夾持力度的反饋裝置。 圖 221 日本的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張凱良等人設(shè)計了草莓采摘機器人，其機械原理如圖 222 所示，該末端執(zhí)行器的 夾持機構(gòu)主要有機械爪及其附屬部件構(gòu)成。 （ 1） 兩 指夾持 如圖 221 所示，日本東京大學(xué)喬?。?Jun Qiao）等人開發(fā)設(shè)計的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器具有兩個瘦長形的手指，長度為 160mm，厚度和寬度分別只有 1mm 和 10mm。按手爪的個數(shù)可分為兩指和多指型，目前大多數(shù)果蔬采摘機器人末端執(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。吸入式的末端執(zhí)行器硬件設(shè)計簡單，工作原理 類似，對于果實嬌嫩、果梗柔弱細長的草莓等果實，采取吸入加勾取比夾持的獲取方式更可行，但這類末端執(zhí)行器對果實個體尺寸差異適應(yīng)能力較差動作速度較慢，穩(wěn)定性不高，而且相鄰的未成熟的果實也容易被一同吸入和采摘下來。圖 5（ b）所示英國開發(fā)的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器，由一截管道、兩個內(nèi)置圓環(huán)和兩個彈簧蓋組成，該末端執(zhí)行器獲取果實的原理也是吸入 +扭斷式，當(dāng)蘋果的位置信息傳來之后，真空系統(tǒng)將果實吸入，再扭斷果梗采摘下蘋果。 如圖 219 所示的柑橘采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖，由真空吸盤先吸持住果實向后拉動，同時末端執(zhí)行器的彈性蓋板向前移動，使果實進入籠體內(nèi)，然后蓋板收縮進而保住果實，隨后一對割刀合攏切斷果梗。對于果梗較短的植株，往往造成無法剪切或碰上果實的現(xiàn)象，對于冠層空間比較復(fù)雜的植株，果實下落過程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影響果實的回收。例如，日本開發(fā)的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器、茄子采摘末端執(zhí)行器、番茄采摘末端執(zhí)行器、美國柑橘采摘末端執(zhí)行器均為此類結(jié)構(gòu)，如圖 216,217,218 所示。分離果實與果梗的方式有傳統(tǒng)的扭斷、折斷、拉斷以及通過剪刀或切刀進行切斷，還有新式的熱切割方法等。 獲取方式 獲取和分離果實是采摘機器人末端執(zhí)行器必須實現(xiàn)的兩大關(guān)鍵動作，即首先通過抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實，再通過扭斷、剪切等不同方法完成果實與果梗的分離。在動作上通常包括獲取果實和果實與植株分離兩部分。 作為采摘機器人的執(zhí)行裝置，末端執(zhí)行器應(yīng)根據(jù)不同果蔬果實的生物、機械特性及栽培方式，采取不同的專用機構(gòu)以提高采摘的成功率并減小對果蔬的損傷為主要目標(biāo)。一般果蔬的外表比較脆弱，它的形狀及生長狀況 通常復(fù)雜。為了彌補這個缺點，可以考慮通過改變作物的栽培方式來降低采摘的復(fù)雜性，采用結(jié)構(gòu)簡單的直角坐標(biāo)型進行采摘。及坐標(biāo)型機械手適合采摘質(zhì)量較大的果實，如收獲地面上的西瓜，其采用的智能技術(shù)較關(guān)節(jié)型低 ，但是由于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的存在，使其控制也很復(fù)雜，而且運動精度低、成本高，其推廣受到一定的限制。如表 21 所示。 機械手結(jié)構(gòu)型式的 選取取決于對機器人的活動范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制的難易的要求。 圖 213 關(guān)節(jié)型機械手示意圖 圖 214 蘋果采摘機械手機構(gòu)類型 圖 215 黃瓜采摘機械手總體結(jié)構(gòu)示意圖 機械手是機器人的重要組成部分，若機構(gòu)設(shè)計不合理，可能會出現(xiàn)運動干涉或驅(qū)動裝置無法設(shè)置，機構(gòu)不能運動等問題。關(guān)節(jié)型機械手的運動規(guī)劃和軌跡控制需要進行大量的數(shù)學(xué)計 算，因此對控制系統(tǒng)的要求跟高。一共具有腰部升降、腰部轉(zhuǎn)動、大臂俯仰、小臂擺動和小臂伸縮五個自由度，其自由度配置為： PRRRP。前單個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，工作比較靈活，工作空間也較大、占 地面積小，同其它結(jié)構(gòu)形式相比，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)對于確定三維空間中的任意位置和姿勢是最有效的，但剛度和精度不高。黃瓜采摘機器人 7 個自由度中的兩個伸縮自由度增大了末端執(zhí)行器的活動空間范圍，增強了靈活性。該機械手共有 5 個自 由度，其中 2 個旋轉(zhuǎn)自由度， 2個回轉(zhuǎn)自由度和 1 個伸縮自由度。目前在黃瓜和葡萄采摘機器人中嘗試了使用 5 自由度極坐標(biāo)類型的機械手。 為移動關(guān)節(jié) 4 為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) 圖 210 直角坐標(biāo)型 極坐標(biāo)型 極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的機械手，其結(jié)構(gòu)剛度高、末端執(zhí)行器的抓持質(zhì)量大。各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，剛性好、定位精度精度高。從自由度的構(gòu)成來看，機械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)三種。果蔬采摘機器人機械手的結(jié)構(gòu)形式和自由度適用于不同果實的采摘，直接影響末端執(zhí)行器的作業(yè)空間、運動精度、靈活性以及控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。 機械手的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析 機械手是具有傳動裝置的機械實體，由關(guān)節(jié)與連桿組合成一個相互連接和相互依賴的運動機構(gòu)。但隨著智能控制技術(shù)的進步，人形行走機構(gòu)將會在果蔬采摘機器人中得到廣泛應(yīng)用。由于人形行走機構(gòu)的步態(tài)規(guī)劃和維持動不平衡十分復(fù)雜，其研究成本較前兩者也高。相反的是履帶式行走機構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)向不靈活，但對于地面的適應(yīng)性較好，并且，履帶式行走機構(gòu)的穩(wěn)定性、牽 引附著性能、爬坡和越溝等性能也較好。但對于松軟的地面適應(yīng)性較差，同時，對于安裝在其上的機械手的運動精度有一定的影響。人形行走機構(gòu)在靜態(tài)時是平衡的，但在步行時，整個質(zhì)心會發(fā)生偏移而產(chǎn)生動不平衡，控制不好的話，機器人會傾倒，對于松軟的地面，維持動不平衡會更加困難。為此，日本的 Ogasawara 和他的研究小組嘗試將人形機器人引入到采摘機器人中。 圖 27 小型多功能遙控動力平臺 此外，日本也研制了如 BP40型號的很多小型果園運輸和管理機具，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的黃瓜采摘機器人等均采用了履帶式行走機構(gòu)。該機械平臺集成了果實采摘、果蔬剪枝、打藥等多種作業(yè)功能。同時，該作業(yè)機的研制成功標(biāo)志著我國果園單一的采摘機械進入到了多功能作業(yè)機械時代。