果实采摘机械手机构设计与工作性能分析　

梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，王永维　　

（浙江大学　生物系统工程与食品科学学院，浙江　杭州　　３１００２９）　

［摘　　要］　　采摘机器人是农业机器人的一种类型，在农业生产中具有广阔的应用前景。为此，从型综合和尺寸综合两方面介绍了果实采摘机器人机械手的机构设计，并分析了机械手机构的工作空间、可操作度、避障能力、冗余空间和姿态多样性等工作性能指标以及各指标的计算方法，为果实采摘机械手的机构设计与工作性能评价提供了理论依据。　

［关键词］　　农业工程；采摘机械手；机构设计；工作性能

［中图分类号］　　　ＴＰ２４１；Ｓ２２５　　　　　［文献标识码］　　　Ａ　　　　　［文章编号］　　　１００３─１８８Ｘ（２００４）０２─０１３３─０３　　

随着农业生产的规模化、多样化与精确化，机器人技术已在育苗、扦插、移苗、组织培养、嫁接、农产品收获等方面得到应用，促使农业生产过程逐步趋于自动化和智能化。农业机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量，改善劳动条件，解决劳动力不足等问题。果实采摘是农业生产的重要环节，其季节性强、劳动量大且费用高。例如，荷兰黄瓜人工收获的费用占整个温室黄瓜生产费用的５０％［１］。采摘机器人作为农业机器人的一种类型，目前在日本、美国、荷兰等国家已有研制和初步使用，主要用于采摘番茄、黄瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑桔、甘蓝等蔬菜和水果［２］，具有很大的发展潜力。各类果实采摘机器人形式多样，但主要由机械手、末端执行器、视觉系统、控制系统与行走系统等部分组成。本文对采摘机械手机构设计与工作性能进行了分析。　

以是移动关节，主要有直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和关节型４种基本形式［４］。决定姿态的３个自由度必须是转动关节。例如，番茄采摘机械手进行采摘作业时，末端执行器模拟人手采摘动作，抓住果实、完成果实与花梗分离，需要手腕通过绕j轴旋转和绕i轴回转来实现（如图１所示）。通常实现该姿态的关节有多种配置形式，但要满足仿生要求并使结构配置简单。因此，采摘机械手的机构设计应从仿生学角度出发，根据具体作业要求，分解动作的实现方法，将机械手分成手臂和手腕两部分，参照工业机械手设计中一些关节的配置形式，选择合适的关节类型与配置。为使驱动容易实现，一般机械手关节都是单自由度的。　

１．机械手末杆关节　２．末端执行器　３．采摘目标　

图１　番茄采摘机械手手腕关节形式　

１　　采摘机械手机构设计　

机械手作为采摘机器人的主要执行部件，其功能是将末端执行器移至接近果实的位置。机械手的机构设计要根据机构的工作要求，选择合理的机构型式并求解各机构结构参数值。机构设计也称机构综合，主要包括型综合与尺寸综合。　１．１　　型综合　

型综合是在确定机械手机构参数之前，根据作业要求确定机械手机构的自由度、组成型式、关节数目和配置方式［３］。型综合有位置和姿态两方面要求。确定目标物体的空间位姿，一般需要６个自由度。决定位置的３个自由度可以是转动关节，也可

１．２　　机构选型原则　

机械手机构一般属于空间开式链。由于农业环境的复杂性、不确定性和果实分布的随机性，采摘机械手的选型既要遵循工业机械手的基本原则，又要考虑其工作特殊性。一般采摘机械手的选型原则为：　

（１）　具有最优的工作空间［４］。工作空间越大，采摘范围越广，通用性也就越好。选择关节配置时，当移动关节与转动关节混合存在时，尽量把转动关

［收稿日期］　　２００３－０４－０７　

［基金项目］　　国家自然科学基金资助项目（５０１７５１０１）　

［作者简介］　　梁喜凤（１９７６－　），女，内蒙古赤峰人，浙江大学农业生物环境工程研究所博士生，主要从事农业机器人机构方面的研究工作。