草莓采摘机械手的设计与实现-毕业论文

摘要

在繁杂的农业生产劳动中，果蔬采摘是最重要的工序之一，本课题旨在研究草莓采摘机器人的机械手设计，实现草莓采摘、收集一体化。在保护草莓不受损伤的前提下，提高抓取效率和采摘精度。本课题基于草莓的生长分析（种植模式与农艺）设计了一种带收集装置的包裹式草莓采摘机械手。

（1）根据草莓的表皮脆弱及草莓果梗细长脆弱的特点设计了包裹式机械手，包裹式机械手与草莓的接触部分用塑料材料防止草莓表皮的损坏，以确保在采摘时不伤及草莓表皮；

（2）根据草莓个小、簇拥生长的特点和国内草莓种植多采用架式立体栽培的现状，确定了采摘、收集一体化的设计方案；

（3）采用单片机控制舵机的运动，完成抓取果盆、放下果盆、草莓包络、切割、放置等一系列动作；

（4）制造加工成零部件并组装，进行实物实验，证实方案的可行性，并根据草莓的具体种植情况和客户的要求做进一步改进。

关键词：机械手；种植模式；草莓采摘；切割方案；单片机控制

Abstract

In the complex agricultural production, fruit and vegetable picking is one of the most important processes. This subject is designed to study the manipulator design of the strawberry picking robot, and to realize the integration of strawberry picking and collecting. Under the premise of protecting strawberry from damage, improve the picking efficiency and picking accuracy. Based on the Strawberry Growth Analysis (planting mode and Agronomy), a strawberry picking manipulator with a collection device was designed.

(1) The wrapping manipulator is designed according to the fragility of strawberry and the fragility of strawberry stem. The contact part of the wrapped mechanical hand and strawberry prevents the damage of the strawberry epidermis by the plastic material, so as to ensure that the strawberry skin is not injured when the strawberry is picked.

(2) According to the characteristics of small and cluster growth of strawberry and the current situation of strawberry planting in China, the integrated design scheme of picking and collecting is determined.

(3) A single chip microcomputer is used to control the movement of the steering gear, and a series of actions such as catching fruit basin, dropping fruit basin, strawberry envelope, cutting and placing are completed.

(4) Manufacture and manufacture parts and assembly, carry out physical experiments, verify the feasibility of the scheme, and make further improvements based on the specific planting situation of strawberry and the requirements of the customers.

Key words: manipulator; planting mode; strawberry picking; cutting scheme; single chip microcomputer control

第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

我国是农业大国，农业关乎到我国经济发展的根本，随着城市化的进展和科技的不断发展，农业迎来了新的挑战。首先，劳动力不断减少，随着城市化的进展，越来越多年轻人选择进入城市而不愿意将枯燥且乏味的传统农业工作作为自己的择业方向；其次，随着人民生活水平的提高，人们要求获得更高质量的果蔬，并且食品安全问题也越发得到社会的重视；再者，资源分配不平衡现象和环境恶化也是巨大的问题，城市化进展的同时伴随着农业用地的不断减少，工业化的迅猛发展同时带来了环境的恶化。

为了解决这些问题，现代农业逐渐引进了机器人技术，农业机器人的广泛应用也将是现代农业发展的必然趋势。

农业机器人的广泛应用可以给农业带来巨大的利益：

（1）大幅度降低用人成本，解放和发展劳动力，以机器人代替人工作业，以往需要数百人劳作的整条生产线只需少数几个人管理；

（2）采用具有高精度、高可靠性、有效控制的农业机器人可以提高种植、采摘精度，在规范化、工业模式的种植模式下，生产出来的果蔬质量更高；

（3）农业机器人能做到移栽、除虫、采摘、收集等功能一体化，一机多用，大幅度提高了工作效率。

简而言之，现代农业机器人与传统农业相比，具有高精度、高柔性、高效率和低劳动强度的特点。

但是同时，农业机器人也仍然面临许多问题：

（1）农业机器人尚处于起步阶段，技术未成熟，与传统工业机器人所面对的作业对象如钣金、圆钢相比，农业机器人的作业对象是果蔬，但是果蔬质嫩易损，且由于环境不同和遗传基因的差异，种类之间、个体之间往往形状大小颜色质感各异，需要农业机器人具体对象具体分析；

（2）农业环境和工业环境不同，农业机器人的作业对象是果蔬，因此，工作场所也应是果蔬种植环境，然而不同果蔬之间种植环境不同，不同国家地区受经纬、海拔所引起的各种气候、土质变化，往往也会出现不同的种植收获模式，同种果蔬的个体采摘也会存在不同，比如晴天雨天或枝叶遮挡、果实簇拥在一起不便采摘等，因此，需要农业机器人能够具体环境具体分析；

（3）农业机器人为了实现精确定位与采摘动作，需要依靠高精度视觉传感器，但高精度的传感器往往价格过高，能够实现控制要求的传感器价格往往难以接受，价格低廉的传感器缺无法实现要求；

综上所述，农业机器人确实拥有非常光明的前景，但目前还有很多困难和阻碍。 在繁杂的农业生产劳动中，果蔬采摘是最重要、成本最高的工序之一，果蔬成熟之后需要及时收获，否则会导致过度成熟而腐烂或是因为阴雨天气而大量损失。然而传统农业以人力为主，在限时且大工作量的果蔬采摘中需要投入大量的人力成本，但随着农业用人的逐渐减少，人们需要一种新型劳动力来代替人工进行高效低成本果蔬采摘，由此，采摘机器人孕育而生。

草莓含有丰富的营养价值，富含维生素和膳食纤维，可以预防便秘，促进消化。而且草莓外形好看且口感酸甜，广受大众喜欢，在世界范围内都有大量的受众。在我国，草莓也是最受欢迎的水果之一，在国内每年有大量的草莓出产，种植面积也非常大，达到200万亩，年产量更是达到了200万吨，据统计，2007年以来，无论是从产量来看还是从草莓的种植面积来看，中国已经成为无可置疑地成为了世界上最大的草莓生产国家[1]。

与苹果、香蕉、梨等先采摘后成熟的果蔬不同，草莓成熟后才能采摘，且采摘后会快速腐烂，保存困难且可保存时间极短，因此草莓出口数量一般较少，大部分国产的草莓会针对自己国内的市场。

但是，国内的草莓采摘还是以人工采摘为主，效率低下而且人力成本较高，采摘费时，在运往市场售卖时已出现大量草莓开始腐烂，且受人工的影响，草莓的价格居高不下。

国外对于草莓采摘机器人的研究正处于起步阶段，效率仍不理想且成本过高，仍然不能满足市场需要，因此未大批量生产，由此可见，草莓采摘机机器人的研究是极具潜力的，同时，随着科技的发展，作为采摘机器人核心部件的传感器技术提升很快，因此草莓采摘机器人的研究前景非常光明。

果蔬之间各有特点，由于环境的影响和基因的不同，不同种类的果蔬具有各自不同的生物学特征，因此针对不同的果蔬也需要设计不同的采摘抓手。对于表皮脆弱的果蔬，对机械手抓持力的控制要求很高，不仅要保证夹住水果而且还要求不能破坏水果表面，对于细小且簇拥在一起的水果，在采摘时要求不能连带把周围未成熟的目标以外的水果一同采摘。本课题研究的是草莓采摘机器人的机械手设计，而草莓正是同时具备了上述两种特点，表皮脆弱、簇拥生长且个体细小，如何夹持住草莓却能同时保证不夹坏、采摘目标水果的同时将未成熟草莓分离开，这就是本课题的重点问题。本课题旨在设计出一种新型的以草莓为对象，实现采摘、收集一体化，采摘、收集同时保证表皮不受损的草莓采摘机械手，加快采摘速度，提高机械手收获率。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外采摘机器人发展现状

国外对农业机器人的研究已有很长的一段时间，对果蔬采摘机器人的研究则始于40年前。日本、美国和欧洲发达国家相继研究用于采摘番茄、黄瓜、苹果、草莓、蘑菇等果蔬的智能机器人且取得了相当不错的进展。法国、荷兰等国家相继立项重点研究采摘苹果、橙子、西红柿、西瓜等的智能采摘机器人。日本近年在采摘机器人的研究取得了相当的进展，但由于技术不够成熟且由于采用的多传感器而导致的价格较高，仍未大规模商业化普及。

采摘机器人主要由机械臂、末端执行器、视觉识别系统和行走装置、驱动装置和控制装置以上留个大块组成。

20世纪90年代，日本研制出一种采用6自由度可在倾斜棚上工作的黄瓜采摘机器人，但是由于依靠视觉系统判断目标水果导致采摘时会受叶片遮挡影响判断目标；

图1 日本黄瓜采摘机器人

20世纪90年代末，日本岗山大学研发出一种在平面栽培模式下的草莓采摘机器人，采用吸附式设计，利用草莓质轻个头小的特点，将草莓吸入管道内，再用旋转刀具将果梗割断，但是该草莓采摘机器人所需工作空间较大，限制比较大，限制了它的普及；

图2 日本草莓采摘机器人

2007年，美国加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员会合作研发一种水果采摘机器人，依靠先进的运算能力和液压技术，使其手抓拥有近似人手的灵敏度，应用现代成像技术让机器能识别和挑选各品质的果蔬，大幅度提高了采摘效率和成功率，但该机器人的成本过于昂贵，距离商业化仍有一段路要走[2]。

图3 柑橘采摘机器人

1.2.2 国内采摘机器人的进展

我国对农业机器人领域上的研究工作开始于上个世纪90年代中期。我国在农业机器人领域尚处于起步阶段，近年来国内许多高校如中国农大、江苏大学积极介入农业机器人领域研究并取得了丰硕的成果。

2004至2005年间，中国农业大学针对我国温室垄作栽培的草莓，设计了3种草莓采摘机器人，分别是桥架式、4自由度龙门式和3自由度直角坐标式草莓采摘机器人；

2006年中国农业大学研制了茄子采摘机器人，该机器人抓取成功率为89%，平均耗时为37.4s；

2007年中国农业大学研制了六自由度圆柱形黄瓜采摘机器人，该机器人运动定位精度为±2.5mm，末端执行器的采摘成功率达到93.3%。

国内果蔬种植面积广阔，随着机械成本的降低和人力成本的增高，国内农业机器人行业拥有大量的潜在客户。采摘机器人拥有广阔且光明的发展前景[3]。

1.3 发展趋势

虽然目前果蔬采摘机器人的发展取得了较大进步，但仍然由许多不足，主要体现在：（1）定位识别能力弱；（2）效率低下；（3）通用性差，价格过高；（4）专业

性。为了解决上述问题，应采取如下对策。

（1） 提供更适宜的自动化采摘环境

由于各类果蔬的生长特征不同，传统农业环境下培育的果实往往不易于自动化采摘工作，比如黄瓜直立生长，叶子容易遮挡果实，不便于获取果实的视觉信息，草莓成簇生长且成熟周期不定，采摘时容易连带采摘还未成熟的目标以外的果实。目前，许多国家都在研究不同作物的栽培模式。

（2） 多臂协作

实现高效机器人采摘的一种方法是多臂机器人采摘。 就是在移动机器人平台上安装多个机械臂，并且每个机械臂都有对应的目标水果。 来自以色列的Zion（2014）设计了一种多臂甜瓜采摘机器人，该机器人能够同时采摘大量的甜瓜。 根据多臂水果采摘的理念，Noguchi等人 （2004）也提出了一个用于野外作业的主从机器人系统。在这个多机器人系统中，机器人的高度自治能力可以让他们可以应对突发事件和阻碍。

（3） 更低的成本

为了进一步提高效率，降低生产成本，农业机器人体系需要进一步完善，实现从播种移栽、培育、喷洒、修剪到采摘和装包的全自动化管理，把劳动力完全解放出来，同时，高度的集成化和一体化又能增加控制的准确性和可靠性。

（4） 多技术之间的融合

采摘机器人所涉及的不只是机械方面的知识，还有农业、计算机控制、动力学的知识，农业机器人的进一步发展离不开多方面的合作。

1.4 采摘机械手的关键技术

由于环境的影响和基因的不同，不同种类的果蔬具有各自不同的生物学特征，因此针对不同的水果也需要设计不同的采摘抓手。对于外表皮较薄较脆的果蔬，对手爪抓持力的控制要求很高，不仅要保证夹住水果而且还要求不能夹断，对于细小且簇拥在一起的水果，在采摘时要求不能连带把周围未成熟的目标以外的水果一同采摘。

目前，果蔬采摘机器人采摘末端执行器实现果实于果梗分离一般采取两种方式，扭断果梗和切断果梗，扭断果梗的方式一般用于形状规则且质地较硬的果蔬，如苹果、柚子等，这种工作原理下的执行器多为多指式，对于草莓这类形状不规则且质地较软

的果蔬一般采取切割果梗的方式。以下将介绍几种有代表性的采摘机械手抓。

（1） 西红柿、苹果采摘机械手

西红柿果实表面较硬，可以使用扭断果梗的方式采摘，西红柿的花梗上有一关节，采摘时以三指柔性抓手抓住西红柿并将其扭断即可，不需剪切，类似的还有苹果，除了指形机械手还可以使用剪刀形机械手将果实直接剪断并夹持送入收集箱内。

（2） 小番茄采摘机械手

小番茄的特点在于质量较轻且表皮于草莓相比不易损坏，岛根大学开发了小番茄采摘机器人，该系统由机械臂、末端执行器、三维视觉传感器和计算机组成。在这个机器人中，以柔性软管充当机械手的角色。通过吸力作用将小番茄吸入管中，然而小番茄的果梗较硬，果梗拉住小番茄阻止其落入收集装置，此时末端刀片切割装置闭合，割断果梗，小番茄落入收集装置完成采摘。

（3） 草莓采摘机械手

草莓表皮柔软及其容损坏，且由于草莓于香蕉和苹果等水果不一样没有采摘后再成熟的情况，然而成熟之后的草莓非常脆弱，即使最小的挤压也会导致腐烂，因此自动化采摘比较困难。西班牙公司AGROBOT S.L根据需求开发了草莓自动采摘机器人AGROBOT SW，完成从定位采摘到自动包装的一系列工作，并保护草莓不被压破或掉落，该采摘机械手呈篮子外观，利用草莓果梗细软的特点，将果实包住并后退，在拉力的作用下果梗被拉断完成采摘。草莓采摘机械手还有一种采摘思路为柔性手抓采[7]。草莓表皮脆弱，而柔性机械手是采用软体材料用气动控制，仿照人手握住草莓，再配合一个割断装置割断果梗。

1.5 本课题主要研究内容

草莓与苹果、梨等果蔬不同，具有表皮易损坏、可保存时间短、个体之间形状大小区别大的特性。如何高效率低损伤进行草莓采摘工作至今仍是一个难题。

本课题的任务是通过对草莓种植模式和草莓果实力学特性分析，设计一种新型的草莓采摘机械手。该机械手能同时完成采摘与收集工作，要求该机械手抓取草莓时对草莓的外形大小变化有足够的自适应能力，机械手在采摘时完全包络住草莓且完成无损采摘，结构简单并且成本较低，能够适应市场需求，适宜于在机器人采集系统中使用。

第二章 草莓采摘机械手方案设计

2.1 草莓果实生长分析（种植模式与农艺）

草莓种植模式按种植介质不同可以分为土壤种植与无土种植；按环境利用方案不同可以分为空间立体种植、地面式立体种植。

立体种植方案是一种能够充分利用阳光与空间资源的一种无土栽培方式。草莓立体种植方案省力、便于管理且高效率，能够在有限的空间、光照条件下尽量提高草莓产量，立体种植与无土栽培结合，草莓种植不受土质影响，且采摘方便，易于实现自动化采摘，在现代草莓种植中应用较为广泛。

草莓立体种植主要有以下几种种植模式：传统架式栽培；柱状立体式栽培；墙体栽培。

2.1.1 传统架式栽培技术

架式栽培是利用分层框架充分利用立体空间的草莓种植方式，为保证光照并尽量减少遮光，一般栽培架南北拜访，栽培架之间保证适宜的间距（图4）。

图4 A字架草莓栽培

2.1.2 柱状立体式栽培技术

柱状立体栽培与架式栽培一样是以充分利用空间资源与光照为目的，但与架式栽培不同的是，架式栽培可以采用多种介质，而柱状栽培只能是土壤种植，而且此栽培模式具有光照不均匀、浇水费时等缺点（图5）。

图5 柱状立体栽培

2.1.3 墙体栽培技术

墙体栽培能有效利用空间和空间，和柱状、架式栽培相比，更加适合观赏性农业种植（图6），如绿色回廊（图7）。

图6 墙体栽培

图7 绿色回廊

2.2 草莓果实切割与夹持力分析

草莓的大小根据品种不同往往差异较大，表1是根据果实大小重量提出的草莓分级标准。

表1 草莓质量等级划分标准[1]

级别 一级品 二级品 三级品

果纵径 4.5-5.8cm 3.3-4.5cm 1.9-3.0cm

果横径 4.2-5.5cm 3.0-4.1cm 1.7-2.8cm

果重 24.1-32.6g 16.2-23.8g 7.0-15.4g

果实采摘机械手一般可分为两部分，一部分为切割装置，一部分为夹持机构，草莓采摘机械手也是如此，但与其他机械手不同的是，草莓个小表皮脆弱，果梗脆弱。草莓的果梗直径根据草莓果实的大小而不同，切割力也有所不同，但可以确定的是，割断草莓果梗所需的切割力非常小，且夹持时不应施加太大的夹持力，不宜将果实与金属部分接触，防止损坏。

2.3 草莓采摘切割与夹持方案设计

在设计草莓采摘机械手采摘方案时有设想过几种不同的切割方案，分别如下： （1）软体式三指夹持机构和剪形切割机构

软体式多指机械手是今年的研究成果，机械手仿照人手设计，灵活且不易伤及水果，可适应大小不同的各类果蔬，草莓本身表皮脆弱，因此确实软体式三指夹持方案适合于草莓，但是考虑到软体式多指机械手所需成本较高而且草莓个小，软体式机械手需要设计的比以往更加精小，如此会大大增加其成本，因此软体式三指夹持方案不是最佳的草莓夹持方案。

（2）包络式果篮夹持机构和圆刀片割断机构

草莓质轻且表皮脆弱决定了草莓无法像苹果或其他表皮较硬的水果一样采取刚性或半柔性压力式夹持方案，因此，在排除了软体式三指夹持方案的情况下应选择包络式草莓夹持方案。而草莓果梗较为细软，在西班牙的AGROBOT S.L公司更是采用了直接拉断果梗的切割方案，但考虑到拉断果梗时压力对草莓表皮质量的影响，采用由两个圆刀片构成的切割方案，虽然也是需要压力的作用，但刀片的存在大大减轻了拉断果梗所需的压力大小。

在这些条件下本课题中开发了一种新型的草莓采摘机械手，采摘与切割一体化，采摘部分由两个圆弧状篮子构成，视觉机构将草莓定位后通过机械臂运动将草莓送入篮中，采摘篮与草莓接触部分使用塑料套件，在夹持草莓时保护草莓免受损坏，两片抓手之间有圆刀片，落入篮中的草莓在机械臂的带动下向后拉动，此时果梗与刀片接触而被剪断。

2.4 本章小结

本章主要是对草莓的种植环境及栽培方式进行了调查研究。介绍了现今较为常见的三种栽培模式：传统架式栽培、柱状立体式栽培和墙体栽培，比较了这些方案的优缺点与区别。

其中传统架式栽培更加常见且运用广泛，在此立体栽培模式的基础上结合草莓个小质轻的簇拥生长、果梗细长脆弱的特点，分析在这些立体栽培模式下所合适的采摘与切割方案，最终选择了包络式草莓夹持方案与圆刀片切割方案，并在此基础上确定了采摘与收集一体化的采摘方案。此方案更加符合现在中国农业草莓的种植采摘，成本更低，效率更高而且在采摘过程中对草莓的伤害较小。

第三章 草莓采摘机械手结构设计

3.1 机械结构设计

草莓采摘机械手由连接部分、草莓夹持部分、切割刀片、收集装置、果盆夹持装置构成，如图4所示，长25cm，宽20cm，高30cm，总质量1kg。

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3

2

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6

1

图8 草莓采摘机械手

1.收集装置 2.切割刀片 3.草莓夹持部分 4.连接部分 5.传动部分 6.果盆夹持装置

3.1.1草莓夹持部分

草莓夹持部分是整个草莓采摘机械手的核心，在视觉系统定位后，草莓夹持部分在机械臂的带动下包络住草莓并用圆刀片割断草莓的果梗。草莓夹持部分单侧3D图如下（图5）。

此夹持部分由前后板件、橡胶轴套、齿轮、定位装置、圆刀片等零部件构成，由

草莓大小分析可知，草莓的果横径从最小的三级品种的2.8cm到最大的一级品的5.5cm变化，因此，夹持机构横向宽度必须大于草莓可能达到的最大果横径。在此机构中，夹持篮采用镂空设计，尽量减少了机构重量，并且在草莓与加持蓝的接触部分装有橡胶套筒，以免尖锐部分伤到草莓，每个套筒的长度都为10mm，每根轴上都套有6个套筒，因此，此夹持机构的宽度满足草莓果横径要求。

草莓果梗脆弱，较易割断，不需要特意使用电机驱动刀片割断，草莓进入草莓夹持部分后，在机械臂的作用下果梗接触到圆刀片，在机械臂施加力的作用下，果梗被割断。为了方便割断果梗，从刀片切割位置到夹持部分底部的距离不应低于草莓的果纵径，草莓中一级品果纵径最大，为4.5-5.8cm，而在所设计的草莓夹持部分中，从刀片到夹持部分底部距离为5.9cm，因此可以满足要求。

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4

2

3

图9 草莓夹持部分

1.套筒 2.定位装置 3.圆刀片 4.齿轮

草莓夹持部分有两个工作状态，第一个为草莓的收集割断状态，另一个为草莓的收集状态。在第一状态中，草莓夹持部分不做运动，全程由机械臂带动，在第二个状态中，由舵机控制，转动一定角度带动其连接的夹持篮旋转，通过齿轮带动另一侧夹持篮反向旋转，夹持篮之间缝隙扩大，使果梗已被割断的草莓落入下方的收集装置中。

为使草莓落下，夹持篮张开角度应大于草莓的果横径，我们可以通过对其示意图

（图6）的分析选取一个合适的转动角度。

计算公式分析如下：

圆心至纵向垂直轮廓距离约为35mm，垂直方向轮廓线长度约为70mm，设舵机转动角度为a，则底部横向距离为：

lsina*70*22*(3535*cosa)11.42

由于草莓果实落下时的状态不定，因此草莓夹持机构打开的缝隙应同时大于草莓的果纵径和果横径，保证无论草莓处于何种状态，草莓都能安全落下。

一级品草莓的果纵径最大为5.8mm，果横径最大为5.5mm，因此选择舵机转动角度20度时可以保证草莓下落。

若需要选取一个合适的转动角度，使草莓能够从草莓夹持机构中落下，则要求

l58mm，即：

sina*703535*cosa23.29

0.334cosa2sina

0.1515cosa25sinasin(26.56a)0.1526.56a8.6a18

即舵机转动角度至少要18°时可以保证即使是一级品中最大的草莓也可以掉落。 我们可以从以下的图片上更清楚地看到随着舵机的转动，夹持部分底部缝隙的距离的变化情况。

如图10所示，这是草莓夹持部分在第一状态的示意图，两个齿轮轴心之间的距离为80mm，夹持部分底部缝隙距离为11.42mm。

图10 当转动角度为0°时

此时设舵机带动齿轮转动10°，则底部距离变化为37mm，如图11所示。

图11 当转动角度为10°时

此时设舵机带动齿轮转动15°，则底部距离变化为50mm，如图12所示。

图12 当转动角度为15°时

此时设舵机带动齿轮转动20°，则底部距离变化为64mm，如图9所示。

图13 当转动角度为20°时

一级品草莓的果纵径最大为5.8mm，果横径最大为5.5mm，因此选择舵机转动角度20度时可以保证草莓下落。

草莓夹持装置上还有一个比较重要的部分为定位装置，由于草莓采摘机器人的工作环境多为架式草莓栽培环境，定位装置的存在可以保护草莓采摘机械手，减少碰撞，定位装置由一个半球形螺帽与弹簧组成，定位装置撞壁后，弹簧受力压缩，进行缓冲。同时，机械臂得到信号，采摘机械手已经到达指定位置，可下达下一条指令。

3.1.2 果盆夹持装置

果盆夹持装置负责草莓的收集。由于草莓个小簇拥生长的特点，草莓收集如果采用与苹果采摘或西红柿采摘同样的收集方案，效率会极度低下。苹果收集方案为收集采摘分离式，每次采摘完一个苹果机械臂收到指令将苹果放置到收集框中，再进行下一轮收集。由于苹果彼此之间距离较远、个体较大且重量较重，这个方案非常适合苹果，但不适合像草莓这种作物。

苹果重量较大，机械臂承重无法支撑放置多个苹果的收集装置，因此不适合采用采摘收集一体化方案，而草莓质轻且个头较小，再加上草莓簇拥生长的特点，如果采用与苹果采摘一样的收集方案，收集同样重量的草莓需要5倍甚至更多的工作量，因此，草莓采摘收集不可避免地需要选用效率更高的采摘收集一体化方案。

草莓收集装置是一个塑料盆，直径150mm，高度100mm，经实验测量，得到表2如下

表2 装满草莓的收集盆重量

实验次数 重量/g

第一次 487

第二次 504

第三次 533

第四次 528

其中，第一次和第二次测量采用的是小草莓，及二级品和三级品的草莓，第三次和第四次采用的是一级品的草莓。

草莓和收集盆的总重在0.5kg左右，整个采摘机械手部分重1kg左右，而机械臂的承重可达到3-5kg，也就是说，此采摘收集一体化方案是完全可行的。

果盆收集装置由一个舵机驱动，通过四杆机构使夹持臂开合，夹持部分有两个工作状态。采摘机器人开始运转时，此舵机转动，带动四杆机构，夹持臂张开，夹持一个收集盆，此为第一个工作状态。舵机归位，带动四杆机构，失去舵机力的作用，在扭簧的作用下夹持臂将收集盆夹紧，此为第二个工作状态。当收集盆装满草莓时，机械臂带动采摘机械手回到起点，再次进入第一工作状态，放下装满草莓的收集盆，换上一个空盆，再次进入第二个工作状态。

夹持臂与夹持抓之间用螺钉连接，夹持抓有一定的转动空间，因此，此果盆夹持装置不仅可以使用直径150mm的收集盆，对一定范围直径的收集盆也同样适用。

以下将讨论果盆夹持装置的开闭角度及可适用的果盆直径。

图14 四杆夹持机构

如图14所示，此为草莓采摘机械手爪的后下方四杆机构及舵机驱动机构结构图，主要由四杆机构、夹持机构、灵活抓手舵机和舵机摇臂组成，舵机转动带动摇臂转动一定角度，两侧四杆机构相反方向运动，完成夹紧和松开动作。

图15 四杆机构的结构简图

其结构简图如图15所示。连杆1长60mm，连杆2长16.5mm，舵机摇臂长20mm。在草莓采摘机械手抓取草莓时，舵机处于松弛状态，未曾转动，果盆加持机构由扭簧带动夹紧果盆，当舵机转动时，则四杆机构被向内拉动，加持机构外张，果盘掉落。

计算公式如下：四杆机构的横向尺寸变化

L02*R*cosa2*L1(Rsina)22*L2

2带入数据得L02*10*cosa2*602102*sin2a2*16.5 简化得L020cosa2036sin2a33 当a0时取得最大值，L0193mm

由于实际上连杆存在厚度，因此不可能达到能使L0取得最小值时的角度，因此，实际可取得最小L0时a的转角为两连杆相互碰撞干涉时的角度。

由于连杆的厚度为10mm，设连杆设连杆之间距离为x，则x10mm 连杆之间距离x与舵机摇臂之间的夹角为arccos(x/2R)

当x10mm时，则夹角为60°，则由此可知舵机摇臂与连杆1之间的夹角为30°。 则结合已知条件求a： 已知连杆1的长度L160mm； 摇臂半径R10mm；

2则cos30(L1R2L23)/2(L1*R)

3/2(3600100L23)/1200 L2337006003 60/sinaL3/sin30 sina60sin30/L3

arcsin0.588144或36°，此处应取144°

则由此可知，下方舵机所允许的转动角度范围为0°到144°

但考虑到避免无谓的碰撞，减少磨损，取舵机允许转动角度为0°到120°。 夹持机构前后杆长比为35mm:50mm，两夹持板件螺孔之间距离为156mm。 设可夹持果盆直径为L4,则可得L4156(L0156)*35/50 当a0时L0173mm，L4144mm 当a120时L0143mm，L4165mm

为了更直观清晰表述，下方以图像形式表述四杆机构从与水平呈0°夹角到120°的变化过程。

可以假设开始时舵机摇臂处于水平状态。此时，四杆机构外张最大，可夹持的果盆直径最小（图16）。

图16 四杆机构处于水平角度

在摇臂转动到水平方向时，连杆1和连杆2都为水平状态，如图所示。此时，

L4144mm。

图17 四杆机构处于与水平120°

当摇臂转动到与水平夹角120度时，可见图12，此时L4165mm，由此可知，通过下方舵机的转动，通过四杆机构，果盆夹持角度开合范围为144mm到165mm，连杆2宽度为10mm，当两个连杆之间相隔距离为10mm以上时则不会碰撞，在摇臂旋转到与水平夹角120度的状态时，两个连杆之间相距15mm，此时仍为安全位置，当旋转角度超过144度时才会产生碰撞，因此，可以确定此运动过程安全可靠。

虽然灵活抓手的结构，使得其可转动一定的角度，方便夹持和松开动作，但由于实际夹持果盆时，在放下果盆时摇臂还需顺时针转动一定的角度方便灵活抓手松开。因此，从以上所得数据中，我们可以认为此果盆夹持机构可以夹持直径在145mm到160mm的果盆。

3.1.3 传动部分

由于草莓采摘机械手的工作环境是在立体栽培环境下，可以理解为，在一个光整的墙上悬挂着草莓，而本课题的草莓采摘机械手的任务就是将草莓从墙上采摘收集下来。

本课题中所研发的草莓采摘机械手是采摘收集一体化机械手，收集装置是一个圆筒型收集装置，要保证在采摘时收集装置不撞墙，而在收集时草莓又能落到收集盆中，因此，我们设计了一个空间四杆机构，控制草莓夹持机构与收集盆加持机构的前后相对运动。

当采摘草莓时，收集盆后缩，当舵机控制草莓采摘篮转动时，齿轮拉动杆件，四杆机构运转，拉动收集装置向前运动，草莓落入收集盆中。舵机归位，采摘蓝回转，收集盆被四杆机构拖动再次回缩（图18）。

图18 传动部分

如图18所示，与齿轮相连的连杆将齿轮通孔与底板件之间的垂直距离变化传递到与底板相连的连杆，与底板相连的连杆将垂直距离的变化转变为横向距离的变化。

由本章第一小节草莓夹持部分中所设定，控制草莓夹持部分的旋转角度为20度，在此基础上，在SOLIDWORKS中实验，通过改变旋转角度，当舵机从0度转动到20度时，底板向后移动10个毫米的距离。

由于舵机能够提供的扭矩有限，为了降低使用力，降低传动时所需的摩擦，参考抽屉的滑槽机构设计了一个有两个滑轮带动的滑槽机构，大幅度降低了摩擦力。

3.2 工作原理

整个工作流程可以归纳如下：

第一步，开机后，下方舵机顺时针转动45°，控制草莓采摘机械手抓取一个空果盆，下方舵机归位；

第二步，草莓采摘机器人沿规定的路径行驶，视觉系统发现成熟的草莓；第三步，机械臂运转，带动机械手运动到目标草莓的下方；

第四步，机械臂运转，机械手向前运动，定位装置撞墙，弹簧缓冲后，传感器收到信号已前进至极限；

第五步，机械手向上移动，将草莓包络进采摘篮中；

第六步，机械手向后向上移动，拉扯果梗，果梗与刀片接触，果梗被割断，草莓落入采摘篮中；

第七步，上方舵机顺时针转动20°，传动机构带动收集盆前移，草莓落入收集盆中，上方舵机归位，收集盆向后缩回原位。

第八步，循环以上动作，直至收集盆收集满；

第九步，机械臂带动草莓采摘机械手回到原位，下方舵机转动，换上空收集盆，下方舵机归位；

第十步，重复以上动作，直至草莓收集任务完成。 是

包络草莓，拉断果梗 采摘篮打开，草莓掉入果盆 发现草莓，机械臂运动到指定位置 抓取空果盆 是 有空果盆 开机 否 结束 果盆已满 否

图19 草莓采摘机器人的工作流程图

3.3 选型

3.3.1 驱动方式的确定

驱动是为草莓机械抓手提供动力，控制其完成指定的动作、到达预期的位置。目前，常用的驱动方式有：液压驱动、气压驱动、电机驱动。以下，将分析各驱动方式的相应特点，以选择一种合适的驱动方式。

（1）液压驱动：液压驱动可提供的输出大、功率高、惯性小且质量较轻，但往往结构较精密，需要增设液压源，且有产生泄露的风险，但在草莓采摘机器人中不需要液压驱动来提供如此高的动力。因此，液压驱动并不适合草莓采摘机械手。

（2）气压驱动：气压驱动与液压驱动相比，成本更加低廉且结构更加简单、安全，但在同体积条件下，输出不如液压驱动，且控制精度低，不适宜对点位控制要求较高的草莓采摘机械手。

（3）电机控制：电机控制精度较高、输出转矩大，但往往不能直接驱动，需要与减速装置相连，大大增加机械结构的复杂程度和整体重量，电机大体可分为以下三种：步进电机、伺服电机、舵机。

步进电机可以直接实现数字控制，需要减速装置。控制简单，将电脉冲信号转变为角位移和线位移，靠电脉冲信号来控制角度和转动圈数，没有传感器，因此转动的角度会有偏差，且偏差一般较大，在低速运行时会出现低频震动现象，平稳性差且重量大，输出转矩低，转速不高，但同时成本低廉。

伺服电机靠传感器来控制转动位置，位置控制准确且转速可控，抗过载能力强，发热和噪音低，结构简单、体积小与步进电机相比稳定性和可靠性更强，但往往价格相对较昂贵，同样需要与减速装置相连。

舵机应用范围较广，可用于驱动智能小车这样需求功率较小的场合，也可用于航天、航海等需要大功率驱动的场合。舵机即是直流电机、减速器、电机控制器的集合体，结构轻巧，占用体积小，不需要外装减速装置。舵机靠脉宽调制信号来实现控制功能，控制精度高，体积小，重量轻，稳定性好，能提供较大扭矩，价格在步进电机与伺服电机之间。舵机适用于需要角度不断变化且有保持能力的控制系统。

经过比较发现，比起步进电机和伺服电机，舵机更适合本课题，

本课题中，需要使用两个舵机驱动，上方的舵机用于驱动采摘篮的开闭，由于采摘蓝较重且通过齿轮还连接传动部分，所需扭矩较大，

草莓采摘机械手的整体质量约为1kg，上方舵机控制的是采摘蓝的开闭，单侧采摘蓝的质量约为0.4kg，且左右两侧采摘蓝需要的驱动力矩一致，设力臂为3cm，在理想情况下，不考虑摩擦力的影响，整个运动过程中，只受重力的影响，则

MF*L8N*3CM24N*CM。

由于本计算只考虑理想情况，未考虑及摩擦力等其他情况影响，且草莓采摘篮的质量及力矩皆为估算，可能会与实际情况有所出入，因此，采用32.3N*cm的大扭力舵机较为合适。

而下方舵机用于驱动果盆夹持装置的开闭，果盆有凸边，不需要以摩擦力防止收集盆掉落，在舵机转角为0°时，由扭簧使夹持机构夹紧果盆，因此当舵机转动时，需要能够有足够的转矩使扭簧进入压缩状态，本草莓采摘机械手中采用的扭簧的线径为0.6mm，扭矩TPRcosa，扭矩不超过5N，力臂为1cm，远小于舵机能提供的最大扭矩，因此可以选择提供扭力较小的20N*cm的舵机驱动。

3.3.2 机械手材料的选择

选择草莓采摘机械手材料的时候，应该在满足采摘作业要求的前提下，尽量减轻结构的质量和体积，降低所需的材料费用，简化草莓采摘手的机械结构。减小机械臂的转动惯量和驱动力矩，提高整体机械结构的动力学性能。在本草莓采摘机械手的结构设计中，主要使用了以下两种材料：

（1）SUS304不锈钢：密度较大，硬度较大，不易刮损，延展性好，易于加工，耐腐蚀性好，在潮湿温和的环境下不易生锈。草莓采摘机械手所承担负载不大，SUS304不锈钢满足刚度和强度的前提，是制作草莓采摘机械手的理想材料。

在草莓采摘机械手中，钣金件和两条长轴均使用不锈钢材料。

表3 SUS304特性参数

屈服强度（MPa） 抗拉强度（MPa） 延伸率（%） 密度（g/cm） 耐腐蚀性

205

520

40

7.93

良好

3

均匀性 良好

韧性 良好

（2）ABS塑料：ABS材料是丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物板的简称，它是一种聚合物塑料，耐磨性好，抗冲击能力强且质轻、尺寸稳定，且耐磨性好，能够适应潮湿温和的农业种植环境。

在本草莓采摘机械手结构中，需要使用两个分度圆直径40mm的齿轮，若此两齿轮使用不锈钢材料则重量过重，因此可采用ABS材料，且ABS塑料材料对比金属材料表面更加光滑，不易对草莓造成伤害。因此，草莓采摘机械手的采摘蓝中的套筒也

可以选用ABS材料。

3.4 本章小结

本章主要是在上一章确定了采摘方案的基础下，具体设计出了一整套草莓采摘机械手的结构，主要包括采摘蓝、驱动装置、收集装置、果盆夹持机构及四杆传动部分。

本草莓采摘机械手采用包络式夹持方案，用果盆收集采摘的草莓，根据草莓的大小特征确定采摘蓝的大小尺寸和圆刀片的上下位置，根据草莓的横纵径确定采摘篮的开闭角度，根据四杆机构和果盆夹持装置的转动角度变化区间选择果盆直径。

在确定草莓采摘机械手的机械结构和整体估重后，根据机构运转所需力矩的大小及驱动成本等因素的考虑，选择舵机驱动。

在确定了草莓采摘机械手的机械结构及参数后在确保机械手质量和可靠性的前提下，为了降低成本、降低整体重量，选材上选择不锈钢制的钣金和圆钢、ABS塑料制的齿轮和轴套。

第四章 机械手的运动控制

4.1 运动控制方案

本课题中设计的草莓采摘机械手由两个舵机驱动，舵机控制可以由几种方案实现，如：FPGA控制、单片机控制。

FPGA和单片机最大的不同在于其运行速度。FPGA运行速度快运行稳定且抗干扰性强，适用于高速运行电路，但FPGA价格过高且电路结构过于复杂，编程语言不易学习。

单片机也能完成对舵机的控制，用PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，单片机系统是一个数字系统，受外界干扰较小，整个系统工作可靠。

经过对比，选择使用单片机来对两个舵机进行控制。

4.2 舵机控制

本课题的草莓采摘机械手中采用两个舵机，舵机采用单片机控制。

舵机靠脉宽调制信号来实现控制功能，信号进入信号调制芯片获得直流偏置电压。舵机内部安装有基准电路，这是产生周期为20ms、宽度为1.5ms的基准信号。将得到的偏置电压同基准电路电压比较求差值，电压差值输出，电压差的正负决定舵机顺时针还是逆时针方向转动。舵机的控制信号是PWM信号，通过占空比的变化改变舵机的转动角度。

舵机的控制需要一个20ms的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围的角度控制部分，以180°角度伺服为例，则得到下表

表4 高电平占时与舵机转动角度的对应关系

0.5ms 0°

1.0ms 45°

1.5ms 90°

2.0ms 135°

2.5ms 180°

在本草莓采摘机械手中需要使用两个舵机驱动，分别装在连接部分的上下侧，上方舵机工作中需要转动角度为顺势针20°，下方舵机需要转动角度为顺时针120°。

想让上方舵机转向左20°的角度，它的正脉冲为0.73ms，则负脉冲为20ms-0.73ms=19.27ms。

开始时发送高电平，设置定时器在0.73ms中断，中断发生后，将控制口改为低电平，并将中断时间改为19.27ms，再过19.27ms进入下一次定时中断，再改为高电平，并将定时器初值改为0.73ms，如此往复实现PWM信号输出到舵机。用修改定时器中断初值的方法形成脉冲信号，调整时间段的宽度便可使伺服电机转动。

同理，下方舵机转向左120°的角度，它的正脉冲为1.33ms，则负脉冲为20ms-1.33ms=18.67ms。

所以开始时发送高电平，然后设置定时器在1.33ms后发生中断，中断发生后，将控制口改为低电平，并将中断时间改为18.67ms，再过18.67ms进入下一次定时中断，再改为高电平，并将定时器初值改为1.33ms。

4.3 本章小结

本章主要是在确定了驱动方式的基础上，通过对比单片机控制与FPGA控制的优缺点最终选择以单片机控制整体机构所用的两个舵机。

根据舵机的运转原理学习如何控制舵机的转动方向和转动角度，最终编程完成所需的控制代码。

第六章 总结

果蔬采摘机器人在农业自动化领域扮演者非常重要的角色，而果蔬采摘机械手是果蔬采摘机器人中不可或缺的组成部分。由于果蔬之间种植模式各有不同，而果蔬种类之间形态、质量、大小各有差异，针对每种果蔬都有最优的自动化采摘方式，因此针对不同果蔬也应该设计相应的定制化采摘机械手。

本课题以草莓为对象设计了新型的草莓采摘机械手，根据草莓质轻、个小簇拥生长的特点确定了采摘、收集一体化的草莓采摘方案，根据草莓表皮脆弱易烂、果梗细长易断的特点确定了包络式夹持和拉断式切割方案；根据草莓大小尺寸的要求，完成数据运算，完成草莓采摘机械手的结构模型设计；根据收集工作的温度、湿度环境特点，同时考虑价格和重量因素选材以SUS304不锈钢为主ABS塑料为辅；对比液压驱动、气压驱动和电机驱动的优缺点，考虑到各因素选择以电机驱动，对比电机中步进电机、伺服电机和舵机的不同，考虑到驱动效率、稳定性和价格因素选择舵机驱动草莓采摘机械手，而以单片机完成控制。

本课题中使用SOLIDWORKS完成了草莓采摘机械手的结构设计并使用单片机控制舵机可完成对草莓采摘机械手的控制，然而本课题的研究还不充分,具体体现如下。

（1）首先，本课题中只是研究单一的草莓采摘机械手，而控制也是针对草莓采摘机械手而言。但是草莓采摘机器人是一个整体，草莓采摘工作需要整体各个构件的协作完成，例如与视觉系统、机械臂和移动底盘之间的相互配合。下一步的工作应该是将草莓采摘机械手装入机器人中，对草莓采摘机器人整体进行控制和实验。

（2）本课题中设计的草莓采摘机械手是针对的立体式架式栽培，而立体式架式栽培又可以有很多不同，或是立体架之间间距不同或是多层架之间每一层的高度不同，而这些变化实际存在且会确实影响草莓采摘机器人的工作空间，针对这些不同，无论是草莓采摘机械手或是草莓采摘机器人的其他构件都需要改进以适合具体采摘环境。

（3）包络式草莓采摘机械手有一个缺点在于采摘时由于草莓簇拥生长且个头小，采摘目标草莓时，可能会顺带将目标草莓上方位置的目标外未成熟草莓连带采摘下来，造成浪费。对此，下一步的研究应该针对这个现象改善采摘蓝的设计，解决这个问题。

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致谢

在苏州大学的四年本科学习生活即将结束，在这四年中有成果也有遗憾，做成了一些曾经想做的事，也有很多收获。

经过本学期近三个月的努力，我完成了草莓采摘机械手的机械设计和论文写作。从选题到草莓采摘机器人的功能思考，从功能的实现方案的选择到具体3D模型的建立，从第一次完成最初方案到不断地改进和更新换代，从出工程图到购买制作零部件，再到论文写作和最后实物的安装，一路下来，非常感谢王蓬勃老师对我的指导和帮助，为我的设计的初步功能实现和改善提供了很多建议和帮助，让我明确了每个阶段的目标。对王老师的帮助和关怀表示诚挚的谢意。

此外，感谢徐腾前辈在舵机控制实现过程中和购买零部件手续上的的大力支持和帮助，提出了很多切实有效的建议和帮助，让我学到了很多东西也加快了我的进度，让我少走了很多弯路。