摘要：為解決雙孢菇人工采摘效率低的問題，設(shè)計了一種雙孢菇采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器。該末端執(zhí)行器采用仿形彈性夾持套結(jié)構(gòu)，套筒內(nèi)填充有液性塑料，由氣缸驅(qū)動液性塑料內(nèi)推桿的伸長，使夾持套上部張開下部收縮，實現(xiàn)夾持功能。該裝置采用整體式外觀及彈性材料，可代替人工實現(xiàn)雙孢菇柔性采摘，清洗方便，有效保證了采摘質(zhì)量和清潔度。

關(guān)鍵詞：采摘;末端執(zhí)行器;設(shè)計;液性塑料

0 ? ?引言

雙孢菇（俗稱“白蘑菇”）味道鮮嫩，含有多種營養(yǎng)物質(zhì)，是全球性栽培的食用菌。隨著現(xiàn)代栽培技術(shù)的發(fā)展，工廠化生產(chǎn)已成趨勢。我國雙孢菇采用工廠化生產(chǎn)后，產(chǎn)量逐年增加，目前種植范圍遍及全國，年產(chǎn)量和年出口量均居世界前列[1]。雙孢菇工廠化栽培、采摘、檢測、分級包裝過程中，對周圍設(shè)施要求較高，如菇房的溫度、濕度、CO2含量及各種雜菌等因素對雙孢菇生產(chǎn)品質(zhì)有較大影響。目前雙孢菇的采摘為人工操作，效率較低且影響菇房環(huán)境，不利于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著勞動力日益緊缺，設(shè)計先進(jìn)的采摘、分揀機(jī)器人勢在必行。采摘、分揀機(jī)器人是一種高效的自動化裝置，其關(guān)鍵部件為機(jī)械手末端執(zhí)行器，用來夾持蘑菇，完成采摘和分揀動作。

國內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者對采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器進(jìn)行了大量的研究[2-5]，目前采摘機(jī)械手多采用剛性夾持，研究內(nèi)容多為運(yùn)動分析。雙孢菇品質(zhì)嬌嫩，對夾持力要求嚴(yán)格，不宜采用一般的剛性機(jī)械手進(jìn)行夾持。

本文設(shè)計了一種機(jī)械手末端執(zhí)行器并對夾持力進(jìn)行了分析，在機(jī)械手臂的作用下，采用柔性夾持力，完成對雙孢菇的按壓、夾持、旋轉(zhuǎn)、摘取四個動作，整體式的外形，保證了雙孢菇的品質(zhì)，容易清洗，不會對采摘對象及周圍造成污染。

1 ? ?采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器設(shè)計

雙孢菇菌絲貼基質(zhì)表面成簇生長，生長過程中，大小不一，位置方向不確定，沒有固定的行距和株距。采摘期的雙孢菇菌蓋直徑5～12 cm，白色半球形，表面光滑，具有彈性;菌柄近圓柱形，直徑1.5～3.5 cm，長4.5～9 cm。雙孢菇質(zhì)量較輕，所需的夾持力較小，在菌蓋上產(chǎn)生極小的變形量即可實現(xiàn)夾持。

用機(jī)械手去采摘雙孢菇時，不能直接用力，以免拉動根部的基質(zhì)，影響其周圍其他菇的正常生長。實際采摘時，先接觸雙孢菇，向下施加壓力，然后通過夾持套內(nèi)的圓周力夾緊雙孢菇頭部，機(jī)械手腕扭動一定角度，雙孢菇隨之轉(zhuǎn)動一定角度，雙孢菇根部脫開基質(zhì)的束縛，機(jī)械手臂抬升，完成采摘動作。因此，機(jī)器人執(zhí)行采摘動作，需要機(jī)械手臂、手腕和末端執(zhí)行器共同配合完成工作。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過控制機(jī)械手臂、手腕位置，使末端執(zhí)行器定位于空間某個預(yù)定位置。

末端執(zhí)行器是指與機(jī)械手的腕部末端相連的裝置，末端執(zhí)行器的動作由機(jī)器人控制器直接控制。機(jī)械手手腕是連接機(jī)械手手臂和末端執(zhí)行器的裝置，它的作用主要是在機(jī)械手手臂運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變末端執(zhí)行器在空間的方位，在擴(kuò)大機(jī)械手動作范圍的同時，使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。為使得末端執(zhí)行器能夠到達(dá)空間的任意位置，腕部具有獨(dú)立的自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)在空間三個坐標(biāo)軸上的轉(zhuǎn)動。本文僅研究末端執(zhí)行器，設(shè)計的末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)夾持器的向下壓力和圓周的夾緊力。

1.1 ? ?末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)組成

采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該裝置由氣缸和彈性夾持機(jī)構(gòu)組成。氣缸為動力元件，夾持套為夾緊元件。氣缸安裝在末端執(zhí)行器上端，用螺栓連接，帶動推桿上下移動。夾持套內(nèi)充填液性塑料，夾持套上部有蓋板將液性塑料封閉在球形容器內(nèi)。

夾持套外形為整體式，結(jié)構(gòu)簡單，方便清潔消毒，不會對夾持物及周圍環(huán)境造成污染，適用于對清潔度要求比較高的環(huán)境。夾緊部位為圓形，夾持角度廣，可采摘不同角度、不同大小的蘑菇。夾持套的材料為彈性材料，采用柔性夾持力，對采摘目標(biāo)施加有限的夾持力，適用于對外觀質(zhì)量要求比較高的蘑菇進(jìn)行采摘。

1.2 ? ?工作原理

在機(jī)械臂的作用下（本文不對此做研究），末端執(zhí)行器移至雙孢菇上方。氣缸工作，使推桿下移，擠壓夾持套內(nèi)部的液性塑料，使其產(chǎn)生膨脹力，夾持套產(chǎn)生微變形，一方面向下移動，對雙孢菇施加向下的壓力，另一方面夾持套上部被漲開，下部同時產(chǎn)生反方向的微變形，夾緊雙孢菇。上述兩種力同時施加在雙孢菇菇蓋上，完成按壓、夾持動作。隨后，機(jī)械手臂產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動作，帶動夾持套及雙孢菇旋轉(zhuǎn)，手臂提升，將采摘的雙孢菇移到指定位置。此時，氣缸帶動推桿上移，夾持套內(nèi)液性塑料膨脹力消失，松開雙孢菇，采摘工作結(jié)束。

2 ? ?夾持力分析

代入數(shù)據(jù)，得ΔR=0.22 mm。即該點(diǎn)的夾持變形量為0.22 mm，變形較小，對雙孢菇的影響可忽略不計。

由上述分析可知，液性塑料工作壓力對夾緊力的影響規(guī)律與推桿伸長量有關(guān)，伸長量越大，液性塑料的壓力越大，夾持套的彈性變形越大。

3 ? ?結(jié)語

本文設(shè)計了一種采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器，該裝置由氣缸和彈性夾持機(jī)構(gòu)組成，安裝在采摘機(jī)器人手臂上，配合機(jī)械手臂完成夾持、按壓動作，代替人工采摘雙孢菇，能適應(yīng)不同大小、不同方位的雙孢菇采摘，具有柔性夾持、容易清洗等特點(diǎn)。

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收稿日期：2020-01-17

作者簡介：程鼎豪（1998—），男，河南洛陽人，研究方向：機(jī)械制造及自動化。