付敏 郭世珂 張龍一 郝鎰林 李池瑤

摘要：針對(duì)獼猴桃采摘效率低、易損傷果實(shí)等問(wèn)題，應(yīng)用TRIZ理論指導(dǎo)獼猴桃采摘機(jī)的設(shè)計(jì)。通過(guò)需求分析，確定獼猴桃采摘機(jī)的作業(yè)流程?；谙到y(tǒng)功能分析識(shí)別旋擰式獼猴桃采摘末端執(zhí)行器的功能缺陷，應(yīng)用因果分析、物場(chǎng)分析等TRIZ工具對(duì)采摘末端執(zhí)行器求解創(chuàng)新方案，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)定位果樹(shù)—識(shí)別果實(shí)—剪斷果?！占麑?shí)的獼猴桃采摘機(jī)。應(yīng)用ADAMS對(duì)末端執(zhí)行器采摘?jiǎng)幼鬟M(jìn)行步態(tài)仿真、應(yīng)用MATLAB對(duì)采摘機(jī)作業(yè)空間和采摘軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，結(jié)果表明：獼猴桃采摘機(jī)采摘軌跡空間范圍為X方向行程約1.4m、Y方向行程約1.8m和Z方向行程約2.3m；采摘速度為8 s/個(gè)，末端執(zhí)行器采摘過(guò)程作業(yè)動(dòng)作平穩(wěn)連貫，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段應(yīng)用TRIZ理論，有利于產(chǎn)生高質(zhì)量、多層級(jí)的概念解，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：獼猴桃；采摘機(jī)；剪斷式；末端執(zhí)行器；TRIZ理論

中圖分類號(hào)：TH122： S225.93? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 03-0001-07

Design of kiwifruit picker based on TRIZ

Fu Min， Guo Shike， Zhang Longyi， Hao Yilin， Li Chiyao

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， 150040， China）

Abstract：

Aiming at the problems of low picking efficiency and easy damage to fruit of kiwifruit equipment， the conceptual design of kiwifruit picking machine was guided by TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）. The operation process of kiwifruit picking machine was determined by demand analysis. Based on the analysis of systematic function， the functional defects of the screw end-effector for kiwifruit picking were identified， a set of TRIZ tools including causal analysis and substance-field analysis were applied to seek innovative solutions， a new kiwifruit picking machine was innovatively designed， which could automatically locate fruit tree， identify fruit， cut fruit stem and collect fruit. ADAMS was applied for gait simulation of end-effector picking action， and MATLAB was applied for dynamic simulation of operating space and picking trajectory of the picker. The results showed that the spatial range of the picking trajectory of kiwifruit picker was about 1.4 m in the X direction， 1.8 m in the Y direction and 2.3 m in the Z direction. The picking speed was 8 seconds per kiwifruit， and the end-effector picking process was smooth and consistent， which could meet the expected design requirements. The application of? TRIZ theory in the product conceptual design stage is conducive to producing high-quality， multi-level conceptual solutions and improving product design efficiency.

Keywords：kiwifruit; pickers; cut-off; end-effector; TRIZ theory

0 引言

獼猴桃營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，具有非常大的市場(chǎng)需求。人工采摘的收獲方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，采摘效率較低［1］，因此，研究獼猴桃采摘機(jī)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)獼猴桃等果蔬采摘機(jī)器人展開(kāi)了一系列研究。Scarfe等［2］研制的4機(jī)械臂獼猴桃采摘機(jī)器人，每個(gè)機(jī)械臂上安裝一個(gè)可360°旋轉(zhuǎn)的采摘末端執(zhí)行器，每采摘一個(gè)單果，機(jī)械臂將果實(shí)放入到收集箱中；Davidson等［3］設(shè)計(jì)了一種8機(jī)械臂蘋(píng)果采摘機(jī)器人，設(shè)置有果實(shí)自動(dòng)收集器可以與機(jī)械臂協(xié)同配合，末端執(zhí)行器完成采摘后，果實(shí)將自動(dòng)被收集；Avigad等［4］設(shè)計(jì)了一款3自由度直角坐標(biāo)型機(jī)器人，配備伸縮式三指欠驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器，抓取蘋(píng)果后旋轉(zhuǎn)90°，將果梗拉拽斷裂后分離果實(shí)并收集。劉靜等［5］設(shè)計(jì)了一種2機(jī)械臂柑橘采摘機(jī)器人，設(shè)置有升降機(jī)構(gòu)可以適應(yīng)不同高度柑橘的采摘，末端執(zhí)行器通過(guò)傳感器識(shí)別柑橘，夾持柑橘后由環(huán)形剪刀剪斷柑橘果梗。

提高果實(shí)采摘效率和保證果實(shí)無(wú)損采摘是果蔬采摘機(jī)器人的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，其中無(wú)損采摘主要靠采摘機(jī)末端執(zhí)行器來(lái)保證［6］。崔永杰等［7］設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)分離式獼猴桃采摘末端執(zhí)行器，通過(guò)左右?jiàn)A持機(jī)構(gòu)夾持果實(shí)并自動(dòng)旋轉(zhuǎn)使果實(shí)與果梗分離；魏博等［8］設(shè)計(jì)了一款三指旋擰分離式柑橘采摘末端執(zhí)行器，從底部接觸柑橘，采用三指充分夾持果實(shí)，再由底座帶動(dòng)柑橘旋轉(zhuǎn)使柑橘與樹(shù)枝分離；陳子文等［9］研制了一種扭轉(zhuǎn)拉拽式番茄采摘末端執(zhí)行器，由吸持回拉機(jī)構(gòu)、果實(shí)夾持機(jī)構(gòu)、果梗分離機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)吸附、回拉、夾持、扭轉(zhuǎn)4步動(dòng)作實(shí)現(xiàn)單果采摘；Silwal等［10］研制的旋擰式蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器，由3個(gè)驅(qū)動(dòng)器及3個(gè)手指組成，手指在夾持果實(shí)后，由底座帶動(dòng)果實(shí)旋轉(zhuǎn)直至果實(shí)與果梗分離。Xiong等［11］研制了一款拉拽式草莓采摘末端執(zhí)行器，內(nèi)部設(shè)置一個(gè)容器與采摘手爪協(xié)同配合，采摘手爪“吞沒(méi)”果實(shí)后再進(jìn)行拉拽使果梗分離，果實(shí)自動(dòng)落入容器；Bulanon等［12］研制了一種折斷式采摘末端執(zhí)行器，由果梗夾持機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)果梗夾持器的兩個(gè)手指夾持果梗，夾持穩(wěn)定后由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)果梗夾持器進(jìn)行果梗的折斷；Wang等［13］研制了一種剪切式番茄采摘末端執(zhí)行器，由果實(shí)夾持機(jī)構(gòu)、果梗夾持機(jī)構(gòu)、果梗切斷機(jī)構(gòu)組成，夾持機(jī)構(gòu)套筒內(nèi)的氣囊表面安裝有壓力傳感器用以檢測(cè)夾持力大小，避免果實(shí)損傷，果實(shí)夾持穩(wěn)定后再切斷果梗。上述研究為獼猴桃等果蔬采摘技術(shù)的發(fā)展提供了有益啟示。

近年來(lái)，TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率［1416］。因此本文應(yīng)用TRIZ理論指導(dǎo)獼猴桃采摘機(jī)的設(shè)計(jì)，基于需求分析確定獼猴桃采摘機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和作業(yè)流程，應(yīng)用TRIZ工具對(duì)采摘裝置、收集裝置和移動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種果梗剪斷式的獼猴桃采摘機(jī)。

1 獼猴桃采摘機(jī)設(shè)計(jì)需求及作業(yè)流程

1.1 獼猴桃采摘機(jī)設(shè)計(jì)需求

獼猴桃采摘機(jī)設(shè)計(jì)需求包括功能需求和性能需求，如圖1所示。功能需求主要包括自動(dòng)識(shí)別果樹(shù)、識(shí)別果實(shí)、夾持果實(shí)、果梗分離、收集獼猴桃。性能需求包括可以根據(jù)果園環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)移動(dòng)裝置速度、能自動(dòng)調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器角度識(shí)別果實(shí)、能根據(jù)需要調(diào)節(jié)夾持力的大小、能快速收集獼猴桃、能充分適應(yīng)果園采摘環(huán)境。

目前種植園多采用棚架式栽培，下方空間較大，不受枝干、樹(shù)葉等干擾。獼猴桃果實(shí)質(zhì)量為100～140 g，果實(shí)直徑為40～50 mm，果梗長(zhǎng)度為43～65 mm［17］。果實(shí)采摘過(guò)程中承受的最大壓力不超過(guò)6.35 N，最小夾持力不低于1.04 N，才能保證獼猴桃果實(shí)的無(wú)損采摘［18］。根據(jù)獼猴桃物性及生長(zhǎng)環(huán)境，設(shè)計(jì)采摘機(jī)工作空間范圍：X方向行程為1.3～1.5m，Y方向行程為1.8～2.0 m，Z方向行程為2.2～2.4m；夾持果實(shí)的夾持力范圍為3～6 N；果實(shí)采摘速度為7～9 s/個(gè)。

1.2 獼猴桃采摘機(jī)作業(yè)流程

基于需求分析確定獼猴桃采摘機(jī)作業(yè)流程如圖2所示。獼猴桃采摘機(jī)的初始狀態(tài)是由人工啟動(dòng)，移動(dòng)裝置通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)自主在果園移動(dòng)識(shí)別定位獼猴桃果樹(shù)，接著由3自由度極坐標(biāo)機(jī)械臂將采摘末端執(zhí)行器上升到獼猴桃采摘區(qū)域，隨后末端執(zhí)行器通過(guò)識(shí)別果實(shí)、夾持果實(shí)、剪斷果梗一系列動(dòng)作完成對(duì)獼猴桃的采摘，最后通過(guò)自動(dòng)收集裝置收集采摘的果實(shí)。本文應(yīng)用TRIZ工具針對(duì)作業(yè)流程中涉及的采摘裝置、收集裝置和移動(dòng)裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 基于TRIZ的獼猴桃采摘機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 原型系統(tǒng)工作原理及問(wèn)題分析

2.1.1 原型系統(tǒng)工作原理

目前常見(jiàn)的旋擰式獼猴桃采摘末端執(zhí)行器［18］工作原理如圖3所示。當(dāng)采摘末端執(zhí)行器在獼猴桃適宜采摘區(qū)域時(shí)，末端執(zhí)行器先通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)出果實(shí)的位置，接著由靠近步進(jìn)電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)采摘手爪靠近果實(shí)，然后在夾持步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下采摘手爪以預(yù)設(shè)的夾持力夾持果實(shí)，最后通過(guò)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)末端執(zhí)行器整體旋轉(zhuǎn)，完成果實(shí)采摘。但是旋擰采摘時(shí)易造成果實(shí)損壞，且采摘過(guò)程還存在不易識(shí)別果實(shí)造成采摘效率較低等問(wèn)題，所以本文擬以旋擰式采摘末端執(zhí)行器為原型進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。

12.靠近步進(jìn)電機(jī)

2.1.2 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)功能分析是TRIZ理論體系中分析問(wèn)題的重要工具之一，可以清晰地反映技術(shù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、各組件之間的關(guān)系及功能作用，發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的切入點(diǎn)［19］。

技術(shù)系統(tǒng)名稱：采摘末端執(zhí)行器；主要功能：分離果實(shí)和果梗；系統(tǒng)作用對(duì)象：果實(shí)與果梗；系統(tǒng)組件：旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)、外殼、內(nèi)殼、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠副、采摘手爪、夾持步進(jìn)電機(jī)、左右旋絲杠副、識(shí)別傳感器；超系統(tǒng)組件：果實(shí)、果梗。

分析功能對(duì)象、系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件間的作用關(guān)系，建立圖4所示的系統(tǒng)功能模型圖。

由圖4可知，原型系統(tǒng)存在的功能缺陷為：（1）識(shí)別傳感器對(duì)果實(shí)識(shí)別作用不足，造成果實(shí)采摘效率低；（2）在果實(shí)被扭斷時(shí)，果梗對(duì)果實(shí)產(chǎn)生拉扯的有害反作用，易造成果實(shí)損傷；（3）因果實(shí)大小形狀不同，采摘手爪夾持果實(shí)時(shí)易出現(xiàn)夾持不到位，造成果實(shí)脫落。

2.1.3 因果分析

因果分析是現(xiàn)代TRIZ理論中另一個(gè)重要的分析問(wèn)題工具。因果分析的目的是通過(guò)研究事件發(fā)展的結(jié)果與產(chǎn)生原因之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因，尋找解決問(wèn)題的薄弱點(diǎn)［19］。

針對(duì)原型系統(tǒng)存在的功能缺陷1，進(jìn)一步應(yīng)用因果分析，得到8個(gè)導(dǎo)致果實(shí)識(shí)別效率低的關(guān)鍵原因節(jié)點(diǎn)如圖5所示，為采摘識(shí)別裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供方向。

2.2 采摘裝置設(shè)計(jì)

采摘裝置的作用是采摘果實(shí)，由識(shí)別裝置、夾持裝置和果梗分離裝置組成。針對(duì)原型獼猴桃采摘末端執(zhí)行器果實(shí)識(shí)別效率低、夾持果實(shí)不到位及旋擰采摘時(shí)易造成果實(shí)損壞的問(wèn)題，應(yīng)用TRIZ的因果分析和物場(chǎng)分析對(duì)采摘裝置中的夾持裝置、果梗分離裝置和識(shí)別裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.2.1 夾持果實(shí)裝置設(shè)計(jì)

由圖5中“識(shí)別傳感器與采摘手爪配合不足”提出方案1（圖6）：引入滾珠絲杠升降機(jī)構(gòu)，來(lái)調(diào)節(jié)采摘手爪夾持果實(shí)的位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小形狀果實(shí)的充分夾持，避免夾持過(guò)程中果實(shí)脫落。

2.2.2 果梗分離裝置設(shè)計(jì)

物場(chǎng)分析是TRIZ理論中解決問(wèn)題的工具。最基本的物場(chǎng)模型由三個(gè)基本元素組成：S2為工具（即功能執(zhí)行體），S1為作用對(duì)象（即功能接受體），F(xiàn)為它們之間的相互作用場(chǎng)。針對(duì)不完整、作用有害、作用不足的問(wèn)題物場(chǎng)模型，TRIZ通過(guò)76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行變換求解［19］。

功能缺陷2發(fā)生于果梗分離裝置，應(yīng)用TRIZ物場(chǎng)分析進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。由圖4可構(gòu)建問(wèn)題物場(chǎng)模型如圖7所示，在采摘手爪旋擰果實(shí)使果實(shí)扭斷果梗的過(guò)程中，果梗對(duì)果實(shí)產(chǎn)生拉扯的有害作用。

應(yīng)用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S1.2.3-引入超系統(tǒng)物質(zhì)S3消除有害作用，提出方案2（圖8）：在采摘手爪上方適當(dāng)空間區(qū)域設(shè)置一個(gè)剪切機(jī)構(gòu)，等到采摘手爪夾持到果實(shí)后，由剪切機(jī)構(gòu)剪斷果梗，完成果實(shí)與果梗無(wú)損分離。

2.2.3 識(shí)別果實(shí)裝置設(shè)計(jì)

由圖5中“傳感器識(shí)別角度范圍不足”，提出方案3：在末端執(zhí)行器與機(jī)械臂連接處安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸承，使其可以360°旋轉(zhuǎn)識(shí)別果實(shí)。

由圖5中“傳感器數(shù)目不足”，提出方案4：在末端執(zhí)行器采摘手爪正下方位置處，安裝4個(gè)果實(shí)識(shí)別傳感器，增大識(shí)別果實(shí)范圍，增強(qiáng)對(duì)果實(shí)的識(shí)別能力。

2.2.4 采摘裝置組成及工作原理

綜合以上概念解，設(shè)計(jì)的采摘末端執(zhí)行器如圖9所示。

機(jī)械臂將末端執(zhí)行器送到適當(dāng)?shù)牟烧獏^(qū)域，當(dāng)識(shí)別傳感器識(shí)別出果實(shí)后，機(jī)械臂停止移動(dòng)；夾持機(jī)構(gòu)在升降機(jī)構(gòu)的作用下以預(yù)設(shè)的夾持力在適當(dāng)區(qū)域夾持果實(shí)，接著剪切機(jī)構(gòu)利用相向刀片剪斷果梗，完成單果采摘。

2.3 收集裝置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)獼猴桃采摘機(jī)連續(xù)作業(yè)，收集裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)快速收集并避免損傷果實(shí)。本文設(shè)計(jì)的收集裝置如圖10所示，由軟體傳送管道、緩沖墊和果實(shí)收集箱組成。當(dāng)末端執(zhí)行器完成果實(shí)采摘后，升降機(jī)構(gòu)復(fù)位，采摘手爪打開(kāi)，果實(shí)靠自重通過(guò)軟體傳送管道進(jìn)入果實(shí)收集箱。為避免果實(shí)損傷，傳送管道內(nèi)部設(shè)有多級(jí)緩沖墊。

為了實(shí)現(xiàn)獼猴桃采摘機(jī)能夠自己移動(dòng)至獼猴桃果園采摘果實(shí)，現(xiàn)需設(shè)計(jì)一種適宜果園環(huán)境的移動(dòng)裝置。目前常見(jiàn)的機(jī)器人移動(dòng)裝置底盤(pán)種類有履帶式和輪式。因履帶式底盤(pán)接地面積大，抓地能力強(qiáng)，通過(guò)性能好，更適于獼猴桃種植園路面狀況，所以本文選用履帶式底盤(pán)作為獼猴桃采摘機(jī)的移動(dòng)裝置。

3 整機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 獼猴桃采摘機(jī)整體結(jié)構(gòu)

綜合各概念解，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種果梗剪斷式獼猴桃采摘機(jī)，三維模型如圖11所示。

履帶小車通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)果園果樹(shù)定位；機(jī)械臂在控制系統(tǒng)作用下將末端執(zhí)行器送到適宜采摘區(qū)域；當(dāng)末端執(zhí)行器通過(guò)識(shí)別傳感器識(shí)別出果實(shí)位置時(shí)，機(jī)械臂停止移動(dòng)；夾持機(jī)構(gòu)在升降機(jī)構(gòu)的作用下以預(yù)設(shè)的夾持力在適當(dāng)區(qū)域夾持果實(shí)；剪切機(jī)構(gòu)通過(guò)刀片剪斷果梗。完成上述動(dòng)作后，機(jī)械臂遠(yuǎn)離果實(shí)，升降機(jī)構(gòu)復(fù)位，采摘手爪打開(kāi)；果實(shí)通過(guò)安裝有多級(jí)緩沖墊的軟體管道落入收集箱中，完成一個(gè)單果采摘。

3.2 獼猴桃采摘機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

獼猴桃采摘機(jī)可以簡(jiǎn)化為一系列連桿組成的開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)，采用改進(jìn)型D-H方法對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析，如圖12所示。對(duì)應(yīng)的D-H參數(shù)，如表1所示。

表1中：θ1、θ2、θ3、θ4、θ5為關(guān)節(jié)變量，αi、ɑi、di、θi分別為連桿扭轉(zhuǎn)角、連桿長(zhǎng)度、連桿偏移量及關(guān)節(jié)角。

相鄰連桿坐標(biāo)系間的變換矩陣為

i-1iT=cosθi-sinθi0ai-1sinθicosαi-1cosθicosαi-1-sinαi-1-sinαi-1disinθisinαi-1cosθisinαi-1cosαi-1cosαi-1di0001（1）

將表1中各連桿參數(shù)代入式（1）中可得各連桿變換矩陣01T、12T、23T、34T、45T和56T。01T如式（2）所示。

01T=cosθ1-sinθ100sinθ1cosθ10000100000（2）

式中：i-1iT——連桿i相對(duì)于連桿i-1的齊次變換矩陣。

其中采摘機(jī)運(yùn)動(dòng)方程06T表示為末端執(zhí)行器相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿即

06T=01T12T23T34T45T56T（3）

3.2.2 采摘機(jī)工作空間分析

機(jī)器人的工作空間又稱工作范圍［20］，它的形狀、大小是決定采摘機(jī)工作能力的關(guān)鍵因素?；贛ATLAB軟件中的機(jī)器人工具箱，運(yùn)用蒙特卡洛法求得運(yùn)動(dòng)空間的近似解，通過(guò)正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式（3），求解出末端執(zhí)行器相對(duì)于基座的位置向量，再通過(guò)rand函數(shù)隨機(jī)生成多個(gè)末端位置坐標(biāo)點(diǎn)，得到工作空間云圖見(jiàn)圖13。

由圖13可知，獼猴桃采摘機(jī)工作空間為一個(gè)類似心形柱狀空間，X方向行程約1.4m；Y方向行程約1.8m；Z方向行程約2.3m，配合小車的前后移動(dòng)或者沿樹(shù)干轉(zhuǎn)動(dòng)，可以較好地滿足獼猴桃采摘空間的要求。

3.2.3 采摘軌跡動(dòng)態(tài)仿真

基于3.2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和3.2.2采摘機(jī)工作空間分析，應(yīng)用MATLAB仿真軟件對(duì)獼猴桃采摘機(jī)的整機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖14所示。

從識(shí)別第一個(gè)獼猴桃開(kāi)始，到識(shí)別出第二個(gè)獼猴桃結(jié)束總過(guò)程用時(shí)12 s，在t=0 s，獼猴桃采摘機(jī)處于初始狀態(tài)；在1～4 s，采摘機(jī)通過(guò)機(jī)械臂將末端執(zhí)行器送至果實(shí)采摘區(qū)域，且末端執(zhí)行器通過(guò)識(shí)別傳感器識(shí)別出第一個(gè)獼猴桃并前往采摘；在5～8 s，末端執(zhí)行器先后通過(guò)夾持果實(shí)、剪斷果梗、升降機(jī)構(gòu)復(fù)位及打開(kāi)采摘手爪等動(dòng)作完成對(duì)第一個(gè)獼猴桃的采摘；在9～12 s，末端執(zhí)行器通過(guò)識(shí)別傳感器識(shí)別出第二個(gè)獼猴桃并前往采摘。

仿真結(jié)果表明采摘機(jī)從開(kāi)始識(shí)別第一個(gè)果實(shí)到完成采摘用時(shí)為8 s，再到識(shí)別出第二個(gè)果實(shí)用時(shí)為4 s，在果實(shí)采摘過(guò)程，整機(jī)采摘軌跡符合獼猴桃采摘作業(yè)空間的要求。

3.2.4 末端執(zhí)行器采摘?jiǎng)幼鞣抡?/p>

為了檢驗(yàn)?zāi)┒藞?zhí)行器在果實(shí)采摘過(guò)程中，各個(gè)機(jī)構(gòu)之間是否存在干涉，采摘?jiǎng)幼魇欠衿椒€(wěn)連貫等問(wèn)題，應(yīng)用ADAMS仿真軟件對(duì)末端執(zhí)行器采摘?jiǎng)幼鬟M(jìn)行仿真分析，包括識(shí)別果實(shí)、夾持果實(shí)、剪斷果梗及升降機(jī)構(gòu)復(fù)位四個(gè)運(yùn)動(dòng)步態(tài)，仿真結(jié)果見(jiàn)圖15。

STEP1：末端執(zhí)行器通過(guò)識(shí)別傳感器識(shí)別獼猴桃；STEP2：夾持機(jī)構(gòu)在升降機(jī)構(gòu)的作用下以預(yù)設(shè)的夾持力在適當(dāng)區(qū)域夾持果實(shí)；STEP3：剪切機(jī)構(gòu)通過(guò)刀片剪斷果梗；STEP4：升降機(jī)構(gòu)復(fù)位。

仿真結(jié)果表明末端執(zhí)行器的各個(gè)機(jī)構(gòu)之間相互協(xié)調(diào)、互不干涉，作業(yè)動(dòng)作平穩(wěn)連貫，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1） 基于TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)定位果樹(shù)—識(shí)別果實(shí)—剪斷果梗—收集果實(shí)的獼猴桃采摘機(jī)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)采摘果實(shí)。

2） 所設(shè)計(jì)的采摘末端執(zhí)行器，采用相向刀片來(lái)剪斷果梗，達(dá)到無(wú)損分離果實(shí)與果梗目的；通過(guò)滾珠絲杠和導(dǎo)軌來(lái)微調(diào)采摘手爪夾持果實(shí)的位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小形狀果實(shí)的充分夾持，避免夾持過(guò)程中果實(shí)脫落。

3） 應(yīng)用ADAMS對(duì)末端執(zhí)行器采摘?jiǎng)幼鬟M(jìn)行仿真，結(jié)果表明作業(yè)動(dòng)作平穩(wěn)連貫，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求；應(yīng)用MATLAB對(duì)獼猴桃采摘機(jī)工作空間和采摘軌跡進(jìn)行仿真，結(jié)果表明采摘機(jī)工作空間范圍為X方向行程約1.4m，Y方向行程約1.8m，Z方向行程約2.3m；采摘速度為8 s/個(gè)，整機(jī)采摘軌跡符合獼猴桃采摘作業(yè)空間的要求。

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第一作者：付敏，女，1969年生，浙江金華人，博士，教授；研究方向?yàn)檗r(nóng)林機(jī)械及其創(chuàng)新設(shè)計(jì)。E-mail： fumin1996@163.com