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摘 要：随着我国苹果种植规模化的发展，苹果采摘机器人成为苹果机械化生产环节中最重要的一环。本文以苹果为采摘对象，研究苹果的物理性质，分析苹果采摘末端执行器组成和工作原理，结合当前苹果采摘末端执行器结构存在的不足，设计一款基于气压传动原理的苹果采摘末端执行器。
关键词：气压传动;苹果采摘;末端执行器
Design of end-Effector of Apple Picking Robot based on pneumatic transmission
Zhao Zhu
Liaoning Agricultural Technical College LiaoningYingKou 115009
Abstract：With the large-scale development of apple planting in China，apple picking robot has become the most important link in the mechanization of apple production.Taking apples as the picking object，this paper studies the physical properties of apples，analyzes the composition and working principle of the apple-picking end-effector，and designs an apple-picking end-effector based on the pneumatic transmission principle in combination with the deficiencies of the current apple-picking end-effector structure.
Key words：Pneumatic transmission;Apple picking;End-Effector
我國是世界最大的苹果种植国，产量和面积均占世界50%以上。随着苹果种植规模化和机械化的发展，苹果采摘机器人成为苹果机械化生产环节中重要一环。苹果采摘机器人最重要部位为末端执行器，末端执行器直接关系采摘质量，是整个苹果采摘机器人研究的热点和难点。一些西方发达国家在苹果采摘机器人方面研究起步早，设计出多款末端执行器，但采摘效果不理想[1]。我国对苹果采摘机器人研究起步晚，在末端执行器的设计方面存在很多不足。随着我国苹果规模化种植的发展，苹果采摘机器人需求越加强烈，设计合理高效的末端执行器具有重要现实意义。
1 采摘苹果的物理特性分析
苹果的物理特性是末端执行器设计的依据[2]。机器人采摘苹果时，手指夹持力要适宜，所施加的夹持力既不能损伤果实又要保证果实不掉落，这就需要事先对采摘对象苹果的基本物理特性和力学特性进行充分研究。
1.1 基本物理特性
根据中华人民共和国农业行业标准NY/T439-2001《苹果外观等级标准》规定，按照苹果主要品种单果重等级要求划分为特等果、一等果和二等果，规格划分如下表所示;国家标准GB/T10651-2008《鲜苹果》规定，苹果直径≥60mm为一等果，直径≥55mm为二等果。
1.2 力学特性
在利用末端执行器进行苹果夹持采摘作用时，苹果所受力学特性的相关性对作业效果影响最大。
（1）压缩、拉伸、剪切特性。苹果采摘过程，末端执行器对苹果枝条做功，施加压缩、拉伸和弯曲三种应力，三种应力不是单纯存在，是综合作用。有研究学者对苹果树枝所能承受的综合型应力进行研究，西北农林科技大学全朋坤在苹果成熟季树枝力学综合应力研究、苹果树枝的力学试验与其结构参数的联系等文章中，通过试验找到苹果树枝能承受破坏的阀值，从苹果树枝抗压最大弹性强度为261394MPa，屈服阶段强度为8.57399MPa，弹性模量为13777546MPa，树枝抗拉最大弹性强度为655138MPa，屈服阶段强度为846630MPa，弹性模量为8168531MPa，树枝的弹性弯曲正应力为76.02595MPa[3]。
（2）黏弹性特性。我们把苹果作为同时具有弹性和黏性两种特性的黏弹性体处理，先在农产品上施加一定负荷，变形量会随着时间增加而增加，这种现象称为蠕变。
四要素模型用式子表示时刻t的变形：
（3）摩擦特性。为使末端执行器能适当地夹持苹果，需掌握苹果的摩擦因数。通常采用倾斜法测定摩擦因数及滚动稳定角。查阅资料发现摩擦因数在0.3～0.9范围内变化，具体数值与表面粗糙度有关;静态稳定角在11°～18°;动态稳定角在2.5°～5°，具有与静态稳定角相反的倾向。
此外，苹果电气特性和其他特性对末端执行器的设计均有影响，有效利用苹果的特性，可实现苹果采摘机器末端执行器的高效设计。
2 苹果采摘末端执行器组成和工作原理
苹果采摘机器人主要通过各种传感器检测苹果位置，利用自动控制技术控制末端执行器实现空间移动、转动等动作，完成对检测出苹果果实的采摘。苹果采摘末端执行器作为采摘机器人的重要组成部分，由夹持机构（或吸引机构）、切割机构、动力装置、控制装置及传动装置组成。工作方式主要有两种：第一种方式是模仿人类采摘动作。末端执行器上设计夹持机构，利用夹持机构对果实进行夹持，再利用腕关节的转动模拟人掰拧果柄的动作或利用切断机构对果柄切断（或者烧断）[4]。这即需要控制适宜的夹持力又需要控制适宜的切断力。第二种方式是利用吸引力将苹果吸入末端执行器中，再利用切断机构或其他方式将果柄打断（烧断）。这种机构的一个优点是可以吸收并消除末端执行器和果实的位置偏移。
关键词：气压传动;苹果采摘;末端执行器
Design of end-Effector of Apple Picking Robot based on pneumatic transmission
Zhao Zhu
Liaoning Agricultural Technical College LiaoningYingKou 115009
Abstract：With the large-scale development of apple planting in China，apple picking robot has become the most important link in the mechanization of apple production.Taking apples as the picking object，this paper studies the physical properties of apples，analyzes the composition and working principle of the apple-picking end-effector，and designs an apple-picking end-effector based on the pneumatic transmission principle in combination with the deficiencies of the current apple-picking end-effector structure.
Key words：Pneumatic transmission;Apple picking;End-Effector
我國是世界最大的苹果种植国，产量和面积均占世界50%以上。随着苹果种植规模化和机械化的发展，苹果采摘机器人成为苹果机械化生产环节中重要一环。苹果采摘机器人最重要部位为末端执行器，末端执行器直接关系采摘质量，是整个苹果采摘机器人研究的热点和难点。一些西方发达国家在苹果采摘机器人方面研究起步早，设计出多款末端执行器，但采摘效果不理想[1]。我国对苹果采摘机器人研究起步晚，在末端执行器的设计方面存在很多不足。随着我国苹果规模化种植的发展，苹果采摘机器人需求越加强烈，设计合理高效的末端执行器具有重要现实意义。
1 采摘苹果的物理特性分析
苹果的物理特性是末端执行器设计的依据[2]。机器人采摘苹果时，手指夹持力要适宜，所施加的夹持力既不能损伤果实又要保证果实不掉落，这就需要事先对采摘对象苹果的基本物理特性和力学特性进行充分研究。
1.1 基本物理特性
根据中华人民共和国农业行业标准NY/T439-2001《苹果外观等级标准》规定，按照苹果主要品种单果重等级要求划分为特等果、一等果和二等果，规格划分如下表所示;国家标准GB/T10651-2008《鲜苹果》规定，苹果直径≥60mm为一等果，直径≥55mm为二等果。
1.2 力学特性
在利用末端执行器进行苹果夹持采摘作用时，苹果所受力学特性的相关性对作业效果影响最大。
（1）压缩、拉伸、剪切特性。苹果采摘过程，末端执行器对苹果枝条做功，施加压缩、拉伸和弯曲三种应力，三种应力不是单纯存在，是综合作用。有研究学者对苹果树枝所能承受的综合型应力进行研究，西北农林科技大学全朋坤在苹果成熟季树枝力学综合应力研究、苹果树枝的力学试验与其结构参数的联系等文章中，通过试验找到苹果树枝能承受破坏的阀值，从苹果树枝抗压最大弹性强度为261394MPa，屈服阶段强度为8.57399MPa，弹性模量为13777546MPa，树枝抗拉最大弹性强度为655138MPa，屈服阶段强度为846630MPa，弹性模量为8168531MPa，树枝的弹性弯曲正应力为76.02595MPa[3]。
（2）黏弹性特性。我们把苹果作为同时具有弹性和黏性两种特性的黏弹性体处理，先在农产品上施加一定负荷，变形量会随着时间增加而增加，这种现象称为蠕变。
四要素模型用式子表示时刻t的变形：
（3）摩擦特性。为使末端执行器能适当地夹持苹果，需掌握苹果的摩擦因数。通常采用倾斜法测定摩擦因数及滚动稳定角。查阅资料发现摩擦因数在0.3～0.9范围内变化，具体数值与表面粗糙度有关;静态稳定角在11°～18°;动态稳定角在2.5°～5°，具有与静态稳定角相反的倾向。
此外，苹果电气特性和其他特性对末端执行器的设计均有影响，有效利用苹果的特性，可实现苹果采摘机器末端执行器的高效设计。
2 苹果采摘末端执行器组成和工作原理
苹果采摘机器人主要通过各种传感器检测苹果位置，利用自动控制技术控制末端执行器实现空间移动、转动等动作，完成对检测出苹果果实的采摘。苹果采摘末端执行器作为采摘机器人的重要组成部分，由夹持机构（或吸引机构）、切割机构、动力装置、控制装置及传动装置组成。工作方式主要有两种：第一种方式是模仿人类采摘动作。末端执行器上设计夹持机构，利用夹持机构对果实进行夹持，再利用腕关节的转动模拟人掰拧果柄的动作或利用切断机构对果柄切断（或者烧断）[4]。这即需要控制适宜的夹持力又需要控制适宜的切断力。第二种方式是利用吸引力将苹果吸入末端执行器中，再利用切断机构或其他方式将果柄打断（烧断）。这种机构的一个优点是可以吸收并消除末端执行器和果实的位置偏移。