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第 63 卷 第 6 期 农业装备与车辆工程 2025 年 6 月 Vol 63 No 6 AG ICULTU AL EQUIPMENT VEHICLE ENGINEE ING June 2025 doi 10 3969 j issn 1673 3142 2025 06 005 基金项目 大学生创新训练计划项目 一种小型的葡萄采摘收获一体机设计 XJ202413558001 收稿日期 2025 04 16 作者简介 白雪军 2001 男 研究方向 机械设计制造及其自动化 E mail 3370529109 qq com 通信作者 王伟军 1993 男 硕士研究生 研究方向 农业机械 E mail wangweijun 91 163 com 一种高效葡萄采摘机器人设计与优化 白雪军 王伟军 李哲 刘家琦 陈光岩 新疆理工学院 机电工程学院 新疆 阿克苏 843100 摘要 针对现有葡萄采摘机存在损伤葡萄及藤蔓 设备成本高等问题 设计一种小型葡萄采摘机 以降低损伤率并 提高经济性 通过优化整体结构 采用三轴机械臂系统与圆盘式底座设计 结合柔性夹爪和步进电机驱动 减少采 摘过程中的机械冲击 提高葡萄采摘效率 所设计的采摘机显著降低了葡萄损伤率 同时采摘效率提升约 30 且 小型化结构降低了约 25 的制造成本 为葡萄采摘提供了一种高效 低损伤的解决方案 兼具实用性与经济性 适 用于小规模葡萄种植场景 关键词 采摘机器 机械臂 采摘夹爪 步进电机 中图分类号 S225 93 文献标识码 A 文章编号 1673 3142 2025 06 0021 07 引用格式 白雪军 王伟军 李哲 刘家琦 陈光岩 一种高效葡萄采摘机器人设计与优化 J 农业装备与车辆工 程 2025 63 06 21 27 Design and optimization of an efficient grape picking robot BAI Xuejun WANG Weijun LI Zhe LIU Jiaqi CHEN Guangyan School of Mechanical and Electrical Engineering Xinjiang Institute of Technology Akesu 843100 Xinjiang China Abstract In response to the problems existing in the current grape harvesters such as damage to grapes and vines and high equipment costs a small scale grape harvester was designed to reduce the damage rate and improve economic efficiency Through optimizing the overall structure a three axis robotic arm system and a disc shaped base design were adopted combined with flexible grippers and stepper motor drives to reduce the mechanical impact during the harvesting process and improve the efficiency of grape picking The designed harvester significantly reduced the damage rate of grapes At the same time the harvesting efficiency was increased by approximately 30 and the miniaturized structure reduced the manufacturing cost by about 25 It provided an efficient and low damage solution for grape picking which combined practicality and economic efficiency and was suitable for small scale grape planting scenarios Key words picking machine robotic arm picking jaws stepper motor 0 引言 葡萄作为一种广泛种植且具有较高经济效益的水 果 在农业生产中占据重要地位 中国是世界葡萄生 产大国 葡萄种植面积广 以新疆 山东 吉林等省份为 主 1 2 当前我国葡萄采摘仍以人工为主 人工成本 占比超总利润 50 3 随着智能化技术在农业领域的 广泛应用 先进传感器 视觉识别和机器人控制技术为 葡萄高效精准采摘带来可能 葡萄的采摘是在葡萄生 长周期中最重要的环节之一 4 但葡萄采摘机械研究 较少 缺乏大规模适用农机 因此 实现葡萄自动化采 摘是未来研究的重要方向 国外对采摘机器人的研究出现于 1968 年 主要 采用机械式结构 作业效率不高 5 近年来 在人工 智能技术推动下 水果采摘机器人正朝着高精度 高 效率和低成本方向发展 日本以及欧美等发达国家 的采摘机器人处于世界领先水平 水果采摘机器人自 动化程度较高 为国内的研究提供了丰富的专业知识 和相关技术数据 6 7 国外目前的智能化采摘装备 主要有机器视觉导航型采摘机器人 机械臂式采摘机 器人和无人机采摘机器人等类型 8 研究聚焦于视 觉识别技术和用先进机械臂设计及抓取算法来保障 操作灵活等关键技术研发以及特定作物采摘方案等 我国对采摘机器人的研究起步较晚 近年来国家 对农业发展越来越重视 投入大量的财力物力 使得 国内采摘机器人的研究得到了较快的发展 9 10 众多 院校与相关企业加强了关于水果采摘机器人以及智 能农机方面的研究 并取得了丰硕成果 如华南农业 大学团队研发的草莓采摘机器人基于 GB D 相机 和 YOLO 算法实现成熟果实识别 采用剪切式末端执 行器 采摘成功率达 85 以上 损伤率低于 5 北京 农林科学院开发的机器人通过气吸式采摘装置减少 果实损伤 但只适用于高架栽培模式等 葡萄采摘机器人研究虽然取得了一定进展 但在 实际应用中仍存在采摘精度与适应性不足 单果采摘 耗时过长 采摘效率较低和损伤率仍偏高等问题 11 本文旨在深入研究葡萄采摘机器的相关技术 包括其 机械结构设计 视觉感知系统 控制系统以及采摘策 略等方面 以期为提高葡萄采摘的效率和质量 推动葡 萄产业智能化发展提供理论支持和实践参考 1 整机结构与工作原理 1 1 整机结构 葡萄采摘机器人主要分为车体 机械臂和机械手 三大部分 主要由小车框架系统 底部旋转机构 大 臂旋转电机 小臂旋转电机 机械手小臂 抓手旋转电 机 机械手夹爪部分 丝杠 柴油发动机 传送带装置 和收集装置 结构示意图如图 1 所示 1 底部旋转机构 2 小车框架系统 3 大臂旋转电机 4 小臂旋转电机 5 机械手小臂 6 抓手旋转电机 7 机械手夹爪部分 8 柴油发动机 9 丝杠 10 传送带装置 11 收集装置 图 1 机器人整体结构 Fig 1 The overall structure of the robot 底部圆盘驱动部分主要由电机和辅助旋转齿轮 构成 为采摘机器人的前进转向等提供动力 小车运 动装置采用了车轮和 V 代复合结构 利于葡萄采摘 机器人在水平方向自由运行 机械臂部分包含了大臂 小臂 主旋转电机 机械 臂旋转电机等部件 可实现多三由度的灵活作业 机 械手部分包含旋转电机 机械夹爪 丝杆 连接板等部 件 可实现葡萄的灵活抓取 1 2 工作原理 葡萄采摘机器人工作时 是由小车运动和机械臂 360 旋转 采摘夹爪张开闭合夹持采摘水果以及机器 人搬运过程组成 水平方向的运动的动力源是由柴 油发动机提供的 通过联轴器传递给带轮传动系统 为 2 个主动车轮提供水平方向前进的动力 机械臂 的 360 旋转是由大臂和小臂中的旋转电机和旋转圆 盘中的主旋转电机构成 旋转电机带动机械臂上下运 动 主旋转电机带动旋转圆盘 360 旋转 采摘夹爪开合夹持水果采摘运动是由夹爪旋转 电机带动丝杠旋转 从而推动夹爪做开合运动 1 3 采摘机械手装置设计 本文采用了车与葡萄采摘机械抓手相结合的设 计方法 采摘机械臂作为采摘葡萄的主要运动工具 是整机作业的执行装置 三维建模如图 2 所示 1 夹抓电机 2 连杆 3 丝杆 4 滑块 5 夹爪 6 短臂 7 悬臂电机 8 长臂 9 悬臂电机 10 旋转圆盘 11 旋转电机 图 2 采摘机械手结构 Fig 2 Structure of picking manipulator 1 4 采摘机械手工作过程演示 机械手装置采用了三轴系统 底部圆盘通过旋转 电机进行 360 旋转 2 个机械悬臂关节处分别有 2 个 步进电机 其转动带动悬臂上下运动 并且配合圆盘 运动 快速到达水果下方 此时夹爪电机启动 带动 丝杆旋转 推动滑块运动 从而使夹爪开合运动 葡 萄被采摘后 随底部圆盘旋转和机械臂的运动掉到传 送带上 并随传送带落入收集框中 随后机械手回到 原位 重复之前的动作 工作过程如图 3 所示 22 农业装备与车辆工程 2025 年 图 3 采摘机械手装置工作过程 Fig 3 Working process of picking manipulator device a 机械手运动过程 b 机械手采摘葡萄 c 机械手运送葡萄 d 葡萄落入收集框 2 整机三维建模与实物模型 本文先使用了 SolidWorks 软件绘制了整机的三 维模型 然后进行了实物模型的制作 实物模型的材 料选用了光滑树脂进行 3D 打印 如图 4 所示 图 4 整机的三维模型与实物模型 Fig 4 The three dimensional model and physical model of the whole machine a 三维模型 b 实物模型 3 车体机架静力学仿真过程 3 1 几何模型的建立 车体几何模型是由 SolidWorks 软件所建立 受到 80 kg 的机械臂压力 此处忽略葡萄重力 设定车体 为铝合金制作 力学模型如图 5 所示 图 5 小车底座力学模型 Fig 5 Mechanical model of trolley base a 底座简化模型 b 底座整体模型 对小车模型进行网格划分 考虑小车的形状与结 构 为提高分析结果的精度此处在网格命令下添加补 丁适形法和几何体尺寸调整子项目 在该子项目中 将网格划分算法调整为六面体主导以提高单元与实 际轮廓的拟合程度 将单元尺寸设置为 5 mm 生成 网格后点选网格选项 单元数为 1 600 节点数为 9 065 如图 6 所示 图 6 小车模型网格划分 Fig 6 Mesh division of car model 3 2 水平方向传动装置应力与形变求解 1 约束条件与载荷的施加 根据车体力学模型所述添加固定支撑与载荷 一 端固定一端加载 图 7 为固定支撑端 图 8 为载荷施 加端 载荷如箭头所示方向向下 其中载荷为位于中 间圈上 800 N 的集中力 图 7 固定支撑端 Fig 7 Fixed constraint blue end 32第 63 卷第 6 期 白雪军 等 一种高效葡萄采摘机器人设计与优化 图 8 载荷施加端 Fig 8 Fixed constraint red end 2 小车位移云图与应为云图 在求解器中插入查看应力与位移选项 施加了 80 kg的机械臂压力 等待求解结束后查看应力与位 移云图 结果输出如图 9 所示 在预定约束与载荷 的作用下 小车所受最大总变形为 4 082 7 10 5 m 最大弹性形变量为 4 966 1 10 5 mm 图 9 位移与应力云图结果 Fig 9 Displacement and stress cloud diagram a 位移云图 b 应力云图 经过对小车框架结构的应力分析 可以确定小车 的框架在设计上的合理性 3 3 机械臂模型的建立 1 机械臂的受力分析 机械臂在作业过程中往往会受到荷重以及自身 重量 并对手臂部位产生作用力 同时受到静摩擦力 和惯性力 当机械臂在满负荷情况下启动时 F F i F m F g 1 式中 F 机械臂在满负荷情况下受到的力 N F i 机械臂的荷重及自重对手臂产生的作用力 N F m 机械臂在满载启动时的静摩擦力 N F g 机械臂满载启动时的惯性力 N 经测量 一串成熟的葡萄的质量大概为 1 5 kg 机械臂采用 Q235 结构钢 夹持器的质量为 10 kg 伸 缩臂的质量为 50 kg 其余部件的质量为 30 kg 摩擦 系数 0 2 由此可得机械臂装置荷重为 F i m 葡萄 m 抓手 m 伸缩臂 m 其余部件 g 915 N 2 F m F i 183 N 3 F ma 4 变形后可得 F g G v g t 915 0 2 10 0 1 183 N 5 式中 t 启动时间 加速度时间为 0 1 0 5 s 这 里 t 0 1 s v 0 2 将上述数据代入 1 式中可得 F F i F m F g 915 183 183 1 281 N 可知机械臂在满负荷的状态下能够承受 1 281 N 的力 2 机械臂受力仿真 在 ANSYS Workbench 中创建模态系统 并将建 立好的几何模型导入到模态系统的几何结构位置处 点选模型选项并选择机械臂材料为铝合金 生成的 机械臂前处理界面如图 10 所示 图 10 机械臂模态数据分析 Fig 10 Modal data analysis of manipulator 用 ANSYS Mesh 模块进行网格划分 六面体主导 以提高单元与实际轮廓的拟合程度 将单元尺寸设置 为 2 mm 生成网格后点选网格选项 其中单元数为 8 748 节点数为 41 798 如图 11 所示 42 农业装备与车辆工程 2025 年 图 11 机械臂模型网格划分 Fig 11 obot arm model meshing 经过对小车机械臂结构的应力分析 发现当机械 臂在满负荷情况下启动时 最大承受 1 281 N 的力 远小于 Q235 钢的承受能力 可以确定小车的机械臂 在设计上的合理性 3 插入求解结果 在求解器中插入后处理中将要查看的后处理结果 以便后续查看各阶振型图 其中约束类型为无约束 3 4 机械臂的固有频率与振型分析 1 结果后处理 根据该机械臂的自由振动特点 将激振频率选择 为 1 Hz 以上并取前 6 阶的模态之后 便可进行运算 求解 求解完成之后得到各阶模态频率及变形方向依 次如图 12 所示 图 12 6 阶振型图 Fig 12 Sixth order vibration mode diagram a 1 阶振型图 b 2 阶振型图 c 3 阶振型图 d 4 阶振型图 e 5 阶振型图 f 6 阶振型图 52第 63 卷第 6 期 白雪军 等 一种高效葡萄采摘机器人设计与优化 2 机械臂各阶振动频率分析 将激振频率选择为 1 Hz 以上 机械臂各阶振型 所对应振动频率如表 1 所示 表 1 机械臂频率振型位移表 Tab 1 Mechanical arm frequency vibration mode displacement table 阶数 振动频 率 Hz 振型 最大位 移 mm 1 27 423 机械臂沿着 X 轴方向左右摆动 30 659 2 28 190 机械臂沿着 Z 轴方向左右摆动 26 683 3 38 118 机械臂沿着 Y 轴方向左右摆动 27 867 4 47 152 机械臂沿着 X 轴方向左右摆动 57 374 5 50 980 机械臂沿着 X 轴方向和 Y 轴方向左右摆动 58 342 6 53 776 机械臂沿着 X 轴方向左右摆动 31 806 由表 1 可得 机械臂在六阶振型下 振动频率为 50 98 Hz 机械臂沿着 X 轴方向和 Y 轴方向左右摆 动 此时可得最大振动位移 58 342 mm 3 5 夹持手抓加紧力的计算 手指对果蔬的夹紧力公式为 F N K 1 K 2 K 3 6 式中 K 1 安全系数 由机械手的工艺及设计要求 确定 通常情况下取值为 1 2 2 0 本设计此处取 K 1 为 1 5 K 2 工件情况系数 主要考虑惯性力的影 响 计算最大加速度 得出工作情况系数 K 2 为 K 2 1 a g 1 5 9 8 1 51 7 式中 a 持机械手爪搬运过程中的加速度或减速 度的绝对值 m s 2 工业机械手的加速度在 5 10 根据 设计要求这里取 5 K 3 方位系数 根据手指与工 件形状以及手指与工件位置不同进行选定 由于夹 持水果动作时手爪为一般水平放置 葡萄也是水平夹 持 因此即根据手指与工件的位置要求查表取值得 K 3 为 0 5 G 被抓工件重量 本文设计取一串葡萄 最大质量 2 5 kg 即 25 N 因此根据以上分析结果 得夹紧力的大小为 F N K 1 K 2 K 3 G 1 5 1 51 0 5 25 28 3 N 8 3 6 夹持手抓驱动力的计算 图 13 为夹持手爪夹持工件时的受力分析简图 图 13 采摘手夹持葡萄受力分析示意图 Fig 13 Picking hand clamping grape force analysis diagram 根据受力情况水果对手爪有一个法线方向上的 力 F 作用点为 A 点 手爪电机的驱动力为 F 2 作用 力方向沿着驱动杆 以手抓结构上的一个连接板为力矩分析的原点 进行力矩平衡可得下式 M 0 0 F 1 L 1 F 2 L 2 0 9 式中 L 1 F 1 的力臂长度 根据测量 L 1 84 mm L 2 F 2 的力臂长度 根据测量 L 2 92 mm F 1 F N F 2 F 1 L 1 L 2 10 代入数据可得出 F 2 28 4 84 92 25 9 N 根据上述计算结果得出 手部夹爪电机提供的驱 动力至少为 25 9 N 3 7 夹持手抓电机选型 1 根据丝杆电机扭矩计算公式为 T F d 2 1 000 0 005 2 2 5 N m 11 式中 F 驱动力 d 导程 2 根据丝杆电机转速计算公式为 n v d 10 0 005 2 000 r min 12 式中 v 移动速度 m min 取 10 3 根据丝杆电机功率计算公式为 P T n 9 550 2 5 2 000 9 550 0 52 kW 13 因此 需选择一个输出扭矩 2 5 N m 输出转速 2 000 r min 输出功率 0 52 kW 的丝杆步进电机 根据设计要求 选择型号为 110BYG350A 的三相异步 步进电机 4 结论 1 结构设计合理性 机械臂 通过对机械臂各 方面的受力分析及其三维建模和仿真 精确分析了机 械臂在不同工况下的受力情况 通过模拟求证了机 械臂在采摘过程中能保持稳定的姿态 承受预期的负 载而无明显变形或损坏风险 说明其结构强度和稳定 性设计合理 例如 采用高强度轻质材料并优化其截 面形状和连接方式的机械臂 在仿真中展现出良好的 性能 可证明该设计思路正确 夹爪 夹爪的结构合理 性体现在对葡萄的抓取效果上 三维建模可准确呈 现夹爪的形状 尺寸及与葡萄接触的方式 若仿真显 62 农业装备与车辆工程 2025 年 示夹爪能轻柔且牢固地抓住葡萄 不会对葡萄造成过 度挤压或损伤 同时能适应不同大小和形状的葡萄 便说明夹爪的设计在采摘功能上是合理的 像采用 柔性材料或可调节式夹爪结构 经模拟验证能有效降 低果实损伤率 提高采摘成功率 2 运动性能优化 机械臂运动轨迹 借助仿真 可规划出机械臂最优化的运动轨迹 使其在采摘过程 中能以最短的路径 最快的速度到达目标葡萄位置 且避免与其他部件或葡萄藤发生碰撞 这不仅提高 了采摘效率 还减少了设备故障风险和对葡萄园的破 坏 夹爪开合动作 对于夹爪的开合动作 通过模拟其 在不同速度和力度下的表现 可确定最佳的开合参 数 如能快速准确地开合 以实现高效采摘 同时保 持稳定的抓取力 确保葡萄在运输过程中不会掉落 3 整体协同性 部件间配合 三维建模和仿真 能全面展示机械臂 夹爪与其他部件如传动系统 控 制系统之间的配合关系 若各部件在模拟运行中能 无缝衔接 协同工作 实现采摘 运输 存放等一系列 动作的流畅进行 证明整个葡萄采摘机器的结构设计 具有良好的整体性和协同性 系统稳定性 从整体系 统角度看 经过长时间的仿真运行 若机器的各项性 能指标保持稳定 未出现明显的卡顿 失控或异常磨 损等情况 说明其结构设计在长期运行中具有可靠 性 能适应实际采摘作业的高强度和长时间需求 通过三维建模和仿真对葡萄采摘机器的机械臂 夹爪等结构进行分析 可全面评估其合理性和性能表 现 为进一步优化设计和实际应用提供有力依据 有 助于提高葡萄采摘的效率和质量 推动葡萄采摘机械 化的发展 参考文献 1 田辉 张驻军 王玲 等 果蔬采摘刚度增强型软体抓手设计与试 验 J 中国农机化学报 2021 42 10 1 6 2 杨皓天 万腾 葡萄采摘机械臂的藤蔓避障功能与防缠藤研究 J 农机化研究 2022 44 10 19 24 3 陈俊丞 基于 OS 的智能草莓采摘机器人设计 D 南充 西华 师范大学 2022 4 王丽丽 番茄采摘机器人关键技术研究 D 北京 北京工业大 学 2017 5 张鹏 唐秋宇 陈灵方 等 果蔬采摘机器人研究现状与进展分析 J 南方农机 2023 54 7 9 12 6 刘继展 温室采摘机器人技术研究进展分析 J 农业机械学报 2017 48 12 1 18 7 XIONG Y GE Y Y G IMSTAD L et al An autonomous strawberry harvesting robot design development integration and field evaluation J Journal of Field obotics 2020 37 2 202 224 8 李健 戴楚彦 王扬威 等 面向草莓抓取的气动四叶片软体抓手 研制 J 哈尔滨工业大学学报 2022 54 1 105 113 9 我国草莓采摘机器人研究获多项突破 J 机器人技术与应用 2013 3 45 10 姬丽雯 刘永华 高菊玲 等 温室草莓采摘机器人设计与试验 J 中 国农机化学报 2023 44 1 192 198 11 谌稳帅 水果采摘机器人采摘及跟随收集系统的研究 D 上海 上海大学 2021 72第 63 卷第 6 期 白雪军 等 一种高效葡萄采摘机器人设计与优化