草莓无损采摘机器人末端执行器结构设计与试验_董雅文.pdf

2026年 第50卷 第2期 Journal of Mechanical Transmission 草莓无损采摘机器人末端执行器结构设计与试验 董雅文 1 李 铮 1 张宝锋 2 宋栓军 1 1 西安工程大学 机电工程学院 西安 710048 2 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院 西安 710048 摘要 目的 针对现有草莓采摘末端执行器夹持力控制不佳 易损伤果实或抓取不牢的问题 设计一种同时夹持果实与果梗的无损采摘末端执行器 通过连杆组与扭力弹簧控制最大夹持力 避 免采摘过程中果实受损 方法 首先 建立果实夹持机构的运动轨迹与输出力矩数学模型 设计适 配的扭力弹簧参数 借助Adams软件仿真运动轨迹与接触力 利用WorkBench软件的Ls Dyna模块 分析夹持时草莓的应力与变形 其次 建立果梗夹持机构模型 求解稳定夹持与切割果梗所需的力 最后 制作样机并按果梗直径分3组开展采摘试验 对比采摘前 后果实损伤程度 结果 结果表 明 该执行器可夹持直径24 60 mm的草莓 最大接触力为0 80 N 最大应力为57 640 Pa 最大变形 为0 677 mm 均在草莓耐受范围内 果梗切割最小驱动力为13 59 N 采摘成功率为95 满足草莓 无损采摘作业要求 关键词 草莓采摘机器人 末端执行器 结构设计 有限元软件 仿真分析 中图分类号 S24 TP241 DOI 10 16578 j issn 1004 2539 2026 02 018 0 引言 作为草莓生产与消费的第一大国 我国草莓产 业在农业经济中占有一定比例 随着草莓种植技术 的发展 我国的草莓种植方式也逐渐从传统的垄耕 式转变为草莓产量更大 质量更好的高架栽培式 高架栽培的草莓成熟后果实会自然垂落在高架两侧 这种果实成熟的姿态十分适合机器人自动采摘 1 6 采摘机器人的末端执行器在采摘过程中直接与草莓 接触 直接影响被采摘草莓的果品质量 由于草莓 外表非常柔软且易损 在采摘过程中如何保护草莓 不被破坏地成功采摘 相关学者做了大量研究 7 8 HAYASHI等 9 设计的草莓采摘末端执行器 采 用气动方式剪切果梗 吸盘吸附采摘草莓的抓取方 式 能高效完成采摘过程 但草莓表面并不是光滑 的球体 吸盘的吸力控制较困难 容易造成果实脱 落 YAMAMOTO等 10 设计的草莓采摘末端执行器采 用自下而上的方式从下方托住草莓 在压力传感器 感受到质量 并用喷嘴吹开其他可能造成干扰的草 莓之后 闭合手指完成草莓采摘 高义虎 11 设计的 草莓采摘末端执行器 采用机械切刀切断草莓果梗 机械爪夹持草莓果实的复合结构 需保证两者协同 驱动方可实现草莓采摘作业 但由于草莓的全部质 量需由果实与机械爪间的摩擦力承担 为保障抓取 稳定性需增大夹持力 此举极易对草莓表面造成损 伤 不利于果实保护 程鹏胜 12 设计的草莓采摘末 端执行器 采用直接夹持果梗的采摘方式 末端执 行器不与草莓果实直接接触 保护了果实表面 但 机械臂移动时产生的振动容易使较细的果梗脱落 不利于较小草莓的采摘 牛士诚 13 19 34 设计的草莓采 摘末端执行器 采用了既夹持果梗 又从下方托住 草莓果实的结构 保证了草莓的无损采摘 但采用 了多个驱动模块 增大了整体质量 使得整个采摘 器结构变得笨重 现有草莓采摘末端执行器主要有夹持果实与夹 持果梗两种采摘方式 其中 夹持果实的采摘方式 由于末端执行器会与草莓果实直接接触 容易破坏 草莓表面 因而对夹持力的输出控制要求极高 而 夹持果梗的采摘方式则对机械臂定位精度要求较高 且采摘过程中不可避免的振动容易导致果梗脱落 此 收稿日期 2024 09 08 修回日期 2024 12 27 基金项目 陕西省重点研发计划项目 2023 YBGY 349 作者简介 董雅文 女 1979年生 陕西宝鸡人 硕士 副教授 硕士研究生导师 主要研究方向为现代设计理论及应用 机器人结构 设计及图像检测 Dongyawen231 引用格式 董雅文 李铮 张宝锋 等 草莓无损采摘机器人末端执行器结构设计与试验 J 机械传动 2026 50 2 175 184 DONG Yawen LI Zheng ZHANG Baofeng et al Structure design and test of end effector for non destructive strawberry harvest robots J Journal of Mechanical Transmission 2026 50 2 175 184 175 第50卷 外 草莓采摘末端执行器整体的质量和体积不宜过 大 以减少采摘时由惯性问题导致的果实脱落 针对以上问题 本文设计了一种气电混合式驱动 的草莓采摘末端执行器 采摘器以夹持草莓果梗为 主 其承担草莓果实的质量 同时以夹持草莓果实为 辅 减少采摘中因草莓晃动造成的果实脱落 在建立 草莓采摘末端执行器三维模型的基础上 对夹持机构 进行了运动轨迹分析和夹持力矩计算 采用Adams软 件验证了机构设计方案的可行性 并使用WorkBench 软件分析了草莓在采摘过程中的受力情况 1 草莓无损采摘末端执行器结构设计 1 1 整体结构方案 草莓采摘末端执行器作为采摘过程中与果实直 接接触的机构 其性能好坏直接影响草莓是否能被 顺利采摘 其设计的根本目标是在不损伤草莓果实 的前提下高效率完成草莓采摘 本文设计的草莓无 损采摘末端执行器整体结构如图1所示 该末端执行 器由果梗夹持机构 刀片 果实夹持机构 外壳等 结构组成 1 2 草莓采摘过程及末端执行器工作原理 在草莓采摘过程中 首先 机械臂定位到待采 摘的草莓位置 其次 动力输出模块中的电动推杆 输出动力 使果实夹持机构接触到待采摘草莓 待 其保持稳定状态后 气缸驱动果梗夹持机构开始闭 合 待果梗夹持机构夹紧草莓果梗后 再通过夹持 补偿机构引导草莓果梗向刀片方向移动 直至草莓 果梗被刀片切断 然后 机械臂将草莓移动到收集 位置 最后 电动推杆收缩到初始状态 气缸驱动 果实夹持装置张开 果实被放开并收集 同时 整 个末端执行器也恢复到了初始状态 等待下一轮的 采摘 草莓采摘末端执行器在增加果实夹持装置后 可避免果实收集过程中由惯性导致的果实掉落现象 果梗夹持机构在工作过程中采用先夹紧果梗后再将 其切断的工作方式 可解决夹持剪切一体式末端执 行器在果梗先被切断后夹持装置未及时提供足够夹 持力而导致果实脱落的现象 2 果实夹持机构 2 1 果实夹持机构设计 图2为所设计的果实夹持机构模型与简图 该装 置在果梗被夹持之前就给予草莓果实一定的固定效 果 保证果实不会晃动 同时也依靠摩擦力承担部 分果实质量 可减少草莓果梗所需夹持力 由图2可知 草莓果实夹持机构工作时 首先 电动推杆伸长推动杆l 0 向上平动 其次 杆l 0 通过杆 l 1 带动l 2 绕其回转中心逆时针转动 最后 将推杆l 0 的轴向运动转化为夹指l 8 绕O点的旋转运动 此时设 置在O点的扭簧会抵消杆l 8 部分回转力矩 直到夹指 l 8 接触草莓表面 完成草莓夹持 2 2 果实夹持机构运动轨迹分析 果实夹持机构需要直接接触果实表面 为保证 果实表面不被破坏 需要严格控制其夹指的位 移 14 15 在计算夹指位移时 需要先计算该机构由平 移运动转化为旋转运动的对应角度 由于夹持机构 的两个夹指是以电动推杆的中轴线对称布置的 因 此 本次分析只取右侧进行研究 为方便表述 将 果实夹持机构按照结构功能分为运动转化部分和运 动传递部分 图3 图4分别为其运动转化部分和运 动传递部分的结构简图 图1 草莓无损末端执行器整体结构 Fig 1 Overall structure of the non destructive end effector for strawberry picking a 机构模型 b 机构简图 图2 果实夹持机构模型与机构简图 Fig 2 Model and schematic diagram of the fruit clamping mechanism 176 第2期 董雅文 等 草莓无损采摘机器人末端执行器结构设计与试验 假设推杆向上的位移为x 带动杆l 1 向上移动 使得l 2 绕其回转中心逆时针转动角度为 由图3中 的几何关系可得 a 1 l 2 sin a 2 l 1 x c l 2 1 cos l 2 1 c 2 a 1 a 2 2 l 2 1 l 2 2 1 cos 2 l 2 sin l 1 x 2 1 则转动角 与推杆位移x的关系式为 arcsin 2l 1 x x 2 2l 2 2 2l 2 l 1 x 2 l 2 2 arctan l 2 l 1 x 2 式中 l i 为连杆组中各连杆长度 mm 为杆l 2 在运 动中旋转角度 x为电动推杆位移 mm 在图4中 设定果实夹持机构杆l 6 的转动角度为 5 由余弦定理有 1 0 l 2 7 l 2 3 l 2 4 2l 3 l 4 cos 1 l 2 3 l 2 4 l 2 7 2l 4 l 7 cos 3 l 2 5 l 2 6 l 2 7 2l 6 l 7 cos 4 5 3 4 2 3 求解上式可得 5 arccos l 4 l 3 cos 0 l 2 3 l 2 4 2l 3 l 4 cos 0 arccos l 2 3 l 2 4 l 2 6 l 2 5 2l 3 l 4 cos 0 2l 6 l 2 3 l 2 4 2l 3 l 4 cos 0 2 4 图5所示为电动推杆位移x与杆l 6 旋转角度的对 应关系 图6所示为水平面内O点随其旋转所扫过的 曲线 由几何关系计算可知 该装置可夹持草莓的 最大直径为60 mm 最小可夹持直径为24 mm 符合 大部分品种草莓的尺寸要求 2 3 果实夹持机构输出力矩分析 由于末端执行器工作时速度较低 因此 可采 用静力学求解其输出力矩 16 为了得到果实夹持机 构最终施加在草莓表面的接触力 需要先求出电动 推杆在不同距离x下施加在杆l 8 上的力矩 对电动推 杆与连杆l 1 l 8 组成的力系简化并进行受力分析 图7 为其力学简图 其中 F ij 为杆l i 对杆l j 的推力 N F k 为杆l k 受到的推力 N 5 为杆l 6 在运动中旋转过 的角度 1 为杆l 2 与对角线l 7 的夹角 2 为杆l 5 与对角线l 7 的夹角 3 为F 23 与F 35 的夹 角 4 为杆l 5 与杆l 6 的夹角 M为夹指l 8 受到的转矩 N m 根据同一杆件上合力矩为0 合力偶为0 由余 图6 O点运动轨迹图 Fig 6 Motion trajectory diagram of the point O 图5 电动推杆位移和夹持机构转角关系图 Fig 5 Relation diagram between the displacement of the electric push rod and the angle of the clamping mechanism 图3 果实夹持机构运动转化部分结构简图 Fig 3 Structural diagram of the motion conversion part of the fruit clamping mechanism 图4 果实夹持机构运动传递部分结构简图 Fig 4 Structural diagram of the motion transmission part of the fruit clamping mechanism 177 第50卷 弦定理可得 F 12 cos l 2 F 23 l 3 2l 3 l 7 cos 1 l 2 3 l 2 7 l 2 4 2l 5 l 7 cos 2 l 2 5 l 2 7 l 2 6 F 35 F 23 cos 2 1 90 2l 5 l 6 cos 4 l 2 5 l 2 6 l 2 7 F 56 F 35 cos 90 4 M F 56 l 6 5 推杆位移x与夹指l 8 在O 2 点受到的力矩关系式为 M F 12 cos l 2 l 3 sin arccos l 2 5 l 2 7 l 2 6 2l 5 l 7 arccos l 2 3 l 2 7 l 2 4 2l 3 l 7 cos arcsin l 2 5 l 2 6 l 2 7 2l 5 l 6 l 6 6 若取电动推杆推力恒为5 N 则l 8 受到的力矩 如图8所示 由图8可知 随着推杆向上移动 l 8 逐渐逆时针 旋转 其所受力矩逐渐减小 这说明夹指在靠近草 莓时 施加在草莓上的力会逐渐减小 这一特性符 合保护草莓的要求 由式 6 得知 夹指l 8 在接触最大直径的草莓时 其直径为44 mm 夹指l 8 的旋转角度为34 其所受 力矩为0 068 6 N m 假设草莓位于两夹指中心位置 则可确定夹指l 8 与草莓接触点到O 2 点距离 进而算出 草莓表面所受压力为3 11 N 据文献 13 11 18 可知 草 莓表面出现破损的最小挤压力为0 9 N 因此 扭力 弹簧旋转过程中需要抵消2 21 N的挤压力 扭力弹簧输出转矩的计算式为 M O a 5 d 4 E 1 167 D m NR 7 式中 M O 为弹簧输出的转矩 N mm E为材料的刚 性模数 d为弹簧线径 mm D m 为弹簧中径 mm N为弹簧匝数 R为负荷作用的力臂 mm 弹簧参数受制于连杆组参数 本文取弹簧线径 d 0 75 mm 中径D m 10 mm 弹簧匝数N 13 选 择材料为钢琴丝 其刚性模数E 21 000 设置弹簧 初始预紧力矩为0 04 N m 则夹指l 8 受到的合力矩 如图9所示 由图9得到的结果用式 6 计算可知 最大直径 的草莓所受到的接触力为0 80 N M T g 8 式中 为夹持装置与草莓果梗的摩擦因数 M T 为 草莓果实与果梗总质量 kg g为重力加速度 m s 2 当系统处于稳定状态时 其合力为0 根据图17 中几何关系 其平衡方程为 F 1 F 2 cos F 3 cos 0 F 2 sin F 3 sin 0 F 2 F 3 9 将式 9 与式 8 联立 各个接触面的法向接触 力F 1 F 2 F 3 分别为 F 1 M T g 1 1 cos F 2 M T g 2 1 cos F 3 M T g 2 1 cos 10 分析式 10 可知 夹持装置的接触面越粗糙 其与草莓的摩擦因数越大 则需要的法向接触力 即夹持力越小 夹持装置的锯齿状凹槽越深 即 越 大 则需要的夹持力越大 但 过小不利于剪切时果 梗的稳定 综上 的最佳取值范围为15 45 成熟单个草莓质量一般不超过50 g 且单刃切 断果梗所需要的剪切力最大为10 23 N 27 夹持装 置与草莓果梗的摩擦因数 取0 4 锯齿状凹槽角 度 取30 补偿装置弹簧压缩量x 0 为10 mm 由 此计算出3个法向接触力的最小值 分别为F 1 0 54 N F 2 0 33 N F 3 0 33 N 为保证装置完成夹持 剪切的任务 所需气缸输 出的驱动力为 F F 1 F 2 cos F 2 cos kx 0 F t 11 式中 F为所需气缸输出驱动力 N k为弹簧弹性 系数 N mm F t 为果梗被切断所需剪切力 N 计算得出 所需气缸输出的驱动力F 13 59 N 由此可选用SMC公司的MHZ2 25D型号的夹指气缸 其单个夹指在给予0 7 MPa的气压下可以输出45 N 的驱动力 符合设计要求 4 试验与分析 4 1 样机制作与试验环境搭建 本文制作的末端执行器样机如图18所示 其夹 指部分采用ABS材料3D打印制作 为减轻整机质 量 其上 下连接板采用亚克力板制作 驱动气缸 选用SMC公司的MHZ2 32D型号夹指气缸 电动推 杆选用LuiLic公司的迷你型12 V电动推杆 该样机的驱动与控制回路如图19所示 主要包 括空气压缩机 电磁阀 STM32型单片机 电源 空气压缩机为气缸提供压缩空气 电磁阀控制气缸 开合 STM32型单片机控制空气压缩机与电动推杆 的供电 接收并处理薄膜压力传感器返回的压力信 号 将其显示在OLED屏上 1 电源 2 STM32型单片机 3 空气压缩机 4 电磁阀 5 气压表 图19 驱动与控制回路 Fig 19 Drive and control circuit 图18 末端执行器样机 Fig 18 Prototype of the end effector a 轴测图 b 俯视图 图17 夹持力学模型 Fig 17 Clamping mechanical model 181 第50卷 4 2 采摘试验与分析 将60颗奶油品种草莓按照果梗尺寸分为3组 分别进行采摘试验 每组草莓尺寸数据如表2所示 末端执行器采摘过程如图20所示 首先 末端 执行器定位至草莓所在位置准备采摘 果实夹持装 置开始抓握草莓 并由STM32型单片机控制其停止 其次 空气压缩机开始输出压缩空气使气缸闭合 夹持住果梗的同时切断果梗 此时完成了果实的采 摘 最后 控制电磁阀和电动推杆使末端执行器归 位 准备下一次的采摘 用采摘成功率来评价末端执行器的采摘性能 其试验结果如表3所示 由表3可知 该末端执行器在模拟采摘不同果梗 直径 2 0 3 5 mm 的草莓时 整体成功率较高 为 95 但在采摘果梗直径2 0 2 5 mm的草莓时 仍 会出现失败的情况 这是由于果梗过于细小 果梗 连带果实从果梗夹持装置的锯齿状缝隙中脱落所导 致 为解决此问题 可以将锯齿突出的角度变小 使其可以采摘更细小的果梗 而采摘果梗直径3 0 3 5 mm的草莓失败的原因是果梗过于粗壮 导致刀 片未能将果梗切断 为解决此问题 可以将空气压 缩机的两个出气口串联 或更换正压更高的空气压 缩机来确保果梗被切断 图21为草莓采摘前后的损 伤程度对比图 第1行为采摘前 第2行为采摘后 分别选择直径为35 4 28 4 24 5 mm草莓进行对 比 由图21可知 直径较大的草莓左侧表皮有轻微 的破损 而直径28 4 mm和24 5 mm的草莓表皮完 整无破损 这是因为果实夹持装置在夹持直径较大 的草莓时 草莓表面所受到的力也相对较大 而草 莓表皮是否破损也受到其自身成熟度 形状等多种 条件影响 该末端执行器能满足大部分草莓的无损 采摘要求 5 结论 1 针对目前草莓采摘自动化过程的需要及现有 的草莓采摘末端执行器存在的问题 设计了一种夹 持果梗为主 夹持果实为辅的草莓无损采摘末端执 行器 对采摘草莓及其他表皮柔软果实的末端执行 器的设计具有借鉴作用 2 分析了果实夹持机构的位移与输出力矩曲 线 并用Adams软件仿真验证了其运动轨迹与施加在 最大直径草莓上的接触力 最大为0 80 N 使用有限 元仿真分析了被夹草莓表皮与内髓的变形与应力的 分布情况 草莓表皮受到的最大应力为57 640 Pa 最大变形量为0 677 mm 草莓内髓受到的最大应力 为50 748 Pa 最大变形量为0 393 mm 均小于草莓 果实的屈服应力 3 设计了果梗夹持机构内嵌的补偿结构 以避 免果梗被切断瞬间果实掉落的风险 分析了其果梗 夹持机构与果梗的接触力及其所需的驱动力 4 制作了末端执行器样机并进行了采摘试验 通过3组不同果梗尺寸的采摘试验结果得知 采摘整 体成功率为95 分析了失败原因及解决方法 验 证了末端执行器的设计符合应用要求 图20 采摘草莓过程 Fig 20 Process of the strawberry picking 表2 试验草莓数据 Tab 2 Test strawberry data 果梗尺寸 mm 最大直径 mm 最小直径 mm 2 0 2 5 28 1 23 7 2 5 3 0 33 4 25 7 3 0 3 5 37 2 29 1 表3 采摘试验结果 Tab 3 Picking test results 果梗尺寸 mm 采摘成功率 2 0 2 5 90 2 5 3 0 100 3 0 3 5 95 a 35 4 mm b 28 4 mm c 24 5 mm 图21 草莓采摘前 后损伤程度对比 Fig 21 Comparison of damage degree of strawberries before and after picking 182 第2期 董雅文 等 草莓无损采摘机器人末端执行器结构设计与试验 参 考 文 献 1 张晓光 周天 许彦章 等 水果采摘装置的研究与开发 J 机 床与液压 2020 48 7 86 88 ZHANG Xiaoguang ZHOU Tian XU Yanzhang et al Research and development on fruit picking device J Machine Tool the minimum driving force for peduncle cutting is 13 59 N and the picking success rate is 95 which meets the requirements of non destructive strawberry picking Key words Strawberry harvest robot End effector Structural design Finite element software Simulation analysis 编辑 李立 184