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苹果(Malus domestica)成熟后其果梗与枝条连接处连接强度降低，此处为果梗理想采摘断点，采摘时果农手抓苹果相对枝条扭动或者拉动果实，使果梗在此点与枝条断开完成采摘，正常采摘的苹果果梗完整，易于苹果的长期贮存。采摘时果农需借助梯子爬到空中的苹果附近进行采摘作业，为降低采摘劳动强度，提高采摘效率，国内外学者完成了多项研究成果。Silwal等[1]开发了一种7自由度苹果采摘机器人，机器人系统成功采摘了150个水果中的127个，平均每个果实的采摘时间为6.0 s。顾宝兴等[2]设计了移动水果采摘机器人。王海滨等[3]分析了蓝莓(Vaccinium spp.)振动采摘机理，建立了蓝莓植株采摘物理模型，推导出动力学方程，采用数学物理微分方程求解得到了蓝莓树枝稳态受迫振动输出解和采摘惯性力。邓享等[4]通过林果采摘手臂疲劳实验，建立了基于表面肌电信号的上肢肱二头肌疲劳评价模型，分析出背负式林果采摘机和手持式采摘机的手臂疲劳特性，表明背负式林果采摘机较手持式采摘机更加省力。耿雷等[5]在分析蓝莓植株生长形态、振动采摘机理的基础上，设计并研制出蓝莓采摘原理样机。李长勇等[6]设计了高架栽培草莓(Fragaria×ananassa)的采摘机器人系统, 硬件部分包括履带式行走机构、三自由度工作台、末端采摘机构。傅隆生等[7]设计了猕猴桃(Actinidia chinensis)采摘机器人专用末端执行器。王红军等[8]开发了香蕉(Musa nana)采摘机械手。张杰等[9]设计了一套基于圆柱坐标的3自由度苹果采摘机器人结构, 采摘机械臂单次运动时间平均为6.6 s, 平均运动误差值4.9 mm。李国利等[10]提出了一种多末端采摘机器人机械手结构方案, 设计了机械臂、末端执行器及其控制系统, 机器人机械臂采用主从两级结构, 从臂前端可挂接多个末端执行器。叶敏等[11]研究了采摘机器人拟人夹指机构，分析了夹持的力封闭性，建立了扰动条件下的荔枝母枝夹持模型，导出了一种夹持力计算方法，用压力机对结果母枝进行了夹持试验, 建立了夹持力、母枝直径等与抓举重力间的关系。徐丽明等[12]针对脐橙(Citrus sinensis)无损采摘的需求，基于欠驱动原理设计了一种双V型手指脐橙采摘机器人末端执行器，由吸附机构、夹持机构和旋切机构3部分组成，吸附机构可以实现果实与果簇快速分离，夹持机构能够对果实进行无损稳定夹持，旋切机构可以将果实与果梗快速分离。Li等[13]研究了手动采摘和3种机器人采摘苹果模式以了解不同采摘模式下的果实分离过程，人工采摘时可以产生对果实的弯矩，这有助于降低果实分离时对果实的压力及损伤。Zhang等[14]讨论了苹果收获机械化发展缓慢的原因，苹果半自动采摘机械由于苹果擦伤的发生率高而没有商业化，采摘机器人由于成本高而没有商业化，基于目前的研究现状，苹果采摘辅助机具更具有广泛商业化的潜力。机器人系统成本较高，不易由果农负担以及使用维护，不完全适用于我国当前的果实采摘实际需求。马质璞等[15]设计了一种剪切式的单果采摘器，采用电磁剪刀切断果梗，对电源供给有一定要求，同时剪断的果梗对苹果储存时间存在不利影响。
针对苹果采摘实际需求，提出了一种不破坏苹果果梗，不采用抓持形式擦伤苹果表面的果梗锁定—枝果分离采摘方法，设计、分析并仿真了采用该采摘方法的欠驱动双板分离式苹果采摘器，完成了该采摘器的物理样机和基本采摘实验。
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在成熟苹果的枝条和果实间果梗位置由侧方嵌入扁平形状的带有V型槽的固定板和浮动板(图 1)，使苹果果梗在采摘过程中锁定于双板内部的V型槽底部，使其不能脱离双板中间位置。驱动浮动板和固定板沿果梗上下远离，固定板隔开并抵住上方果树枝条，浮动板向下压果实上端使其向下运动，苹果带动果梗在断点位置与枝条断开，苹果即从枝条上采摘下来。果梗锁定—枝果分离的采摘方法接近人工采摘，将果梗在常规成熟断点与果树枝条分离，使完整的果梗留存于苹果，宜于果树枝条来年正常结果和苹果的长期储存。
图 1 果梗锁定-枝果分离法
Figure 1. Stem locking-branch fruit separation method
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采摘器整体结构如图 2所示，整体传动方法主要采用丝和绕丝轮形式(图 3)。固定板安装在壳体顶部，壳体内安装有导轨滑块机构，浮动板安装在滑块上可沿导轨上下移动，浮动板下方与壳体底部之间设置有复位压簧T3。固定板和浮动板均为V型开口槽薄板结构，方便两板顺利进入枝条和果实之间并使果梗滑入V型开口槽底部。固定板和浮动板各自内部设置有参数相同、结构对称的两套曲柄摇杆果梗锁定机构。图 3中浮动板锁定机构的主动件为丝轮2，丝轮2可通过连杆驱动摇杆，使摇杆上的锁定杆转动将浮动板V型槽底部封闭，果梗即可被锁定在浮动板中间部位，丝轮2上设有复位拉簧T2。壳体固定在外管顶端，外管内设置内管，外管和内管的底部由摇杆滑块机构相连，压动手柄使内管相对外管向下运动。内管通过钢丝和滑轮向下拉钢丝S1和S2，钢丝S1和S2由绕丝轮改变方向后可单向拉动固定板和浮动板中锁定机构的丝轮1(固定板中的锁定丝轮)和丝轮2(图 3)。果梗锁定机构中的拉簧T1(固定板中的复位拉簧)和T2的弹性系数相同均小于压簧T3的弹性系数，压动手柄时钢丝S1和S2首先拉动丝轮1和丝轮2，克服拉簧T1和T2后丝轮1和丝轮2转动，使两个锁定杆封闭V型槽，直至丝轮1和丝轮2到达锁定物理限位。此刻连杆与丝轮曲柄处于共线状态，锁定机构处于反向死点位置，果梗无法脱离V型槽底部(图 3)。继续驱动手柄运动，丝轮1限制了钢丝S2运动，丝轮2限制了钢丝S1和浮动板间的相对运动，钢丝S1和浮动板结为一体，只能拉动钢丝S1带动浮动板克服压簧T3向下移动，即实现浮动板和固定板在锁定果梗后的相互分离，浮动板向下压动苹果上部，直至苹果带动果柄在正常成熟断点与果树枝条断裂分离。苹果采摘完成后，手柄反向运动时，在压簧T3作用下浮动板首先向上复位与固定板贴合，复位完成后浮动板和固定板中的锁定机构在复位拉簧T1和T2作用下解锁复位，V型槽重新完全打开缺口，准备下次采摘动作。
图 2 采摘器结构
Figure 2. Structure of harvestor
图 3 采摘器传动机构
Figure 3. Transmission of harvestor
采摘器整体采用一个手柄驱动，利用拉簧T1、T2和压簧T3的不同弹性系数，实现了果梗锁定和双板分离的顺序动作，摘果器中的各个零部件的逻辑动作顺序如图 4所示。
图 4 摘果器动作逻辑顺序
Figure 4. Logical motion sequence of the harvestor
浮动板中锁定机构的几何模型如图 3所示，各杆长度分别为l01、l02、l03和l04，各杆转角分别为θ1、θ2和θ3，其运动方程可写为：
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{l_{01}}\cos {\theta _1} + {l_{02}}\cos {\theta _2} = {l_{03}}\cos {\theta _3} - {l_{04}}}\\ {{l_{01}}\sin {\theta _1} + {l_{02}}\sin {\theta _2} = {l_{03}}\sin {\theta _3}} \end{array}} \right. $$ (1) 摘果器的驱动部分如图 3底部所示为摇杆滑块机构，各杆长度分别为l1、l2，滑块偏距为d0，各杆转角分别为α1、α2，输出运动为滑块的竖直方向位移s，其运动方程可为：
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{l_1}\cos {\alpha _1} + {l_2}\cos {\alpha _2} = s}\\ {{l_1}\sin {\alpha _1} + {l_2}\sin {\alpha _2} - {d_0} = 0} \end{array}} \right. $$ (2) 在摘果器锁定果梗的过程中，钢丝S1和钢丝S2在运动过程中的位移s1、s2与驱动机构中滑块的输出位移s之间的关系为：
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{s_1} + {s_2} = 2s}\\ {{s_1} = {s_2}} \end{array}} \right. $$ (3) 钢丝S2驱动丝轮2转动的运动关系为：
$$ \Delta {\theta _1} = \Delta {s_2}/r $$ (4) 式中：Δs2为钢丝S2的移动量，r为丝轮2的半径，固定板锁定机构模型与浮动板锁定机构参数相同。
联立式(1)、(2)、(3)、(4)得到锁定机构锁定果梗过程中锁定杆转角θ3和浮动板分离位移s3相对于驱动手柄转角α1的关系为式(5)：
$$ \left\{ \begin{array}{l} {\theta _3} = 2\arctan \frac{{\sqrt {{{\left( { - 2{l_{03}}{l_{04}} - 2{l_{01}}{l_{03}}\cos {\theta _1}} \right)}^2} + {{\left( {2{l_{01}}{l_{03}}\sin {\theta _1}} \right)}^2} - {{\left( {l_{01}^2 + l_{03}^2 + l_{04}^2 - l_{02}^2 + 2{l_{01}}{l_{04}}\cos {\theta _1}} \right)}^2}} }}{{l_1^2 + l_3^2 + l_4^2 - l_2^2 + 2{l_1}{l_4}\cos {\theta _1} + 2{l_3}{l_4} + 2{l_1}{l_3}\cos {\theta _1}}}\\ {\theta _1} = {l_1}\cos {\alpha _1} - \sqrt {l_2^2 - d_0^2 - {l_1}{{\sin }^2}{\alpha _1} + 2{l_1}{d_0}\sin {\alpha _1}} \\ {s_3} = 0 \end{array} \right. $$ (5) 当锁定机构到达锁定位置后，钢丝S2只能拉动浮动板向下运动，其下移位移s3与滑块驱动位移s之间的关系为：
$$ \left\{ \begin{array}{l} {\theta _3} = 固定值\\ {s_3} = 2s \end{array} \right. $$ (6) 综合式(5)和式(6)可得摘果器工作过程中锁定杆转角和浮动板位移期望运动曲线(图 5)，横坐标为驱动手柄转角，工作初期两个锁定杆的转角θ3均从θ3=314°位置开始转动，驱动角α1到达159°时锁定杆锁定完成，此刻转角θ3=227°。之后锁定杆转角θ3保持不变，钢丝S2不动；S1向下拉动，浮动板下移分离；α1到达162.5°时，浮动板下移47.6 mm，完成枝果分离。反行程时，上述动作反向进行，首先浮动板上移复位，之后两个锁定杆转角复位。
图 5 锁定杆和浮动板期望运动
Figure 5. Expected motion of the lock bar and float plane
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由Solidworks软件构建摘果器三维模型，简化转换为.x_t格式文件导入Adams2013软件进行动作仿真(Adasm2013软件无法对软性钢丝进行建模仿真，将钢丝与丝轮传动转化为齿轮齿条形式进行替代仿真)，仿真模型如图 6所示。设置零件材料为铝合金，定义零件约束和碰撞关系，设置丝轮、浮动板和壳体之间的复位拉簧特性，定义齿条运动后仿真得到锁定杆转角和浮动板位移相对于手柄转角的时域响应曲线(图 7)。在正行程阶段(0~2.5 s)，两个锁定杆转角与图 5中转角位移基本一致，但由于两个复位拉簧T1和T2在仿真环境中的模型不能保证完全一致，因此两个锁定杆转角不完全一致，与设计曲线存在偏差，导致浮动板位移在运动过程中存在振动情况。当两个锁定杆转角全部达到极限后，浮动板位移开始线性变化直至其自身运动极限。在反行程阶段(2.5~5 s)，锁定杆转角和浮动板运动曲线与正行程阶段完全对称，符合图 4所示的摘果器期望逻辑动作。
图 6 摘果器仿真模型
Figure 6. Simulation model of the harvestor
图 7 采摘器传动机构时域响应曲线
Figure 7. Response curve of harvestor transmission in time domain
在一个运行循环中，驱动手柄关节点处的驱动力仿真曲线如图 8所示，在1 s附近驱动力存在抖动，原因仍是两个复位拉簧T1和T2在仿真环境中的模型不完全一致，同时在浮动板下移过程中，也存在驱动力的振动变化。在果梗锁定及双板分离的两个阶段，驱动力基本均为线性变化，且双板分离过程中驱动力的变化斜率大于果梗锁定过程中驱动力的变化斜率，与T3弹簧弹性系数大于T1和T2弹簧弹性系数的初始设定一致。
图 8 摘果器驱动关节驱动力仿真曲线
Figure 8. Simulation cure of drive force of the harvestor drive joint
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果园中苹果树高约为3.5 m左右，目前人工采摘时所使用爬梯高度约为1.7 m，为使果农站在地面即可完成高处果实采摘，摘果器的高度初步设定为1.7 m左右。应用3D打印机用树脂材料制作了采摘器的果梗锁定机构和双板分离机构的非标零件，摇杆滑块驱动单元及内管、外管均采用铝合金管材加工制作，完成了样机的制作和调试，如图 9所示。摘果器浮动板下方20 cm处设置有集果网兜，用于接收分离后掉落的苹果。摘果器的顶端侧面设置无线CCD(高术GSD900)，该CCD可拍摄固定板及其V型开口槽相对于苹果位置的实时画面，并通过内置网络将画面连接到显示器上，果农即可通过查看设置在外管上的显示器，对摘果器固定板相对于苹果的位置进行实时调整。由于树脂材料的刚性略差，为保证足够刚性和强度，浮动板和固定板厚度各为5 mm左右，摘果器部分尺寸如表 1所列。
图 9 摘果器样机
Figure 9. Prototype of the harvestor
表 1 摘果器样机部分参数
Table 1. Parameters of the harvestor
摘果器长Length of the harvestor/cm 摘果器宽Width of the harvestor/cm 摘果器高Height of the harvestor/cm 摘果器质量Mass of the harvestor/kg 双板宽Width of dual- plate/mm 双板厚度Thickness of dual- plate/mm 双板分离距离Distance of dual- plate/mm 16 8 167 1.62 45 10 50 采摘对象苹果直径为74 mm，摘果器的双板贴紧进入果实和枝条之间，果梗滑入开口V型槽底部，压动手柄驱动两个锁定机构的锁定杆开始动作，将果梗锁定于双板闭合的V型槽底部(图 10a)。锁定完成后继续压动手柄，驱动浮动板下移向下压动果实上部，双板之间距离变大(图 10b)。持续驱动手柄使浮动板向下移动，将苹果果梗与果树枝条成熟断点拉断，果实掉入下方集果网兜，即完成一次苹果采摘作业(图 10c)。目前，单次采摘苹果用时5~8 s，由于目前双板稍厚，大部分时间用于调整双板插入枝条和果实之间，使果梗进入V型槽底部，锁定和分离动作仅用时1~2 s。
图 10 摘果器样机采摘实验
Figure 10. Prototype experiment of the harvestor
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(1) 以苹果为例提出了果梗锁定—枝果分离的采摘方法，将果梗锁定于双板中部后，驱动双板分离将果实和果梗整体从果树枝条摘下，是接近人工采摘效果的苹果采摘方法，有利于苹果的正常储存及果树次年的正常结果。
(2) 设计了整体结构为欠驱动布局的双板分离式摘果器，摘果器使用摇杆滑块机构为唯一驱动单元，采用钢丝和绕线丝轮作为主要传动方式，利用弹性系数不同的复位弹簧T1、T2和T3，按照果梗锁定—枝果分离采摘法的逻辑顺序实现了两个果梗锁定机构锁定杆的转动锁定，以及浮动板的向下移动。果梗锁定机构在锁定果梗时处于反向死点位置，保证了锁定的可靠性。摘果器果梗锁定机构锁定杆的转动角度为87°，双板分离距离最大为50 mm，驱动手柄的对应驱动转角为5.5°。
(3) 应用Adams软件进行的摘果器动作仿真结果验证了摘果器设计动作的可行性，实现了果梗锁定和双板分离动作。由于仿真模型的构建和参数设定误差，摘果器的动作仿真曲线与理想期望曲线存在偏差，但仿真曲线总体满足果梗锁定—枝果分离方法的动作顺序。
(4) 采用3D打印的方法制作了摘果器部分非标零件，摘果器总体高度为167 cm，总质量为1.62 kg。实验验证了果梗锁定—枝果分离的采摘方法是可行的，欠驱动双板分离式摘果器实现了期望的采摘动作和功能。浮动板和固定板在分离枝条和果实时仍存在刚度略差的现象，在后续改进中应将双板材料更改为轻质金属材料，目前的外管和内管壁厚较厚，摘果器的总质量仍有轻量化的优化空间，同时摘果器的总体高度可进一步设计为可调式，以满足不同高度果实的采摘需求。
Research on an under actuated dual separation plate harvestor
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摘要:
目的采摘是林果种植中的劳动密集型作业，果园中的果实采收环境较为复杂，我国采摘机具的行业研究相对薄弱，采摘机器人等高科技装备在当前果园采摘中的实际应用还具有一定的局限性，因此发展辅助人工摘果装备具有切实的社会和经济意义。 方法针对球形带梗果实，以苹果为例提出了果梗锁定—枝果分离的采摘方法，并设计完成了相应采摘器。采摘器整体结构为欠驱动布局，以曲柄摇杆机构为原型设计了果梗锁定机构，构造了固定板、浮动板结构的双板枝果分离机构，利用摇杆滑块机构作为手持驱动单元，利用钢丝和绕线丝轮的传动方法将滑块的输出运动首先传递到曲柄摇杆机构，驱动结构和尺寸对称的两套果梗锁定机构对果梗进行锁定，果梗锁定后继续驱动浮动板向下移动与固定板分离完成摘果。 结果分析了驱动单元和果梗锁定机构的几何参数，驱动单元的手柄转动5.5°即可使摘果器完成87°的果梗锁定和50 mm的双板分离动作，果梗锁定机构在锁定果梗时处于反向死点位置，保证了锁定的可靠性。应用Adams软件仿真了采摘器的果梗锁定和双板分离动作，验证了采摘器欠驱动结构的设计可行性，并对输出曲线在锁定果梗过程中的振动情况进行了解释；对采摘过程中的驱动力进行了仿真。采摘器样机实验顺利完成了锁定果梗—枝果分离的顺序采摘动作。 结论枝果分离的采摘方法和欠驱动双板分离式采摘器在实际应用中具有可操作性，可用于发展人工辅助采摘机具。 Abstract:ObjectiveHarvesting is labor intensive work in planting, orchard harvest environment is relatively complex, harvest machine industry research is relatively weak in our country, harvest robot technology in the current garden application still has some limitations, so the development of auxiliary artificial harvest equipment has a real social and economic significance. MethodFor the spherical fruit with stem like the apple, a peduncle locking-two plate separation harvest method was proposed, and the corresponding harvestor was designed. The overall structure for the harvestor was under-actuated, the crank rocker mechanism was designed for the peduncle locking mechanism, the fixed plate and the floating plate were designed as the branch fruit separation mechanism, slider-crank mechanism was used as a handheld drive unit, through the method of steel wire and the wire coiling wheel, the output of the slider movement was firstly transmitted to the crank rocker mechanism, two sets of symmetrical structure and dimension peduncle locking mechanisms were driven to lock the peduncle, and then the floating plate was driven to move down, together with the fixed plate, the branch and apple were separated to finish the harvest. ResultThe geometrical parameters of the driving unit and the peduncle locking mechanism were analyzed. The 5.5° rotation of the handle in the driving unit generated a rotation of 87° for the peduncle locking mechanism, and further the double-plate separation with a distance of 50 mm. The peduncle locking mechanism was in the reverse dead point position when locking the peduncle, which ensured the reliability of the locking. Adams software was used to simulate the process of the peduncle locking and double plate separation, the feasibility of picking the under-actuated structure was approved, and the output curve vibration in the process of peduncle locking was explained, the simulation of the driving force in the process of harvesting was obtained, the prototype experiment was successfully completed with the peduncle locking-branch fruit separation achieved. ConclusionThe method of peduncle locking-branch fruit separation method and related harvestor are proved to be feasible in the real manipulation, and they can be applied to help the artificial fruit harvest. -
Key words:
- peduncle locking /
- dead point /
- branch fruit separation /
- under-actuated
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图 3 采摘器传动机构
1.锁定杆Locker bar；2.果梗Peduncle；3.复位拉簧T2 Tension spring T2；4.丝轮2 Wheel 2；5.压簧T3 Compressed spring T3；6.浮动板Float plate；7.固定板Fixed plate；8.丝轮1 Wheel 1；9.复位拉簧T1 Tension spring T1；10.钢丝S2 Steel wire S2；11.钢丝S1 Steel wire S1。l01.浮动板锁定机构曲柄杆长Crank length of the float locking mechanism；l02.浮动板锁定机构连杆杆长Connector bar length of the float locking mechanism；l03.浮动板锁定机构摇杆杆长Rocker bar length of the float locking mechanism；l04.浮动板锁定机构机座杆长Base bar length of the float locking mechanism；θ1.浮动板锁定机构曲柄转角Crank angle of the float locking mechanism；θ2.浮动板锁定机构连杆转角Connector bar angle of the float locking mechanism；θ3.浮动板锁定机构摇杆转角Rocker bar angle of the float locking mechanism；r.丝轮2半径Radius of the wheel 2；s1.钢丝S1位移Displacement of S1；s2.钢丝S2位移Displacement of S2；s3.浮动板位移Displacement of the float plate；l1.摇杆手柄杆长Length of the rocker handle bar；l2.连杆杆长Length of the connector bar；d0.滑块偏距Offset of the slider；α1.摇杆手柄角度Angle of the rocker handle；α2.连杆角度Angle of the connect bar；s.滑块位移Displacement of the slider.
Figure 3. Transmission of harvestor
图 8 摘果器驱动关节驱动力仿真曲线
Figure 8. Simulation cure of drive force of the harvestor drive joint
表 1 摘果器样机部分参数
Table 1. Parameters of the harvestor
摘果器长Length of the harvestor/cm 摘果器宽Width of the harvestor/cm 摘果器高Height of the harvestor/cm 摘果器质量Mass of the harvestor/kg 双板宽Width of dual- plate/mm 双板厚度Thickness of dual- plate/mm 双板分离距离Distance of dual- plate/mm 16 8 167 1.62 45 10 50 
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