0 引 言
脐橙营养丰富，具有很高的食用、药用价值，广受大家的喜爱。根据赣州市果业局统计，截止到2016年底赣南市脐橙种植面积33.33万hm2，总产量300万t，是全世界种植面积最大，全国第一的脐橙产区[1]。随着脐橙种植面积和产量的增加，赣南脐橙已经发展成为集种植生产、仓储物流、精深加工于一体的产业集群，脐橙无损采摘向机械化、智能化发展是必然趋势。而末端执行器作为采摘机器人的重要装置之一，其工作效率直接影响到采摘作业的成功率、速度和损伤率[2]。
国外对于果蔬采摘机器人末端执行的研究起步较早，研究领域较广[3-6]。其中，Bac等[7]设计了一种甜椒采摘末端执行器，采用真空吸盘吸附与气动唇形切刀切割果梗相结合的采摘方式；Silwal等[8]设计了一种苹果采摘末端执行器，采用绳驱动3指包络夹持果实的采摘方式；而国内对于果蔬采摘末端执行器的研究相对较晚[9]，近年来发展较快，在黄瓜、草莓以及番茄等[10-14]领域都取得一定的进展，傅隆生等[15]设计了一种猕猴桃采摘末端执行器，采用3个电机驱动机构（吸附、夹持、旋转分离）的采摘方式，单果采摘时间为22 s，采摘速度较低；叶敏等[16]设计了一种荔枝采摘末端执行器，采用拟人指夹持果梗并结合旋转切刀切割果梗的方式，不适合类球簇生型果蔬的采摘；张水波[17]设计了一种柑橘采摘末端执行器，采用气动柔性三指抓握与气动马达驱动割刀切割果梗的采摘方式，结构尺寸较大。国内学者设计的末端执行器控制系统普遍是基于单片机独立开发设计，与机械臂的集成度较低。
由于脐橙的生长特性和生物特性与其他果蔬具有一定的差异性，现有设计方案无法直接运用。因此，本文在脐橙生物力学特性与静力学分析的基础上，利用气动机构速度快、电动机构精度高的特点，设计一种采摘速度高、控制难度低、与机械臂集成度高的脐橙采摘末端执行器。研制试验样机进行脐橙采摘试验，验证机构的合理性，以期为后期脐橙采摘机器人的整体设计提供技术支持。
1 末端执行器的机构组成与工作原理
所设计的末端执行器主要由机械部分、控制系统和视觉系统组成，本文主要进行机械部分和控制系统的研究设计，视觉系统采用现有的研究技术。
1.1 末端执行器的机构组成
如图1所示，末端执行器主要包括：与自主设计的机械臂相连接的连接架、吸附机构、夹持机构、旋切机构等，以及搭载的视觉系统（不涉及其研究开发），其中夹持机构是关键机构。
吸附机构主要由下气缸（型号XC10×60）、真空吸盘(型号ZP25DS)、吸盘支座等部分组成。旋切机构主要由上气缸(型号TD10×40)、锯齿圆盘切刀、切刀护罩、切刀连接架、强磁高速直流电机（型号RS550，24 V）等部分组成。由于末端执行器手指的自由度越多，抓取动作越为灵活，抓取效果也越好，但其系统的复杂程度、成本和控制难度也都会因此而增加[18]。因此，本文基于欠驱动原理，采用两指式夹持机构，以一个电机作为动力输出即可，此机构由V型手指、缓冲材料（硅胶）、电阻式薄膜压力传感器（型号FSR402，量程10 kg，精度±5%～±25%）、提供动力的步进电机（型号42HS4817A4，静力矩0.52 N·M，步距角1.8°）、连接电机轴和滚珠丝杠的梅花联轴器（BF系列）、将转矩转化为推力的滚珠丝杠机构（型号SFU1204-3）、安装于丝杠螺母上的螺母座、连接手指底座和螺母座的连杆、导向轴等部分组成。
图1 末端执行器结构图
Fig.1 Structure diagram of end-effector
1.连接架 2.梅花联轴器 3.导向轴 4.滚珠丝杠 5.螺母座 6.连杆 7.手指底座 8.下气缸 9.吸盘支座 10.V型手指 11.吸盘 12.硅胶13.电阻式薄膜压力传感器 14.锯齿圆盘切刀 15.切刀护罩 16.强磁高速直流电机 17.切刀连接架 18.上气缸 19.视觉系统 20.光电传感器 21.步进电机
1.Connecting bracket 2.Plum blossom coupling 3.Guide shaft 4.Ball screw 5.Nut seat 6.Connecting rod 7.Bottom cylinder 8.Finger base 9.Sucker support 10.V-type finger 11.Sucker 12.Silica gel 13.Resistive film pressure sensor 14.Sawtooth disc blade 15.Cover of cutter 16.DC motor of strong magnetic and high speed 17.Connecting bracket of cutter 18.Top cylinder 19.Vision system 20.Photoelectric sensor 21.Stepper motor
1.2 工作原理
脐橙采摘流程如图2所示，视觉系统不断获取目标果实和果梗的位姿，机械臂进行位姿调整，定位完成后末端执行器开始工作。为了避免果簇中其它果实对采摘作业的干扰以及末端执行器对果簇的损伤，除了需要机械臂的避障和轨迹规划之外，还需要末端执行器进一步将脐橙单果从果簇中分离。本文利用下气缸推动真空吸盘作为吸附机构接近并吸附果实，下气缸推杆复位后，果实可被吸盘拉拽远离果簇且果梗位于2个V型手指所在的中心平面。之后，夹持机构开始工作，步进电机驱动滚珠丝杠带动螺母座（滑块）向前移动，从而推动连杆拉动安装于手指底座（曲柄）上的2个V型手指对果实进行包络夹持，当手指表面的电阻式薄膜压力传感器所受正压力达到设定的安全阈值之后，步进电机停止转动同时吸盘关闭。然后，旋切机构开始工作，上气缸推杆推动由强磁高速直流电机驱动的高速旋转的切刀实现对果梗的旋切，果实与果梗的分离后，上气缸推杆复位同时强磁高速直流电机停止工作。最后，末端执行器夹持脐橙跟随机械臂运动到果实收集区，夹持机构复位卸果从而完成单果采摘作业。
图2 脐橙采摘流程图
Fig.2 Flow diagram of navel orange picking
2 脐橙受力分析与夹持机构设计
2.1 脐橙数学模型与采摘手指工作空间
赣南脐橙标准[19]中，三级果到特级果的横径范围为60～95 mm。而实际调研数据显示，果实最大外形尺寸（r×c）为109.38 mm×102.45 mm，最小外形尺寸（r×c）为51.36 mm×51 mm，有部分果实横径不满足级数标准要求，故本文将横径超过标准规定范围的果实定义为畸形果。由于畸形果数量较少，本文只考虑采摘横径范围为50～100 mm的脐橙，其他特例不在本文考虑范围中。
选取纽荷尔脐橙为研究对象，选取30个成熟果实对其形状尺寸进行测量计算，得到脐橙果形指数（果实纵径与横径的比值）为1～1.1。由此定义脐橙模型为标准长椭球体，果实表面任意一点的坐标（x，y，z）满足方程（1）。
式中r为脐橙横径，mm；c为脐橙纵径，mm。
以脐橙横径范围为指标，以脐橙赤道面为基准进行夹持机构建模（图3）。为保证手指指节内表面与可采横径范围的任意脐橙在夹持时都有4个相切点，以保证4个传感器都能实时反馈压力值，本文利用CAD对手指相关参数进行模拟优化，最终得到理想参数：远指指节长度l1为35 mm，近指指节长度l2为35 mm，两者夹角θ为140°，手指底座长度l4为31 mm、连杆长度l5为60 mm。为防止手指指根与吸盘外径干涉，取手指指根长度l3为38 mm。当手指底座（曲柄）处于水平极限位置时夹持范围最小，此时夹持直径Dmin为50 mm，当手指底座（曲柄）相对支点O的转角δ为20°时，手指有效夹持范围达到最大，此时夹持直径Dmax为100 mm。为保证机构不存在死点同时减小机构的结构尺寸，本文采用对心式曲柄滑块机构作为传动机构[19]，在转动角0°≤δ
