仿蛇嘴咬合式柑橘采摘末端执行器设计与实验

王 毅 许洪斌 张 茂 马冀桐 刘 波 何 宇

(1.重庆大学机械工程学院， 重庆 400044； 2.重庆理工大学机械工程学院， 重庆 400054)

0 引言

采摘机器人的概念于1968年由SCHERTZ和BROWN提出后，世界各国学者对采摘机器人纷纷开展了研究[1-2]。但是，由于采摘机器人缺乏强大的果实识别能力和精确采摘能力，目前为止仍然处在实验室阶段[1,3]。末端执行器作为采摘机器人的一个关键部件，直接对果蔬进行操作，对果蔬的成功采摘起着关键作用，直接影响采摘机器人的采摘能力。

当前对末端执行器的研究，大多针对大棚中生长的水果和蔬菜[4-11]，针对室外环境的研究较少。在大棚中生长的水果和蔬菜，其生长状态相对可控，对末端执行器的要求相对简单。在室外环境中生长的果蔬，如柑橘，其生长情况是随机的，对末端执行器要求更高。目前，末端执行器的采摘原理有利用剪刀剪断果柄[7,12]、通过3根或4根手指抓住果实扭断或切断果柄[7，13-14]以及通过机构夹持住果实再切断果柄[6,9,15]等。对于自然环境下生长的柑橘来说，果柄的生长方位是随机的，在自然环境下较难通过视觉系统精确判断每一个柑橘果实其果柄的空间方位信息。通过剪刀剪断果柄的方式由于果柄空间方位信息未知则难以准确切断果柄，通过手指扭断果柄的方式容易在果柄与果实分离时造成果实表皮破损，通过夹持果实的方式则容易造成果实表面淤伤等问题。因此，对于柑橘采摘机器人来说，有必要设计一款对果实表面损伤较小、未知柑橘果柄空间方位就能进行采摘的末端执行器，以提高柑橘采摘机器人的采摘能力。

本文基于仿生学原理，模拟蛇嘴的咬合动作及其结构设计仿蛇嘴的咬合式末端执行器，对末端执行器进行运动学分析和仿真，研制末端执行器样机并进行实验室环境和室外环境的实验验证。

1 仿蛇嘴咬合式末端执行器结构设计

1.1 仿蛇嘴咬合式末端执行器的设计目标和要求

为实现在未知柑橘果柄空间方位情况下就能对柑橘果实进行采摘这一技术要求，本文模拟动物吞食咬合动作来设计柑橘采摘末端执行器，即设计的末端执行器的形态类似于动物的嘴部结构，同样具有上下颚，通过类似于动物咬合的方式剪断果柄实现柑橘采摘。本文把这种具有上下颚咬合功能的末端执行器称之为咬合式末端执行器。

在众多生物中，蛇类的颚部骨骼与其他动物相比有着很大的不同，蛇类颚部骨骼的特殊结构使得蛇嘴能够扩张3倍，使得蛇能够捕食体积比自身还大的猎物[16-17]，这样的结构特点同样有利于吞咽果实，方便机器人采摘。受蛇嘴结构的启发，本文根据仿生学原理，仿照蛇嘴的结构设计采摘机器人末端执行器。

一般情况下，柑橘都是自然生长的，其果柄的生长方位也是杂乱无章的(图1)，而仿蛇嘴咬合式末端执行器的设计目标是在未知柑橘果柄空间具体方位的情况下通过末端执行器实现对柑橘果柄的剪切。通过观察与分析发现，对于咬合式末端执行器来说，在未知果柄空间方位的情况下剪断果柄的关键有两点：一是末端执行器张角足够大，足以包容任何生长方位的柑橘果柄而不与果柄发生碰撞(图2a)；二是末端执行器能够在果柄生长范围内的任意角度实现咬合动作，从而实现对任意生长方位果柄的剪断(图2b)。这要求末端执行器的张角要尽可能大，且其上下颚能够在果柄生长范围内的任意角度实现咬合动作。

图1 柑橘果柄生长情况Fig.1 Growth condition of citrus stem

图2 咬合式末端执行器剪切过程示意图Fig.2 Schematic diagrams of shearing process of bite-model end-effector

以上要求都和果柄与水平面在空间中的夹角有关，为更加清楚地描述柑橘果柄空间方位，定义柑橘果柄与水平面在空间中的夹角为果柄倾角θcar。针对果柄倾角的分布情况在某柑橘栽培基地进行了实地测量和统计，统计方式如图3所示，得到果柄倾角与果实密度的关系图，如图4所示，其中μ为倾角范围内的果实数所占百分比。

图3 果柄倾角测量图Fig.3 Measurement diagram of stem inclination

图4 果柄倾角与果实密度直方图Fig.4 Histogram of relationship between inclination of stem and fruit density

由图4可以发现，果柄倾角的范围分布较广，从5°～90°都有分布，在30°～90°范围分布较多，但无明显集中的区域。每5°取一个采样点，在每个采样点附近的柑橘算作此采样点处的样本。通过分析还发现，当果柄倾角为5°时，果柄接近水平位置，此时实现果柄的剪切较为容易，末端执行器只要能够顺利吞入果实并在水平位置附近咬合即可完成对果柄的剪切(图5a)。倾角逐渐增大，末端执行器剪切的难度也随之逐渐增大，当倾角为90°时，剪切难度达到最大(图5b)。此时果柄与水平面垂直，若要求果柄在采摘前不与末端执行器发生碰撞，则要求末端执行器上颚同样也与水平面垂直，即要求末端执行器张角为180°，在此位置能够实现咬合。

图5 不同果柄倾角下末端执行器剪切情况Fig.5 End-effector shear condition at different stem inclinations

1.2 结构设计

1.2.1蛇嘴咬合过程与蛇头骨结构分析

蛇嘴的咬合过程大致可分为对准、伸出、张嘴与咬合4个步骤(图6)。咬合式末端执行器采摘果实时大致也分为这4个步骤，其中对准与伸出动作可由机械臂完成，而张嘴与咬合动作由咬合式末端执行器完成。

图6 蛇嘴的咬合过程Fig.6 Snake bite process

图7 蛇头骨骼结构图[18] Fig.7 Snake head skeleton map [18]1.脑颅骨 2.上颞骨 3.方形骨 4.翼状骨 5.外翼状骨 6.上颌骨 7.前额 8.上颚骨 9.下颌骨

KARDONG等[18]将蛇类中具有代表性的响尾蛇头部作为研究对象，发现蛇头部上颚各骨骼可组成一个封闭的机构，而下颚与上颚的运动则相对独立，蛇头骨骼结构如图7a所示。进一步对该结构进行简化，用连杆表示各骨骼，用铰链表示骨骼的连接部，将蛇头结构简化为一个通过各关节铰接的铰链连杆机构，如图7b所示。

1.2.2蛇头骨骼结构简化与仿蛇嘴咬合结构设计

根据末端执行器的设计目标和要求，对蛇头骨骼结构进行分析和简化。由图7b所示的蛇头骨骼简化连杆结构图可知，杆件9(下颌骨)运动相对独立，杆件8(上颚骨)和杆件5(外翼状骨)均和杆件6(上颌骨)及杆件4(翼状骨)连接，连接关系上有一定的重叠。据此，本文提出2种设计思路：

(1)忽略杆件8，蛇头骨骼的上颚部分可简化为如图8a所示的7连杆机构。

(2)忽略杆件5，同时将杆件6与杆件8视为一个杆件，蛇头骨骼的上颚部分可简化为如图8b所示的6连杆机构。

图8 蛇头骨上颚部分简化机构图Fig.8 Simplified mechanisms of upper jaw part of snake skull

对设计思路(1)提出的7连杆机构进行分析，如图8a所示，共有7个杆件，同时有7个转动副，但没有确定活动构件数、原动件类型和数目。若确定一个杆件为机架，则剩下6个杆件为活动件，同时具有7个转动副，根据自由度计算公式

F=3n-2p5-p4

(1)

式中F——自由度n——活动构件数

p5——5级平面低副数

p4——4级平面高副数

可计算得自由度为4，而原动件不可能为4个，此机构运动不能确定。若确定两个杆件如杆件4和杆件5为机架，此时活动构件数为5个，但转动数也相应减少1个，变为6个，由式(1)计算得自由度为3，运动同样不能确定。因此，必须对该结构进行一定的改进。

考虑到末端执行器的总重量不能超过机械臂的负重限制，末端执行器不能选用过重的设备和材料，因此选择动力输入设备为质量较小的气缸，则有输入为直线移动的直线气缸和输入为回转运动的手指气缸可供选择。将杆件3和杆件4铰接处的转动副改为移动副，作为直线气缸的输入，将杆件3带动此移动副提前至杆件1处，将杆件7和杆件2视为同一杆件，将杆件4和原杆件3视为机架，则有了改进后的上颚机构a，如图9a所示。此机构共有5个活动构件，7个平面低副，由式(1)计算得自由度为1，由直线气缸作为原动件。

图9 改进后的上颚机构Fig.9 Improved upper jaw mechanisms

对设计思路(2)提出的6连杆机构进行分析，如图8b所示，若指定杆件4为机架，则有5个活动杆件和6个转动副，由式(1)计算得自由度为3。若指定2个杆件如杆件4和杆架3为机架，则有4个活动杆件和5个转动副，由式(1)计算得自由度为2，在只有一个原动件的条件下机构运动无法确定，同样需对该结构进行一定的简化和改进。

通过观察发现，构件1为蛇头的脑颅骨，而杆件2和杆件7均为连接脑颅骨的构件，这3个构件之间的相对运动对主要运动影响不大， 于是将这3个构件简化为1个杆件，则蛇头骨骼机构可简化为1个平面四杆机构，为改进后的上颚机构b，如图9b所示。确定杆件4为机架，则有3个活动件和4个转动副，由式(1)计算得自由度为1，由手指气缸作为原动件。

1.2.3咬合式末端执行器结构仿真

咬合式末端执行器要实现咬合剪断果柄，必须要上下额以相同轨迹同时运动，而蛇头骨骼结构的下颚运动则相对独立，为保证剪切效果，本文对咬合式末端执行器的下颚采用与上颚相同且对称的机构，根据前文提出的两种设计思路，设计出咬合式末端执行器的两种机构，机构简图如图10a和图10b所示，机构运动仿真图如图11和图12所示。

图10 咬合式末端执行器机构简图Fig.10 Schematic diagrams of bite-model end-effector mechanism

图11 咬合式末端执行器机构a运动仿真图Fig.11 Motion simulation diagram of bite-model end-effector mechanism a

图12 咬合式末端执行器机构b运动仿真图Fig.12 Motion simulation diagram of bite-model end-effector mechanism b

根据机构简图，结合柑橘尺寸，利用几何图形法对机构尺寸进行优化，在Solidworks软件中建立两种末端执行器的初步模型，如图13和图14所示。

图13 咬合式末端执行器初步模型aFig.13 Initial model a of bite-model end-effector1.上颚支架 2.上颚刀片 3.主架 4.下颚刀片 5.下颚支架 6.传动杆 7.支撑长杆 8.动力推杆 9.随动支撑钣金 10.基座

图14 咬合式末端执行器初步模型bFig.14 Initial model b of bite-model end-effector1、10.手指气缸 2、7、9、11.传动杆 3.上颚 4.下颚 5.上刀片 6.主架 8.下刀片 12.连接法兰

将模型a和模型b导入ADAMS软件中进行初步运动分析，设置运动时间，分别导出两种模型的末端执行器执行咬合动作时上、下颚的速度与加速度变化曲线以及角速度与角加速度变化曲线，如图15和图16所示。

图15 模型a上、下颚速度与角速度及加速度与角加速度变化曲线Fig.15 Changing curves of velocity and angular velocity, acceleration and angular acceleration of upper and lower jaws in model a

图16 模型b上、下颚的速度与加速度及角速度与角加速度变化曲线Fig.16 Changing curves of velocity and acceleration, angular velocity and angular acceleration of upper and lower jaws in model b

通过分析对比图15、16，模型a在运动过程中上下颚刀片的速度、加速度、角速度和角加速度均存在突变，容易造成较大的冲击。而模型b的运动曲线除了启动瞬间，其余阶段均较为平稳，无明显突变，具有较好的运动特性；比较2个模型的张角，模型b的张角明显比模型a的张角要大，更符合设计要求；同时模型b的结构更简单。经综合比较，根据模型b的结构设计咬合式末端执行器。

1.3 仿蛇嘴咬合式末端执行器机构建模

以图14所示的模型b为基础，对末端执行器机构进行细化。咬合式末端执行器的上、下颚分别为平面四杆机构，如图10b所示，点B处连接剪切刀片，杆AB为执行剪切动作的从动杆，杆CD为主动杆，杆AD为机架，杆BC为连架杆。选用SMC MHY2-16D型气动手指气缸为末端执行器动力源，安装在机架AD上，其尺寸参数见文献[19]。手指气缸的初始状态为手指与缸体平行，最终状态为手指与缸体垂直。而作为剪切杆件的从动杆，其初始状态为保证张角为180°，需与机架垂直，最终的剪切状态为与机架平行的水平状态。据此，画出末端执行器连杆初始状态和最终剪切状态的机构图，如图17所示。

图17 末端执行器连杆的初始状态和最终状态机构图Fig.17 Initial and final state mechanism diagrams of end-effector linkage

杆AB需要完全包络柑橘，因此杆AB长度需大于柑橘半径，但又不能过大致使无法剪切到果柄。经调研得到的柑橘实际尺寸，设定杆AB长度为40 mm。同时根据手指气缸大小和柑橘直径确定机架AD长度为75 mm，可计算出CD杆长为40 mm,BC杆长为122 mm，同时根据果柄直径和工作实际确定其他零件尺寸，得出咬合式末端执行器三维模型，如图18所示。

图18 咬合式末端执行器三维模型Fig.18 Three-dimensional model of bite-model end-effector1.机架 2.上颚支架 3.上刀片 4.下刀片 5.下颚支架 6.上颚连杆 7.气缸支架 8.下颚支架 9.手指气缸 10.下颚驱动杆 11.上颚驱动杆

1.4 仿蛇嘴咬合式末端执行器机构优化

将末端执行器三维模型导入ADAMS软件进行咬合剪切运动的仿真，在进行咬合动作时发现，由于果柄存在倾角，上颚会先于下颚接触果柄，而上颚在接触果柄后，由于作为动力源的手指气缸的两个手指为同时运动，上颚接触果柄后不再运动，使连接上颚的手指停下，从而使连接下颚的手指也停下，造成下颚也停止运动，无法形成咬合剪切动作，造成剪切果柄失败。咬合动作仿真图如图19所示。

图19 模型咬合动作仿真图Fig.19 Simulation diagram of model bite motion

仔细分析蛇头骨骼机构，发现蛇头骨骼的下颚部分与上颚的运动相对独立，能够保证上颚在咬住猎物的同时下颚继续运动形成咬合。对比所设计的末端执行器，上下颚的运动完全同步是造成无法咬合的主要原因。将咬合机构与主架的连接由两颗螺钉连接变为一个轴承连接，可释放咬合机构自行运动的自由度。自由度释放后，由于重力作用，手指气缸会带动咬合机构沿此轴承形成摆动，同时在主架上增加一个挡块形成限制摆动的位置。根据前期研究成果，采摘姿态在45°左右时有较好的采摘效果[20]，调整挡块位置，将摆动的角度限定在45°，可具有较好的采摘效果。优化后的末端执行器三维模型如图20所示。

图20 优化后的末端执行器三维模型Fig.20 Three-dimensional model of optimized end-effector1.机架 2.挡块 3.上颚支架 4.上刀片 5.下刀片 6.下颚支架 7.上颚连杆 8.气缸支架 9.下颚支架 10.手指气缸 11.下颚驱动杆 12.上颚驱动杆

2 仿蛇嘴咬合式末端执行器运动分析

2.1 平面模型的建立

根据末端执行器的三维模型，建立末端执行器的平面连杆机构模型，如图21所示，两个相同的四连杆机构带动刀片作为咬合式末端执行器的上下颚执行剪切咬合动作，两个四杆机构共用机架和动力源。

图21 末端执行器平面连杆机构模型Fig.21 Model of end-effector plane link mechanism

2.2 咬合式末端执行器上颚运动学分析

由2.1节可知，设计的末端执行器是由两个相同的四连杆机构组成的咬合机构和机架构成，咬合机构能够在机架上转动，M点和N点为上、下颚刀尖，M和N点重合时即对果柄进行剪切，M点和N点一方面由气缸驱动进行剪切运动，另一方面随同咬合机构在重力作用下进行旋转运动，为两个运动的合成。由于M点和N点的运动过程类似，仅列出M点的计算方程。

首先考虑咬合机构在气缸驱动下进行剪切运动时M点的运动特性，图22所示为咬合机构上半部分机构图，CD杆为原动件。

以角速度ω驱动四连杆机构运动，其加速度为ε，则有

α=ωt

(2)

图22 咬合机构上颚部分机构简图Fig.22 Upper jaw mechanism sketch of occlusion mechanism

式中α——CD轴与x反方向的夹角

t——运动时间

根据前文设计要求，有

(3)

式中ψ——杆AB与x轴的夹角

则B点位移为

xB=l4cosψ+l2

(4)

yB=l4sinψ+l3

(5)

式中xB、yB——B点在x、y轴方向位移

l2——A点距原点的x轴方向距离

l3——A点距原点的y轴方向距离

l4——杆AB的长度

B点速度为

(6)

(7)

式中vBx、vBy——B点在x、y轴方向速度

B点加速度为

(8)

(9)

式中aBx、aBy——点B在x、y轴方向的加速度

ε——杆CD的初始加速度

则由B点的运动学方程可求出M点的运动学方程，M点位移为

xM=xB+l5sinψ

(10)

yM=yB-l5cosψ

(11)

式中xM、yM——点M在x、y轴方向的位移

l5——杆BM的长度

M点速度为

(12)

(13)

式中vMx——点M在x轴方向的速度

vMy——点M在y轴方向的速度

M点加速度为

(14)

(15)

式中aMx——点M在x轴的加速度

aMy——点M在y轴的加速度

再考虑咬合机构在重力作用下进行旋转运动的运动特性, 如图23所示为咬合机构在机架上转动示意图，将咬合机构视为一个整体，其质心为P，质量为m，质心距原点O的距离为l,质心P与原点O的连线与y轴的夹角为α′，则在开始咬合动作的时间为t，ω′为机架在t时间内转动的角速度，ε′为机架在t时间内转动的角加速度，则有

(16)

图23 咬合机构在机架上转动示意图Fig.23 Schematic diagram of occlusion mechanism rotating on frame

其势能V为

V=mgl(1-cosα′)

(17)

式中g——重力加速度

动能T为

(18)

式中JC——咬合机构绕O点旋转的转动惯量

根据机械能守恒定律，有

(19)

将式(17)、(18)代入式(19)，有

(20)

(21)

(22)

对ε′进行时间的积分，可得

(23)

由于α′的初始值为45°，则有

(24)

式(24)为α′关于时间t的函数，对应每一个时间即有确定的α′，即可确定咬合机构在重力下旋转的运动规律。

最后考虑两个运动的合成。机架坐标系为xaOya坐标系，咬合机构坐标系为xbOyb坐标系，咬合机构在机架上的运动即为咬合机构坐标系在机架坐标系中的运动，如图24所示。

图24 咬合机构在机架上的运动合成示意图Fig.24 Schematic diagram of movement of occlusion mechanism on frame

由于咬合机构上下完全对称，其质心在xbOyb坐标系的x轴上，因此α′为xbOyb坐标系的x轴与xaOya坐标系的y轴的夹角，xbOyb坐标系可认为是xaOya坐标系绕z轴旋转了θ，则同一矢量由xbOyb坐标系转换到xaOya坐标系的转换关系为[21]

Pa=RPb

(25)

(26)

(27)

式中Pa——xaOya坐标系中的矢量

Pb——xbOyb坐标系中的矢量

R——xbOyb坐标系相对于xaOya坐标系的表达

根据式(14)、(15)、(24)、(25)，即可求出M点在xaOya坐标系中的运动规律。

2.3 咬合式末端执行器上下颚运动学仿真

2.3.1运动学参数仿真结果

将优化后的末端执行器三维模型导入ADAMS软件，并设置约束条件和驱动，分别导出末端执行器动作时上、下颚的位移、速度和加速度曲线，如图25所示。

由图25可以看出，下颚位移比上颚大，上、下颚速度和加速度变化基本同步，但下颚速度大于上颚速度，剪切瞬间下颚加速度变化较为剧烈，这都与咬合机构在机架上的运动合成和剪切瞬间的碰撞有关，与预期基本相符。

图25 上、下颚的位移、速度和加速度曲线Fig.25 Displacement, velocity and acceleration curves of upper and lower jaws

2.3.2完整咬合周期运动学仿真

通过ADAMS软件对末端执行器模型进行完整剪切周期的运动学仿真，仿真效果如图26所示，由图可以看出，末端执行器开始剪切任务后，先完成剪切运动、再完成旋转运动，完成旋转运动后剪切机构与机架垂直，机构复位运动顺利，整个运动过程平稳无干涉现象，能够顺利完成剪切周期的剪切动作和复位动作。

图26 咬合式末端执行器运动过程图Fig.26 Movement process diagram of bite-model end-effector

3 末端执行器制作与实验

3.1 实验平台搭建

根据分析结果制作末端执行器，图27为末端执行器俯视图与左视图。

图27 末端执行器Fig.27 End-effector prototype

将末端执行器安装在课题组自行研制的柑橘采摘机器人上进行实验验证。柑橘采摘机器人的控制系统框图如图28所示，该系统基于机器人操作系统(Robot operation system，ROS)在Ubuntu操作系统下为机械臂和末端执行器搭建运动控制系统，同时基于QT开发平台搭建双目视觉平台，机械臂选用敖博(北京)智能科技有限公司研制的AUBO-i5型六自由度机械臂。工作原理为视觉平台利用OpenCV 3.2.0视觉开源库对柑橘进行识别，基于双目立体视觉原理，计算出柑橘表面形心在机械臂坐标系的三维坐标，完成柑橘果实的定位。上位机利用ROS软件开发平台，接收视觉系统提供的果实空间信息后，对机械臂进行运动学求解、完成场景规划、运动规划等工作。由驱动接口将ROS输出的数据通过CAN总线发送给驱动器，由驱动器驱动电动机转动完成机械臂的运动。机械臂上的传感器将采集的位置、速度等信息实时反馈给上位机，上位机根据反馈信息与根据逆运动学求解所得的各关节值进行比较，判断机械臂当前位置是否处于终点位置，进而通过串口发送控制信号给下位机Arduino，通过Arduino实现对末端执行器的咬合控制。

图28 采摘机器人控制系统框图Fig.28 Control system block diagram of picking robot

末端执行器驱动系统的构成元件主要包括气动三联件、电磁阀、节流阀、执行气缸以及空气压缩机等，具体见图29。

图29 柑橘采摘末端执行器驱动气路Fig.29 Pneumatic driving of end-effector 1.气动三联件 2.电磁阀 3、5.调速阀 4.手指气缸 6.压力表 7.空气压缩机

在执行器作业过程中，控制系统需要同时完成执行器两个执行气缸的控制，以期执行末端执行器的咬合动作，从而切断柑橘果柄，完成收获任务。采用Arduino作为电磁阀的控制芯片，将其接入ROS软件开发平台，完成执行器的硬件系统搭建。

实验平台搭建完成后的柑橘采摘机器人如图30所示。

图30 柑橘收获机器人实验平台Fig.30 Citrus harvesting robot experiment platform

3.2 实验室环境下实验与结果分析

3.2.1果柄倾角为0°时的实验结果与分析

根据柑橘果柄生长的实际情况，将柑橘果柄直径按每间隔0.5 mm为一组分为6个组，分别进行实验。同时，由于剪切的动力由气压系统提供，而气压系统能够提供的气压总是在一个范围内波动，本文同时也对气压大小与采摘成功率的关系进行了实验，由于选用的SMC MHY2-16D型气动手指气缸的操作压力为0.1～0.6 MPa，因此将气压系统提供的气压以0.1 MPa为间隔，从小于0.4 MPa到等于0.6 MPa分为4组，对不同的柑橘果柄直径分别进行实验，共进行了24组实验，每组剪切相应直径的果柄20次，统计一次性切断果柄的成功率，结果如表1所示。

实验结果表明，当果柄倾角为0°、气压系统提供压力为0.6 MPa、果柄直径不超过4.0 mm时，切断成功率不小于95%。根据调查统计结果，一般柑橘果柄直径均不超过4.0 mm，即本文设计的咬合式末端执行器在执行实际收获任务时，具有较好的切断成功率，能够较好地完成收获的切断任务。

3.2.2不同果柄倾角的实验结果与分析

由统计数据得知，果柄倾角分布范围较广，因此将果柄倾角(0,90°]的分布范围按照15°间隔分为6个组，即(0°,15°]、(15°,30°]、(30°,45°]、(45°,60°]、(60°,75°]、(75°,90°]，分别进行剪切实验，根据上节实验结果，剪切时气压设定为0.6 MPa，果柄直径不超过4 mm，每组实验20次，统计每组成功率如表2所示,计算得总体成功率为97.5%。

3.3 室外环境下实验与结果分析

课题组于2018年3月在重庆某果园内进行了室外环境的采摘实验，实验环境如图31所示，末端执行器作业过程如图32所示，由于受到条件限制，共对40个自然生长的柑橘果实进行了采摘实验，采摘前首先对每个柑橘的果柄直径、果柄倾角、果实纵、横径等具体参数进行了测量，每个柑橘的具体参数和采摘结果如表3所示。

表2 不同果柄倾角的剪断成功率Tab.2 Shear success rate of different inclinations of stem %

图31 室外实验环境Fig.31 Outdoor experiment environment

图32 末端执行器采摘作业过程图Fig.32 Process diagram of end-effector picking operation

由实验结果可以看出，对于果柄倾角较大或较小的柑橘，使用本文设计的咬合式末端执行器进行采摘时切断成功率仍然有待提高，对于果柄倾角在中间部分的柑橘，则有比较好的切断成功率。室外实验的总体成功率达87.5%，比实验室环境下实验的成功率有所降低，但基本可以实现在未知柑橘果柄方位下对柑橘的采摘。

4 结论

(1)提出了通过模拟蛇嘴结构设计咬合式末端执行器来实现未知柑橘果柄空间方位下对柑橘进行采摘，增强了采摘机器人的采摘能力。

(2)对柑橘果柄生长情况进行了调研，定义了果柄倾角并进行了统计，对果柄极限位置的剪切要求进行了分析，并得出了末端执行器的设计要求，一是咬合式末端执行器的张角尽可能大，二是咬合式末端执行器上下颚能够在果柄生长范围内的任意角度实现咬合动作。

表3 室外采摘实验数据及结果Tab.3 Outdoor picking experimental data and results

(3)对蛇头骨骼的结构进行了简化，提出了两种设计思路，分别设计了机构初步模型，经过分析确定了较优方案并进行了优化和运动学分析，根据三维模型制作了咬合式末端执行器样机。

(4)在实验室环境和自然环境下分别进行了采摘实验。在实验室环境下，果柄倾角为0°，气压为0.6 MPa、果柄直径不超过4.0 mm条件下的切断成功率不小于95%；对于不同倾角果柄，总体切断成功率为97.5%。在自然环境下，柑橘采摘总体成功率为87.5%。实验结果表明，本文设计的咬合式末端执行器能够实现未知柑橘果柄空间方位下的柑橘采摘。