摘要：为了使茶叶采摘机器人能高效连贯地采摘嫩芽，末端执行器应同时具有剪切和收集功能。为此，设计一种剪切—收集一体式采摘末端执行器。以英红九号为对象，测定茶嫩芽外形尺寸和茎秆剪切力学特性；设计一种新型的单自由度平面连杆机构对茶嫩芽进行剪切和抛扬，收集和收纳被扬出的茶嫩芽；对平面连杆机构进行静力学分析，结果表明所产生的剪切力大于剪断茶嫩芽茎秆所需的最大剪切力。仿真实验结果表明：当舵机角速度为310(°)/s时，末端执行器作业时间约为1 s，效率较高，但存在一定动载荷。田间实验表明：末端执行器对茶嫩芽的平均采摘成功率为75%，平均采摘时间为1.5 s。该末端执行器结构简单，具有剪切和收集功能，能够满足茶叶采摘机器人作业需求。

　　关键词：茶叶采摘机器人；末端执行器；平面连杆机构

　　Design and Testing of a Cutting-collecting Integrated End-effector for Tea Picking

　　Lin Guichao，Chen Dingxian，Chen Jiahui，Zhong Kaiyong，Cai Liujian，Lin Fan，Zheng Xiaoxin，Li Wangheng

　　(College of Mechanical and Electrical Engineering,Zhongkai University of Agricultural and Engineering,Guangzhou 510225,China)

　　Abstract:The end-effector should be capable of both cutting and collecting tasks so that the tea picking robot may harvest buds in an organized and effective manner.To the effect,a tea picking end-effector with cutting and collecting capabilities is designed in the study.Using Yinghong No.9 as the object,the size and shear mechanical characteristics of the tea bud are measured.The tea buds are chopped and thrown back using an inventively created one degree of freedom planar linking mechanism,and then are collected using a collection box.The planar linking mechanism is then subjected to a static analysis,and the results demonstrate that the cutting force generated by the end-effector is higher than the maximum cutting force needed for cutting tea buds.The simulation results show that when the angular speed of the steering gear is 310(°)/s,the operation time of the end effector is about 1 s,which is high efficiency,but there is a certain dynamic load.Field experiments shows that the average success rate of picking tea buds by end-effector is 75%,and the average picking time is 1.5 s.The end-effector is simple in structure and has the functions of cutting and collecting,which can meet the requirements of tea picking robot operation.Key words:tea-picking robot;end-effector;planar linkage mechanism

　　0引言

　　据广东省统计年鉴可知，2020年广东省茶叶实有种植面积约为786.5 km2，茶叶总产量达12.82万t。当前茶叶采摘基本上由人工手动作业方式进行，劳动强度大。受我国城镇化和人口老龄化影响，农村青壮年劳动力不断减少[1]，导致茶叶采摘人工成本高，茶叶产业亩均效益不断下降，因此发展名优茶采摘机器人替换人工作业非常重要[2-3]。末端执行器用于分离茶嫩芽和茎秆，是制约采摘机器人发展的一个瓶颈性问题[4-5]。本文旨在设计一种轻量、高效的采摘末端执行器，提高茶叶采摘机器人性能。

　　国内外学者对茶叶采摘机器人及其末端执行器展开了大量研究，可大致分为两类：往复切割式和夹剪式。刘浩等[6]设计了一种便携真空吸附切割式采茶机，使用往复式切割器切割茶叶，用吸风装置将茶叶吸入收集箱。吴先坤等[7]设计了一种单人背负式采茶机，使用曲柄摇杆机构驱动切割器切割茶叶。此外，吴先坤[8]还设计了一种切割式采茶机头，该机头用曲柄摇杆机构驱动弧形刀杆做往复运动以切割茶叶，再用吹风机将茶叶吹入集叶袋中。王升[9]设计了一种便携电动采茶机，通过驱动两个同轴的偏心轮带动双动刀相对往复运动，进而对茶叶进行切割。往复切割式末端执行器采茶效率高，但采摘一致性差，不能对嫩芽进行针对性采摘，导致茶叶的破碎率较高，影响了茶叶的经济效益[10]。秦广明等[11]设计了一种手爪式末端执行器，通过一对齿轮机构驱动一对手指闭合和张开，实现茶叶夹剪。牟顺海等[12]设计了一种剪刀式末端执行器，用曲柄连杆机构驱动两个锯齿刀片相向运动剪切茶叶，剪切下的茶叶掉入末端执行器下方的收集槽中。范元瑞[13]设计了一种指型采摘末端执行器。它通过平面连杆机构驱动指型摆杆闭合和张开，从而使指型摆杆末端的球形指尖夹持和释放茶茎秆。陈龙[14]设计了一种仿手指末端执行器，通过两个1/4球形手指的闭合和旋转扭断茶茎秆，再使用封闭空腔内的吸管将茶嫩芽吸入到收集装置中。汪琳[15]先用一种推杆滑块式末端执行器剪切茶嫩芽，再用负压风机将茶嫩芽吸入到收集箱内。郝淼等[16]受茶农“提手采”采摘方式启发，设计一种仿生采摘末端执行器，用气力驱动仿生多关节手指将茶嫩芽茎秆拉断。上述夹剪式末端执行器使用平面连杆机构夹剪茶嫩芽，原理简单，但是多与负压或气吸式收集装置结合使用，导致末端执行器结构太复杂。

　　本文针对采摘机器人的连贯高效采摘需求，设计一种剪切-收集一体式末端执行器。测定茶嫩芽外形尺寸和剪切力学特性；创新设计了一种单自由度平面连杆机构对茶嫩芽进行剪切和收集；对平面连杆机构进行静力学分析和田间作业试验验证。

　　1茶嫩芽外形尺寸与剪切力学特性

　　本文以英红九号为对象，于2022年6月28日在仲恺农业工程白云数字农场采集40片形态为一芽一叶的新鲜茶嫩芽，如图1所示。经测量可知，茶嫩芽高度和宽度分别为20~35 mm和15~25 mm；茎秆直径为1.77~2.99 mm，平均值为2.307 mm。

　　茶叶茎秆的剪切力学特性是设计末端执行器的依据。本文以上述40片茶嫩芽为对象，使用TMS-PILOT质构仪(图2(a))测量茶叶茎秆的剪切力-形变关系(图2(b))。实验过程：首先，设置剪切响应初始力为0.50 N，测试速度为30 mm/min，回程速度为30 mm/min，回程距离为5.00 mm；接着，使用平角三孔刀片作为剪切工具，使用铝合金板作为支撑板，应用TMS-PRO物性分析软件记录剪切力与形变之间的曲线关系。图3所示为直径为2.77 mm的茶叶茎秆的剪切力-形变位移曲线，剪切力随着切入深度变化呈非线性变化，在切入量为2.3 mm时，最大剪切力为6.3 N。通过分析所有数据可知：剪断茶叶茎秆所需的最大剪切力为6.4 N，最小剪切力为2.9 N。

　　2整体结构与工作原理

　　2.1设计要求

　　(1)为了实现茶嫩芽连贯采摘，提高采摘效率，要求末端执行器具有剪切和收集功能，避免采摘机器人反复复位到原点放置茶嫩芽。

　　(2)末端执行器主要由低副构成，具有单自由度，结构应简单和轻量，维修方便。

　　2.2整体结构与工作原理

　　本文设计一种单自由度平面连杆机构来采摘茶嫩芽，它的整体结构如图4所示，其中传动轴、曲柄、连杆和刀板构成了一个曲柄摇杆机构，刀架上安装有刀片。

　　该末端执行器的工作原理：首先，末端执行器从茶嫩芽顶部垂直向下运动至茶嫩芽茎秆处，如图5(a)~(b)所示；接着，舵机通过传动轴法兰带动传动轴旋转，进而驱动曲柄逆时针旋转并拉动连杆运动，连杆带动刀板逆时针旋转，使刀板下端与刀架中的刀片接触，从而实现茶嫩芽剪切，如图5(c)所示；然后，刀板继续旋转，刀板顶住刀片使整个刀架绕传动轴快速逆时针旋转，将剪下的茶嫩芽甩入收集盒，从而完成茶嫩芽的收集，如图5(d)~(e)所示；最后，控制舵机带动曲柄顺时针旋转，进而推动连杆、刀板顺时针旋转，使刀板与刀架上的刀片分离，随后刀板与刀架上的挡杆接触，并且通过挡杆使刀架随刀板向下旋转，完成复位，如图5(f)所示。

　　3末端执行器静力学分析

　　末端执行器的传动轴、曲柄、连杆和刀板构成了一个曲柄摇杆机构。曲柄的旋转运动通过连杆使刀板摆动；当刀板摆动一定角度后与刀架上的刀片接触，完成茶叶茎秆剪切。本节对刀板和刀架相互接触时的作用力进行分析。

　　图6所示为曲柄摇杆机构的运动简图和受力情况。设曲柄长度为lAB，连杆长度为lBC，刀板上CD和DE两个直线段的长度分别为lCD和lDE，转动中心A和D之间的距离为lAD。表1所示为杆件长度及其质量。令曲柄上点B线速度方向与连杆BC之间的夹角为β，刀板上点C线速度方向与连杆BC之间的夹角为α。当刀板和刀架接触时，通过SolidWorks的测量工具测得β=12.7°、α=8.96°。本文所用舵机扭矩为M=40 N·cm。在扭矩M的作用下，曲柄上点B的作用力大小为：

　　由图6可知，刀板可视为以点D为转动中心的杠杆，由杠杆原理可知：

　　4实验与分析

　　4.1仿真实验

　　为了验证末端执行器结构的合理性，使用Solid‐Works软件对末端执行器进行实体建模，并将模型导入Motion模块进行运动仿真分析。根据舵机的特点，将电机角速度设置为310(°)/s，电机转动角度为0°~155°。由于刀板和刀架是该末端执行器中体型大、质量大且速度快的构件，它们的角速度、角加速度变化情况对茶嫩芽采摘效果的影响很大，为此对角速度和角加速度进行分析，结果如图7~8所示。由图可知：(1)刀板的角速度变化范围为-438~487(°)/s，角加速度变化范围为-3 373~3 179(°)/s；(2)刀架的角速度变化范围为-437~487(°)/s，角加速度变化范围为-4 775~2 382(°)/s2。刀板和刀架的角速度均较大，表明末端执行器运动速度快，作业效率高。刀板和刀架的加角速度变化范围很大，表明施加在刀板和刀架上的作用力大且复杂，存在动载荷，因此刀板和刀架与其他构件的链接处应适当加强。

　　4.2采摘试验

　　4.2.1试验方法

　　为检验本文所设计末端执行器的性能，对多株茶树的茶嫩芽进行采摘试验。于2022年5月22日17时—19时在仲恺农业工程学院的数字农场进行采摘实验，作业对象为茶树顶端的一芽一叶。试验方法为：首先，手持末端执行器接近目标的茎秆位置，使刀板和刀架所围成的开口进入采摘区域；接着，通过手机遥控舵机旋转使末端执行器对一芽一叶进行采摘。一共进行3组实验，每组20次，手动记录采摘成功次数和作业时间。图9所示为实验效果。

　　4.2.2结果与分析

　　实验结果如表2所示。由表可知：末端执行器对一芽一叶的采摘成功率分别为75%、70%和80%，平均成功率为75%，基本能够满足茶叶采摘机器人的作业需求。通过分析采摘失败的例子，可知失败的主要原因：(1)茶嫩芽生长密集，末端执行器在剪切过程中容易误夹目标嫩芽邻近的嫩芽，使得末端执行器被堵塞；(2)刀架内部有很多螺钉连接，螺钉伸出的部分会阻碍嫩芽运动，使得嫩芽无法顺利进入收集盒；(3)部分嫩芽被甩出收集盒。未来应缩小剪切部位尺寸，减少刀架内部螺钉连接数量。此外，由于刀架在运动过程中存在转动惯量较大的问题，未来应设法优化刀架结构和材料。经统计，该末端执行器对单个茶嫩芽的平均采摘时间为1.5 s，能够满足采摘机器人的实时性要求。

　　5结束语

　　为了提高茶叶采摘机器人的作业效率和连贯性，本文创新设计一种剪切-收集一体式采摘末端执行器。该末端执行器使用曲柄摇杆机构对茶嫩芽实施剪切，利用曲柄摇杆机构的运动惯性对茶嫩芽进行抛扬，进而实现茶嫩芽的收集。静力学分析表明，该末端执行器产生的剪切力为6.51 N，大于剪断茶嫩芽所需的最大剪切力6.4 N。田间作业试验表明，该末端执行器对茶嫩芽的采摘成功率为75%，平均采摘时间为1.5 s，能够满足茶叶采摘机器人的作业需求。未来将优化末端执行器各构件结构和材料，进一步提高作业性能。

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