摘要：针对人工采收咖啡豆劳动强度大、采摘效率低的问题，研究提出了一套自动采收咖啡豆的机器人解决方案，满足咖啡豆精确快速采收的需求。创新设计了一种梳齿式末端执行机构，该机构由一对相位相差180度的左右梳齿条组成，由丝杆机构完成左右梳齿的闭合，将承载咖啡豆的枝条约束在左右梳齿中间，由凸轮机构带动梳齿条往复运动，固定在梳齿条上的胶棒对咖啡枝条进行振击，成熟咖啡豆在触碰力作用下从枝条上脱落，实现快速采收。对梳齿胶棒与咖啡豆之间的冲击特性进行了理论分析，建立了载荷与接触夹角之间的函数关系；对梳齿机构进行了有限元分析，确定了轻量化梳齿机构的结构尺寸参数。仿真分析结果表明，所提出的梳齿式咖啡豆采收机构对成熟咖啡豆振击式采收具有可行性。

　　关键词：咖啡豆采收；梳齿式；末端执行机构；自动化采摘

　　1.引言

　　在全球咖啡市场需求持续增长的背景下，咖啡种植规模不断扩大，标准化种植和规范化种植成为行业主流，推动了咖啡产业的现代化进程。但是传统的咖啡豆采收方法逐渐显露出其局限性，如效率低下、劳动强度大以及对咖啡豆和咖啡树的潜在损伤。面对这些挑战，机器人的广泛应用为咖啡产业提供了新的解决方案。机器人的精准作业和高效性能不仅能够显著提高采收效率，降低劳动强度，合理的采收结构还能减少对咖啡豆和咖啡树的损伤，有助于提升咖啡品质和产量。因此，深入研究并推广机器人采收技术，对于推动咖啡产业的可持续发展具有重要意义。

　　咖啡豆果实的大小及硬度与蓝莓、枸杞等小型果实具有相似特性。在农业工程领域中，针对此类果实，常见的采收方式有振动式、梳齿式、气压式和剪切式等，在研发应用方面取得了重要的成果。郭艳玲、马国军等根据振动采收的原理分别设计了手推式矮丛蓝莓采摘机和龙门式枸杞采摘机。前者利用滚筒与筒内的辊子的旋转运动，后者利用采摘条的竖直往复运动为植株施加振动，实现成熟果实与树枝的分离，掉落至机器内部的果实传送与收集装置。此种采收方法通过振击实现批量化收获，收获的果实外观质量与手工采摘的情形相近，充分体现了机械化采摘的效率优势。耿雷等研发的“高丛蓝莓采摘机”和禹孜恒等研发的“梳刷式枸杞采摘机”则依据了梳齿式的采收原理进行设计。两机器内部均使用了辊轴的结构，辊轴上均匀分布着多条梳齿。梳齿在旋转过程中不断击打果实，使之掉落至机器下方的收集装置。此外，张韵提出采用气吸的方式采收小浆果，其工作原理类似于家用的吸尘器。当机器制造的负压大于果实与树枝的结合力时，便会通过软管把果实吸进机器内部进行除杂、分离与收集，为小型果实的采收方式提供了创新的思路。

　　虽然目前对小型果实的采收技术已进行了广泛的研究，并在实际应用中取得了一定成效，但针对咖啡豆的机械化采收机器人的研发还未见报道。鉴于咖啡豆在全球贸易中的重要地位及其独特的生长和采收特性，开发标准化、规范化、自动化的咖啡豆采收机器人显得尤为重要。结合当前农业机器人技术和咖啡豆采收的实际需求，研究提出一种咖啡豆梳齿式采收机器人解决方案，通过独特的梳齿式设计，能够在有效摘取咖啡豆的同时降低果实的损伤率；配合智能化操作系统，可以实现自动化控制和数据采集，满足咖啡豆机械化采收的需求。

　　2.梳齿式咖啡豆采收机器人的总体方案设计

　　2.1咖啡树农艺性状分析

　　对于植株尺寸，进入盛产期的五年生咖啡树的高度一般在1700—1770mm之间，其中挂果树枝的最大高度为1500—1600mm；对于树枝尺寸，于英杰等人在云南农业大学咖啡试验区内采用了五点取样法取10棵果树作为样本，测量了20组数据进行统计分析，结果显示，挂果树枝长度的平均值为437.75mm。咖啡树农艺数据显示，不同树龄的树体的高度不同，且种植户通常需要对咖啡树进行修剪和整理以满足采收的需求。从机器人批量化采收的角度出发，机收咖啡树通常需要规范化种植，建设标准化咖啡种植园。为此，设计参照标准化种植模式的咖啡树树形农艺特征，确定咖啡树的农艺数据为：树高1800mm，最大树枝高度1600mm，枝条长度440mm，树冠直径大约1800mm。咖啡树农艺树形特征如图1所示。

　　2.2采收机器人整体方案设计

　　咖啡豆梳齿式采收机器人的主要机械结构包括底盘小车、机械臂、开合螺旋传动机构、振动凸轮机构、梳齿、果实收集装置等，整体结构如图2所示。为建立梳齿与咖啡豆果实之间的运动关系，在咖啡树树干轴线与地面的交点建立世界坐标系OW-xWyWzW；在深度相机安装位置建立相机坐标系OC-xCyCzC，在梳齿处建立采收末端坐标系OE-xEyEzE。

　　2.3采收机器人工作原理

　　研究提出的咖啡豆梳齿式采收机器人方案，可以通过搭载在机械臂上的深度相机实现咖啡豆的自动识别和定位，在机器视觉伺服智能操作系统作用下完成成熟咖啡豆的自动振击脱落。首先，搭载在机械臂上的视觉系统捕捉到咖啡树树枝与咖啡豆目标果实后，通过视觉伺服系统控制机械臂，将机械臂末端的梳齿机构与目标树枝定位对齐，末端执行器的梳齿在丝杆的驱动下，由外向内闭合，将咖啡枝条夹持在振动梳齿之间，启动凸轮机构转动，在梳齿的往复振击下，实现成熟咖啡从枝条上脱落，脱落后的咖啡豆自动掉入漏斗状接收盘，随后与之相连的软管下落到位于底盘上的收集框中，完成自动收集。

　　3.梳齿式咖啡豆采收机器人末端结构设计

　　梳齿式末端机构的总体设计如图3所示，由开合螺旋传动机构、振动凸轮机构、漏斗状接收盘和收集框组成。

　　3.1开合螺旋传动机构

　　考虑到咖啡豆呈簇状分布在枝条上，为了将枝条定位在梳齿间，设计选择螺旋传动机构实现左右梳齿的开合，如图4所示。左梳首和振动电机架固定在底板上，右梳首和右梳末下方各设置一对滚轮，使其可以在底板上移动，以达到把咖啡豆果实集中到梳齿中央的目的。开合电机启动后，丝杠开始绕yE轴以图4所示的方向旋转，右梳首内部的滚珠开始沿轨道滚动，进而带动右梳首和右梳齿一起向yE轴负方向运动。为保证右梳末端能同步顺利移动，振动电机架与右梳末共同构成滑块机构，其中右梳末充当滑块，上下两端设计有凹槽，从三个方向对振动电机架进行包夹；振动电机架可在滑槽里沿yE方向滑动。经过设定时长后，梳齿闭合到位，开合电机停止运行。为防止右梳齿在开合电机断电失效时冲越预定位置，在底板上设计了两组楔形限位块，限制滚轮的运动范围。

　　3.2振动凸轮机构

　　考虑到咖啡豆受到来自梳齿的扰动方可从树枝上脱落，设计选择振动凸轮机构完成采收末端的梳齿振动，如图5所示。右梳齿固连在右梳首和右梳末上，左梳齿固连在方圆转换件和左梳末上，方圆转换件穿过左梳首内部并可沿xE方向滑动。振动电机启动后通过凸轮机构将匀速旋转运动转化为左梳齿的往复直线运动。左梳首与方圆转换件之间安装一弹簧，目的是实现左梳齿的回程运动，同时保证滚轮与凸轮的可靠接触。

　　考虑到凸轮机构的振动频率和咖啡豆振击脱落的效率，设计确定凸轮的推程为138mm。依据设计需求，左梳齿从右极限始发，经过加速、匀速、减速的运动过程后前进至左极限，接着以对称的运动方式返回至右极限，完成一次运动周期。以右极限（初始位置时）为原点，凸轮转过的角度为横坐标，梳齿的位移为纵坐标建立“角度—位移”图像，并将一周的旋转过程等分为16份并取点，获取每个取点处梳齿的位移，如图6（a）所示。考虑到凸轮在旋转过程中不能与其他部件发生干涉，设计选定φ46mm作为基圆直径，使用图解法在各取点处延伸对应的长度，形成凸轮的理论廓线，如图6（b）所示。为减少凸轮传动的摩擦，保证梳齿振动行程平稳，设计选用滚子式凸轮机构，滚子直径设计为32mm，因此由理论廓线向内偏移16mm得到实际廓线，完成凸轮的设计。

　　3.3咖啡豆收集装置的设计

　　咖啡豆果实的接收盘长480mm，宽208mm，如图7（a）所示。接收盘整体呈漏斗状，主体壁厚为6 mm。上方设置一高度为48 mm的矩形遮挡，防止边缘处的咖啡豆掉落至接收盘外；下方设置一内径为φ25mm，壁厚为3mm的贯通圆管接口，可插入塑料软管，把掉落的咖啡豆输送到安装于底盘小车的收集框中，如图7（b）所示。底板处设计有与接收盘外形相匹配的凹坑，接收盘置于其上时位置居中，可以覆盖梳齿的有效工作区域，如图7（c）所示，使咖啡豆全部落入接收盘中。

　　4.梳齿式咖啡豆采收机器人仿真分析

　　硅橡胶具有弹性好，对咖啡树和果实的损伤小的优点，因此设计选用硅橡胶作为梳齿胶棒的材料；然而硅橡胶的承载能力弱，受冲击时容易变形过度，而在采收过程中，梳齿与咖啡豆的相互作用颇为频繁，梳齿是采收过程中的关键受力构件。设计使用Solidworks Simulation插件对左梳齿进行了有限元分析，分析计算梳齿所受载荷的大小、方向和作用位置，优化其结构尺寸。

　　4.1梳齿的受载情况

　　对一粒咖啡豆与一条梳齿胶棒进行研究，如图8所示，质量为mt的梳齿以vt的速度沿xE轴正方向与一粒质量为md的咖啡豆运动并发生碰撞，咖啡豆初速度vd=0，碰撞后的瞬间受到胶棒的带动与其一起向xE轴正方向以v共的速度前行。假设咖啡豆与梳齿在同一直线上，且满足理想运动情况（忽略空气阻力与较小的能量损失），设各矢量的正方向为左，则在撞击瞬间，胶棒与咖啡豆组成的系统满足动量守恒方程：

　　初选梳齿胶棒尺寸参数后，一条梳齿胶棒的质量为0.77g（图9）；使用Solidworks Motion分析输出左梳齿的“速度—时间”图像（图10），取速度的最大值37mm/s进行计算；一粒生咖啡豆的重量因其品种和大小而异。例如，摩卡豆颗粒较小，而像曼特宁和哥伦比亚等咖啡豆则相对较大，根据文献，设置一粒咖啡豆的重量60mg进行仿真分析计算。

　　把mt=0.77g、vt=37mm/s、md=60mg、vd=0代入式（1）得：

　　胶棒在振动过程中受到咖啡豆给予的沿xE轴负方向的冲击力F（图11）。由动量定理得：

　　式中：Δt—胶棒与咖啡豆的撞击时间

　　在设定的运动模型中，咖啡豆之间碰撞时间非常短，设置撞击时间0.01 s，代表咖啡豆之间的瞬时撞击。

　　把Δt=0.01s、mt=0.77g、v共=34.33 mm/s、vt=037mm/s代入式（3）得：

　　以上适用于胶棒与咖啡豆对心碰撞的情况，即冲击力方向与胶棒的运动方向共线。但梳齿式采收方式中，咖啡豆将呈现出多种随机撞击方式，咖啡豆相对于胶棒在zE方向上偏移一定距离，如图12，在碰撞时会产生两种接触力：一是法向冲击力Fn，这是由胶棒与咖啡豆的直接接触碰撞引起的，此力沿接触面法向方向，力的幅值较大；在非对心碰撞过程中还会产生切向的摩擦力Ff，由接触面的滑动产生，力的幅值较小。把Fn和Ff分别分解至xE方向和zE方向，只有xE方向上的分量满足动量守恒，满足式（1）的要求。设Fn与水平方向的夹角为θn，Ff与水平方向的夹角为θf，式（3）可变更为：

　　滑动摩擦力可表示为：

　　Ff=UF(6)

　　式中：μ—胶棒与咖啡豆表面的动摩擦因数结合θn与θf互余的几何关系：

　　联立如上公式得：

　　其中，法向冲击力Fn是导致梳齿变形的主要载荷来源，因此移项使Fn单独位于等号一侧，得：

　　当胶棒向xE轴正方向运动时，咖啡豆只有在图13阴影部分所示的左半圆内（不包括直径边界）才能与梳齿发生碰撞；若胶棒运动方向相反，则碰撞范围在右半圆。在非对心碰撞的条件下：

　　工程测试表明，金属与干燥、未润滑的表面之间的摩擦系数通常在0.1到0.5之间，此处取μ=0.3进行分析计算。令，使用Microsoft Excel列出f(θn）的自变量值与函数值，再使用Auto CAD软件画出该函数的图像，如图14所示。

　　由图像可得，随着θn的增大，f(θn）先增大后减小，由式（9）得Fn先减小后增大。当0<θn<0.58时，f(θn）>1，Fn<2.06×10-4 N；当时，0<f(θn）<1，Fn>2.06×10-4 N。由此可知，梳齿与咖啡豆非对心碰撞时产生的冲击力存在大于对心碰撞的可能性。因此，有限元分析的过程中，不仅要分析冲击力水平时梳齿的变形情况，还需要结合理论分析结果，设置多组冲击力从不同角度施加于胶棒的算例，确保在冲击力与胶棒的速度不共线的情况下，胶棒的所受的应力均在合理范围内。

　　特别地，当θn=0时，Fn=2.06×10-4 N，回归到了对心碰撞的情况，即对心碰撞时同样满足式（9）。

　　综合上述的分析，可得梳齿与咖啡豆之间的载荷规律如下：

　　（1）大小：冲击力F是一个关于夹角θn的函数，表达式为

　　（2）方向：沿咖啡豆与胶棒接触点的法线，指向胶棒；

　　（3）作用位置：胶棒的外表面。

　　4.2有限元分析算例

　　使用Solidworks Simulation插件对左梳齿的胶棒部分进行有限元分析。由于胶棒的一端通过螺栓固定在圆钢上，在振动过程中不会产生应变，因此选择此端作为固定几何体，如图15(a)所示；增加外部载荷时，考虑到θn越大，冲击力的增速也会逐渐增大，为了保证应力计算结果的准确性，防止遗漏重要数据，分别设置四组不同角度的受载情况：0、（45°)、（60°)、（80°),取点密度依次减小，如图15（b）所示。四组受载情况下胶棒的应力云图如图16所示，所受应力与屈服极限的对比如图17所示。

　　由有限元分析结果可知，当碰撞角度在0°—90°区间时，梳齿胶棒所受的应力均位于6.1×103—6.9×103 N/m2之间；随着碰撞角度的增大，应力先稳步增加，后急速减小。通过图17不难发现，无论碰撞角度为多少，梳齿胶棒受到的应力均未超过硅橡胶的屈服极限6×106 N/m2，梳齿的材料和尺寸参数可以满足采收末端的工作需求和工作强度。

　　5.结论

　　针对传统人工采收劳动强度大、采收效率低的问题，面对咖啡豆机械化和自动化采收的发展趋势，提出了一种基于视觉伺服智能操作系统的梳齿式咖啡豆自动采收机器人。该采收机器人集成了图像识别技术，实现咖啡豆果实位置的自动判断与定位，通过梳齿机构的开合与振动，完成果实自动分离、自动收集的采收过程。通过运动分析与有限元仿真分析，对梳齿机构的运动特性与受力状态进行了探究与验证。结果表明，该采收机器人具备高效、稳定且安全的作业能力，确保了设计的可行性与安全性。

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