果蔬采摘机器末端执行器设计与柔顺控制研究

一、引言

（一）研究背景与意义

果蔬产业是我国农业的重要组成部分，据统计，我国果蔬年产量超 3 亿吨，采摘环节占整个生产过程劳动力成本的 50%-70% 。然而，随着农村劳动力向城市转移，采摘人力短缺问题日益突出，且人工采摘易受经验、体力等因素影响，导致果蔬损伤率较高（部分浆果类损伤率可达15%以上）。因此，研发高效、低损伤的果蔬采摘机器成为农业自动化领域的研究热点。

末端执行器作为采摘机器，其性能直接决定采摘效果。现有执行器存在两类典型问题：一是刚性结构设计导致抓取力控制精度不足，易压伤软质果蔬（如番茄、草莓）；二是驱动方式复杂（多电机或气动控制），导致结构臃肿，难以适应密集种植环境（如大棚藤蔓作物）。

（二）国内外研究现状

国际上，日本早稻田大学研发的番茄采摘机器人采用三指气动夹爪，通过气压调节控制抓取力，但响应速度较慢（延迟约0.5s）；荷兰瓦赫宁根大学针对草莓采摘设计了柔性硅胶指尖，结合力传感器实现了损伤率 8% 的抓取效果，但结构尺寸较大（直径超10cm），适用性有限。

国内研究中，中国农业大学提出了基于形状记忆合金（SMA）的驱动方案，通过温度控制实现夹爪开合，结构轻便但驱动力不足（最大抓取力仅5N）；华南农业大学研发的四指欠驱动执行器，利用弹簧实现被动自适应，但缺乏主动力反馈，对异形果蔬（如梨）抓取稳定性差。

综上，现有技术在“柔顺性”与“适应性”的平衡上仍存在改进空间，需从结构设计与控制策略两方面协同优化。

二、末端执行器结构设计（一）设计目标与参数确定

针对番茄、草莓、苹果等典型果蔬的物理特性（表1），执行器需满足以下指标：

抓取范围：直径30mm-120mm（覆盖多数常见果蔬尺寸）；

最大抓取力：0-20N（可调节，避免软质果蔬损伤）；

重量： ⩽200g （减轻机械臂负载）；

工作温度：-5℃-40℃（适应大棚与果蔬类型 平均直径（mm） 表皮硬度（N/mm²） 最大耐受力（N）

草莓 30-50 0.3-0.5 3-5番茄 50-80 0.8-1.2 8-12苹果 70-120 2.5-3.0 15-20（二）欠驱动结构设计

执行器采用三指对称布局，基于欠驱动原理减少驱动单元，结构如图 1 所示。主要包括：

1. 手指模块：每根手指由基座、中间关节、指尖三部分组成，采用 ABS 材料3D 打印成型，重量仅35g。指尖覆盖1mm 厚硅胶垫，表面做防滑纹理处理（摩擦系数提升至0.8），既增加摩擦力又避免硬接触损伤。

2. 传动机构：单电机（直流伺服电机，额定扭矩0.5N·m）通过齿轮箱驱动主动轴，主动轴与三根手指的基座通过拉绳连接。当电机正转时，拉绳收紧，手指在关节处的扭簧作用下弯曲闭合；反转时，扭簧复位，手指张开。

3. 被动自适应机制：手指中间关节处设置限位块，当抓取不同尺寸果蔬时，关节可根据接触位置自动调整弯曲角度（最大弯曲90°），实现对不规则形状的自适应包裹。

（三）力传感系统集成

为实时监测抓取力，在每根手指的硅胶垫下方嵌入微型应变片式力传感器（量程0-10N，精度 0.01N），传感器信号经放大电路（增益1000 倍）传输至STM32 单片机，采样频率设为100Hz，确保动态响应及时性。三、柔顺控制策略设计

（一）控制目标

柔顺控制的核心是实现“力-位置”协同调节：当手指接触果蔬后，若实际抓取力超过设定阈值（根据果蔬类型预设），则通过电机反向微调降低力值；若抓取力不足（易导致滑落），则正向调节增大驱动力，最终使力值稳定在安全范围内。

（二）控制算法设计

采用模糊 PID 控制算法，解决传统PID 在非线性系统（如果蔬变形、摩擦系数变化）中适应性差的问题。1. 模糊规则设计：以“力偏差（设定值-实际值）”和“偏差变化率”为输入，输出PID 参数（Kp、Ki、Kd）的修正量。例如：当偏差为正且变化率大（抓取力远不足），增大 Kp 和 Ki 以快速提升驱动力；当偏差接近 0且变化率小（接近稳定），减小Kp 避免超调。

2. 控制流程：

初始化：根据果蔬类型设定目标力值（如草莓5N、苹果18N）；

抓取阶段：电机驱动手指闭合，力传感器实时反馈；

调节阶段：模糊 PID 算法根据力偏差调整电机转速与方稳定阶段：当力值在目标值±0.5N 范围内持续0.3s，判定为抓取稳定，停止调节。

（三）仿真验证

基于 ADAMS 建立执行器动力学模型，模拟抓取直径 60mm 番茄的过程（目标力 10N）。结果显示：传统PID 控制下，力值超调量达3N（峰值13N），稳定时间1.2s；模糊PID 控制下，超调量降至0.8N，稳定时间0.5s，且力波动幅度≤0.3N，满足柔顺控制要求。

四、实验与结果分析（一）实验平台搭建

实验系统由末端执行器、六自由度机械臂、视觉定位模块（3D 相机，精度±1mm）、数据采集卡及上位机组成。选取草莓（软质）、番茄（中硬质）、苹果（硬质）各30 个作为实验样本，重复抓取3 次/样本，统计损伤率与成功率。

（二）实验结果

1. 损伤率：草莓损伤率 2.2% （仅2 个表皮轻微压痕），番茄损伤率 1.1% ，苹果无损伤，均优于现有文献报道的 8%-15% 。

2. 抓取成功率：草莓 93.3% （2 个因过度成熟滑落），番茄 96.7% ，苹果 100% ，平均成功率 96.7% 。

3. 响应速度：从接触到力稳定的平均时间0.45s，满足实际采摘效率需求（单个果蔬采摘周期约3-5s）。

（三）误差分析

失败案例的主要成因包括：视觉定位偏差 (±2mm) ），导致手指接触位置发生偏移；以及极端异形果蔬（如畸形番茄）的自适应效果不理想。后续可通过视觉与力觉融合定位技术进行进一步优化。

五、结论与展望

本文设计的欠驱动柔性末端执行器，通过结构轻量化与被动自适应设计，结合模糊PID 柔顺控制策略，实现了对不同类型果蔬的低损伤抓取。实验表明，系统损伤率低于 3% ，成功率超 95% ，性能优于现有同类装置。未来研究可从三方面改进：

1. 材料优化：采用形状记忆合金与硅胶复合结构，提升手指柔韧性；

2. 控制升级：引入深度学习算法，实现果蔬类型自动识别与目标力自适应设

3. 集成应用：与移动机器人平台结合，开展田间实际采摘测试，验证复杂环境适应性。

该研究为果蔬采摘自动化提供了关键技术参考，有望推动农业机器人在规模化种植中的应用落地。

参考文献

(1) 赵华, 农业机器末端执行器设计综述[J]. 农业机械学报, 2023, 54(2):1-10.

(2)贺磊磊;辜煜;夏满.猕猴桃作业机器人研究进展及全程智能化生产展望2025-08-(3) 王兴. 欠驱动机械手指的柔顺控制研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(8): 123-131.

(4)谯懿宸;冯青春;吴建伟;鲁文桥;李涛;郭鑫;王秀静;李洪文.苹果采摘机械臂模块化构型优化设计 农业工程学报.2025-08-11