多级伸缩式柔性变刚度双孢蘑菇采摘末端执行器的设计与性能优化研究

本文推荐一款创新设计的柔性变刚度末端执行器，通过多级伸缩结构和仿生吸盘（flexible variable stiffness suction cup）解决了密集倾斜双孢蘑菇（Agaricus bisporus）在狭窄层架（0.5 m间距）中的低损伤（损伤率2.1%）高效采摘难题。该装置最大伸缩比达1:3，结合负压吸附与扭转动作，在实验室和田间试验中实现85%-97.5%的采摘成功率，单菇平均耗时4.3秒，为工厂化蘑菇自动采收提供了关键硬件支持。

　　

Highlight

本研究开发了一种具有多级伸缩结构的柔性变刚度末端执行器，用于解决狭窄空间内密集倾斜双孢蘑菇（Agaricus bisporus）的采收难题。该装置基于扭转采摘动作设计，通过多板协同运动实现伸缩，最大伸展比例达1:3，可在紧凑空间完成采收与运输任务。

Agaricus bisporus栽培环境与生长特性

双孢蘑菇通常在多层菇床（15-20 m×1.6 m，层间距0.5 m）中密集生长。测量显示，菇体倾斜现象在密集簇生情况下更为显著，这对传统吸盘（suction cup）的吸附稳定性提出挑战。

吸附力实验与结果分析

通过实验室蘑菇模型精确控制目标尺寸和倾斜角（0-40°），系统评估了优化吸盘的吸附性能。实验发现：内腔刚度（inner cavity stiffness）和中央腔负压（central cavity negative pressure）对拔出力（pull-out force）具有决定性影响，最终筛选出最佳工作参数。优化后的吸盘在40°倾斜模型上仍保持稳定吸附。

Conclusion

新型末端执行器通过伸缩臂（telescopic arm）和柔性吸盘的组合，实现了狭窄空间内双孢蘑菇的高效低损采收（损伤率2.1%）。田间试验表明，该装置对0-40°倾斜菇体的采收成功率达81.8%-97.5%，单菇平均耗时4.3秒，显著优于现有技术。