基于柑橘扭枝采摘技术的仿生矮牵牛柔性末端执行器的设计与性能分析

《Computers and Electronics in Agriculture》：Design and performance analysis of bionic petunia flexible end-effector based on citrus twist picking

柑橘采摘柔性末端执行器设计与理论模型研究。针对果实成簇隐蔽问题，受petunia花瓣非线性变形启发，设计具有可变开度的柔性抓取机构，结合扭转策略实现复杂树冠环境下的高效单果采摘。建立基于果实几何参数、抓取角度与驱动扭矩的力学模型，推导最小抓取力与峰值扭矩关系。实验表明，抓取角≤45°时，直径75-95mm柑橘成功率≥100%，平均采摘时间3.4秒，验证了"柔性执行器+扭转策略"的有效性。

　　

张伟|张道德|杨华琳|赵文军|卢锡康

青岛科技大学机械与电气工程学院，中国青岛市266061

摘要

为了解决采摘成簇生长且容易被树叶遮挡的柑橘果实的挑战，设计了一种灵活的末端执行器。该执行器能够在密集的树冠中分离出单个果实，其设计灵感来源于矮牵牛花开花时花瓣轮廓的非线性变形。采用基于扭转的采摘策略来替代传统的剪切方法。建立了一个模型来描述柑橘的几何形状、采摘姿势与所需驱动力之间的关系。最终推导出了驱动力与成功采摘柑橘所需峰值扭矩之间的关系，为握力应用提供了理论依据。现场实验表明，当采摘角度小于30°时，直径为75–95毫米的柑橘果实的采摘成功率可达100%；在30°–45°范围内，直径小于80毫米的果实采摘成功率为100%，而直径大于80毫米的果实采摘成功率仅为64.3%；当采摘角度超过45°时，采摘成功率降至29%。每个果实的平均采摘时间为3.4秒。由于实验中未使用完整的视觉识别系统，计时仅在末端执行器稳定抓取果实后开始，计时结束条件为观察到柑橘果柄断裂。当采摘角度控制在45°以内时，该灵活末端执行器的采摘成功率最高。这些结果证明了“灵活末端执行器+扭转采摘”策略在柑橘采摘中的可行性。

引言

柑橘采摘是一个典型的劳动密集型产业。近年来，从事这一行业的人数持续减少，导致劳动力严重短缺，制约了行业的发展（中国国家统计局，2023年；赵等人，2024年）。为应对这一挑战，农业采摘作业的自动化和智能化已成为不可避免的趋势（Mor等人，2022年；孙等人，2023年；赵等人，2025年；李等人，2022年；王等人，2022年；陈等人，2024年；张等人，2024年；赵等人，2023年）。在这一过程中，末端执行器的设计起着关键作用（李等人，2019年；李，2021年；王，2019年）。

就具体的末端执行器设计方法而言，目前的柑橘采摘方法主要分为两类：批量振动采摘和选择性单果采摘。虽然批量振动采摘效率较高，但往往会对果实和树枝造成严重机械损伤，因此不适合对外观质量要求严格的鲜食市场（孙等人，2025年；俊明等人，2021年）。相比之下，选择性单果采摘能更好地保持果实品质（吕等人，2022年；鲍等人，2024年；肖，2022年）。然而，其实施仍面临许多技术挑战，包括由于果实成簇生长导致的难以分离和采摘的问题、精确定位果柄的难题，以及末端执行器无法深入树冠进行有效抓取和采摘的问题（张等人，2025年；侯等人，2024年；曲等人，2025年）。

为了解决这些挑战，研究人员探索了多种柑橘采摘末端执行器的设计策略。例如，为了解决果柄定位的问题，王等人（Wang等人，2019年）和尹等人（Yin等人，2023年）设计了受蟒蛇启发的咬合型末端执行器。通过调整其开口角度，这些设计可以适应不同大小的果实，并在完全包裹住果实后进行采摘，从而减少了对精确果柄检测的依赖。其他研究试图通过限制手指开口角度和集成隐藏的刚性切割器来提高在密集树冠中的机动性（肖等人，2024年；余等人，2021年；马等人，2024年）。然而，由于这些设计仍然依赖于刚性剪切，它们在采摘单个果实时存在困难。尽管基于扭转的采摘策略可以在一定程度上避免刚性剪切机制的缺点（Davidson和Mo，2015年；Gunderman等人，2021年），但目前专为扭转采摘设计的灵活末端执行器仍面临两个主要问题。首先，灵活的手指通常依靠根部铰链来控制开口直径，但在树冠受限的环境中，其被动柔顺性会导致开口受到周围树枝的限制，即使铰链角度达到预设值，手指也无法扩展到所需大小。其次，大多数研究缺乏基于结构模型的握力分析，而是依赖于从果实质地测试中得出的损伤阈值（陈等人，2018年；Ihueze和Mgbemena，2017年）。这使得抓取过程对外部干扰非常敏感，增加了果实受损的风险以及因握力不足导致采摘失败的可能性（张等人，2024年；余等人，2025年）。

为了克服现有灵活末端执行器的结构设计局限，本文提出了一种受矮牵牛花开花时花瓣非线性变形特性启发的灵活末端执行器。与现有的基于扭转的末端执行器相比，该设计显著简化了灵活手指的结构。通过将驱动铰链置于手指的中点，并将根部设计成悬臂梁，该结构在打开过程中产生非线性变形模式，变形从铰链向根部逐渐减小。这使得指尖能够发生显著变形，同时最小化根部的变形，即使在狭小空间内也能实现较大的开口直径，并提高通过树冠间隙的能力。得益于铰链的位置，末端执行器在抓取后能够最小化其局部空间占用，从而在狭窄间隙内进行扭转运动。此外，本文建立了一个理论模型来确定所需的最低握力，该模型关联了果实的几何形状、采摘角度和驱动扭矩，为施加适当的握力和减少损伤提供了定量指导。本研究的主要贡献如下：

• （1）
  受矮牵牛花开花时花瓣非线性变形的启发，开发了一种用于扭转采摘的灵活末端执行器，其在树冠间隙中的通过性能优异。
• （2）
  建立了一个理论模型，根据果实几何形状和采摘条件确定所需的最低握力，为减少扭转采摘过程中的果实损伤提供了指导。
• （3）
  现场实验验证了该末端执行器在从果簇中采摘单个柑橘果实方面的有效性，并证实了所提出的握力模型的实用性。

灵活末端执行器结构设计

本文介绍了一种用于柑橘采摘的灵活末端执行器。该末端执行器是模块化的，主要由抓取单元和扭转单元组成。抓取单元包括灵活的手指、中央机构、安装基座、固定套筒以及带有丝杠的抓取电机，如图1（a）所示。抓取电机为U-MOT Technology Co., Ltd.生产的步进电机（框架尺寸42毫米，长度60毫米，步进角1.8°，额定电压24伏，额定电流2安培），由TB6600驱动器驱动

抓取单元的模型验证

本节通过实验验证了灵活末端执行器抓取单元的运动学和力学模型。表1总结了实验中使用的抓取单元的主要结构参数。

结论与未来工作

受矮牵牛花开花行为的启发，本研究开发了一种用于在密集树冠中采摘柑橘果实的灵活末端执行器。为了确保安全和有效的扭转采摘，提出了最低握力策略。现场实验表明，该末端执行器能够在穿过树枝间隙的同时成功抓取和扭转果实，且没有造成任何果实损伤。

CRediT作者贡献声明

张伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理。 张道德：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取，正式分析，概念化。 杨华琳：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理，资金获取，正式分析，概念化。 赵文军：撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“不确定环境中移动机器人自主行为的智能感知理论与关键技术研究”（创新组）（项目编号2023AFA037）和“智能农场设计与发展项目”（项目编号ZXKY20230528）的资助。作者感谢项目专家在分析项目要求方面提供的宝贵见解和贡献。