基于TRIZ的獼猴桃采摘機設計

付敏 郭世珂 張龍一 郝鎰林 李池瑤

摘要：針對獼猴桃采摘效率低、易損傷果實等問題，應用TRIZ理論指導獼猴桃采摘機的設計。通過需求分析，確定獼猴桃采摘機的作業流程?；谙到y功能分析識別旋擰式獼猴桃采摘末端執行器的功能缺陷，應用因果分析、物場分析等TRIZ工具對采摘末端執行器求解創新方案，創新設計出一種自動定位果樹—識別果實—剪斷果?！占麑嵉墨J猴桃采摘機。應用ADAMS對末端執行器采摘動作進行步態仿真、應用MATLAB對采摘機作業空間和采摘軌跡進行動態仿真，結果表明：獼猴桃采摘機采摘軌跡空間范圍為X方向行程約1.4m、Y方向行程約1.8m和Z方向行程約2.3m；采摘速度為8 s/個，末端執行器采摘過程作業動作平穩連貫，滿足預期設計要求。在產品概念設計階段應用TRIZ理論，有利于產生高質量、多層級的概念解，提高產品設計效率。

關鍵詞：獼猴桃；采摘機；剪斷式；末端執行器；TRIZ理論

中圖分類號：TH122： S225.93? ?文獻標識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0001-07

Design of kiwifruit picker based on TRIZ

Fu Min， Guo Shike， Zhang Longyi， Hao Yilin， Li Chiyao

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， 150040， China）

Abstract：

Aiming at the problems of low picking efficiency and easy damage to fruit of kiwifruit equipment， the conceptual design of kiwifruit picking machine was guided by TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）. The operation process of kiwifruit picking machine was determined by demand analysis. Based on the analysis of systematic function， the functional defects of the screw end-effector for kiwifruit picking were identified， a set of TRIZ tools including causal analysis and substance-field analysis were applied to seek innovative solutions， a new kiwifruit picking machine was innovatively designed， which could automatically locate fruit tree， identify fruit， cut fruit stem and collect fruit. ADAMS was applied for gait simulation of end-effector picking action， and MATLAB was applied for dynamic simulation of operating space and picking trajectory of the picker. The results showed that the spatial range of the picking trajectory of kiwifruit picker was about 1.4 m in the X direction， 1.8 m in the Y direction and 2.3 m in the Z direction. The picking speed was 8 seconds per kiwifruit， and the end-effector picking process was smooth and consistent， which could meet the expected design requirements. The application of? TRIZ theory in the product conceptual design stage is conducive to producing high-quality， multi-level conceptual solutions and improving product design efficiency.

Keywords：kiwifruit; pickers; cut-off; end-effector; TRIZ theory

0 引言

獼猴桃營養價值豐富，具有非常大的市場需求。人工采摘的收獲方式勞動強度大，采摘效率較低［1］，因此，研究獼猴桃采摘機具有重要意義。

國內外相關學者針對獼猴桃等果蔬采摘機器人展開了一系列研究。Scarfe等［2］研制的4機械臂獼猴桃采摘機器人，每個機械臂上安裝一個可360°旋轉的采摘末端執行器，每采摘一個單果，機械臂將果實放入到收集箱中；Davidson等［3］設計了一種8機械臂蘋果采摘機器人，設置有果實自動收集器可以與機械臂協同配合，末端執行器完成采摘后，果實將自動被收集；Avigad等［4］設計了一款3自由度直角坐標型機器人，配備伸縮式三指欠驅動末端執行器，抓取蘋果后旋轉90°，將果梗拉拽斷裂后分離果實并收集。劉靜等［5］設計了一種2機械臂柑橘采摘機器人，設置有升降機構可以適應不同高度柑橘的采摘，末端執行器通過傳感器識別柑橘，夾持柑橘后由環形剪刀剪斷柑橘果梗。

提高果實采摘效率和保證果實無損采摘是果蔬采摘機器人的兩個關鍵指標，其中無損采摘主要靠采摘機末端執行器來保證［6］。崔永杰等［7］設計了一種旋轉分離式獼猴桃采摘末端執行器，通過左右夾持機構夾持果實并自動旋轉使果實與果梗分離；魏博等［8］設計了一款三指旋擰分離式柑橘采摘末端執行器，從底部接觸柑橘，采用三指充分夾持果實，再由底座帶動柑橘旋轉使柑橘與樹枝分離；陳子文等［9］研制了一種扭轉拉拽式番茄采摘末端執行器，由吸持回拉機構、果實夾持機構、果梗分離機構組成，通過吸附、回拉、夾持、扭轉4步動作實現單果采摘；Silwal等［10］研制的旋擰式蘋果采摘末端執行器，由3個驅動器及3個手指組成，手指在夾持果實后，由底座帶動果實旋轉直至果實與果梗分離。Xiong等［11］研制了一款拉拽式草莓采摘末端執行器，內部設置一個容器與采摘手爪協同配合，采摘手爪“吞沒”果實后再進行拉拽使果梗分離，果實自動落入容器；Bulanon等［12］研制了一種折斷式采摘末端執行器，由果梗夾持機構和旋轉機構組成，采用直流電機驅動果梗夾持器的兩個手指夾持果梗，夾持穩定后由步進電機驅動果梗夾持器進行果梗的折斷；Wang等［13］研制了一種剪切式番茄采摘末端執行器，由果實夾持機構、果梗夾持機構、果梗切斷機構組成，夾持機構套筒內的氣囊表面安裝有壓力傳感器用以檢測夾持力大小，避免果實損傷，果實夾持穩定后再切斷果梗。上述研究為獼猴桃等果蔬采摘技術的發展提供了有益啟示。

近年來，TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論在農業機械裝備的創新設計中得到廣泛應用，提高了設計質量和效率［1416］。因此本文應用TRIZ理論指導獼猴桃采摘機的設計，基于需求分析確定獼猴桃采摘機的組成結構和作業流程，應用TRIZ工具對采摘裝置、收集裝置和移動裝置進行設計，創新設計出一種果梗剪斷式的獼猴桃采摘機。

1 獼猴桃采摘機設計需求及作業流程

1.1 獼猴桃采摘機設計需求

獼猴桃采摘機設計需求包括功能需求和性能需求，如圖1所示。功能需求主要包括自動識別果樹、識別果實、夾持果實、果梗分離、收集獼猴桃。性能需求包括可以根據果園環境自動調節移動裝置速度、能自動調節末端執行器角度識別果實、能根據需要調節夾持力的大小、能快速收集獼猴桃、能充分適應果園采摘環境。

目前種植園多采用棚架式栽培，下方空間較大，不受枝干、樹葉等干擾。獼猴桃果實質量為100～140 g，果實直徑為40～50 mm，果梗長度為43～65 mm［17］。果實采摘過程中承受的最大壓力不超過6.35 N，最小夾持力不低于1.04 N，才能保證獼猴桃果實的無損采摘［18］。根據獼猴桃物性及生長環境，設計采摘機工作空間范圍：X方向行程為1.3～1.5m，Y方向行程為1.8～2.0 m，Z方向行程為2.2～2.4m；夾持果實的夾持力范圍為3～6 N；果實采摘速度為7～9 s/個。

1.2 獼猴桃采摘機作業流程

基于需求分析確定獼猴桃采摘機作業流程如圖2所示。獼猴桃采摘機的初始狀態是由人工啟動，移動裝置通過導航系統自主在果園移動識別定位獼猴桃果樹，接著由3自由度極坐標機械臂將采摘末端執行器上升到獼猴桃采摘區域，隨后末端執行器通過識別果實、夾持果實、剪斷果梗一系列動作完成對獼猴桃的采摘，最后通過自動收集裝置收集采摘的果實。本文應用TRIZ工具針對作業流程中涉及的采摘裝置、收集裝置和移動裝置進行創新設計。

2 基于TRIZ的獼猴桃采摘機設計

2.1 原型系統工作原理及問題分析

2.1.1 原型系統工作原理

目前常見的旋擰式獼猴桃采摘末端執行器［18］工作原理如圖3所示。當采摘末端執行器在獼猴桃適宜采摘區域時，末端執行器先通過紅外傳感器檢測出果實的位置，接著由靠近步進電機通過滾珠絲杠副驅動采摘手爪靠近果實，然后在夾持步進電機的驅動下采摘手爪以預設的夾持力夾持果實，最后通過旋轉步進電機帶動末端執行器整體旋轉，完成果實采摘。但是旋擰采摘時易造成果實損壞，且采摘過程還存在不易識別果實造成采摘效率較低等問題，所以本文擬以旋擰式采摘末端執行器為原型進行改進創新。

12.靠近步進電機

2.1.2 系統功能分析

系統功能分析是TRIZ理論體系中分析問題的重要工具之一，可以清晰地反映技術系統的組成結構、各組件之間的關系及功能作用，發現解決問題的切入點［19］。

技術系統名稱：采摘末端執行器；主要功能：分離果實和果梗；系統作用對象：果實與果梗；系統組件：旋轉步進電機、外殼、內殼、驅動步進電機、滾珠絲杠副、采摘手爪、夾持步進電機、左右旋絲杠副、識別傳感器；超系統組件：果實、果梗。

分析功能對象、系統組件和超系統組件間的作用關系，建立圖4所示的系統功能模型圖。

由圖4可知，原型系統存在的功能缺陷為：（1）識別傳感器對果實識別作用不足，造成果實采摘效率低；（2）在果實被扭斷時，果梗對果實產生拉扯的有害反作用，易造成果實損傷；（3）因果實大小形狀不同，采摘手爪夾持果實時易出現夾持不到位，造成果實脫落。

2.1.3 因果分析

因果分析是現代TRIZ理論中另一個重要的分析問題工具。因果分析的目的是通過研究事件發展的結果與產生原因之間的關系，發現問題產生的根本原因，尋找解決問題的薄弱點［19］。

針對原型系統存在的功能缺陷1，進一步應用因果分析，得到8個導致果實識別效率低的關鍵原因節點如圖5所示，為采摘識別裝置的改進設計提供方向。

2.2 采摘裝置設計

采摘裝置的作用是采摘果實，由識別裝置、夾持裝置和果梗分離裝置組成。針對原型獼猴桃采摘末端執行器果實識別效率低、夾持果實不到位及旋擰采摘時易造成果實損壞的問題，應用TRIZ的因果分析和物場分析對采摘裝置中的夾持裝置、果梗分離裝置和識別裝置進行改進設計。

2.2.1 夾持果實裝置設計

由圖5中“識別傳感器與采摘手爪配合不足”提出方案1（圖6）：引入滾珠絲杠升降機構，來調節采摘手爪夾持果實的位置，以實現對不同大小形狀果實的充分夾持，避免夾持過程中果實脫落。

2.2.2 果梗分離裝置設計

物場分析是TRIZ理論中解決問題的工具。最基本的物場模型由三個基本元素組成：S2為工具（即功能執行體），S1為作用對象（即功能接受體），F為它們之間的相互作用場。針對不完整、作用有害、作用不足的問題物場模型，TRIZ通過76個標準解進行變換求解［19］。

功能缺陷2發生于果梗分離裝置，應用TRIZ物場分析進行改進設計。由圖4可構建問題物場模型如圖7所示，在采摘手爪旋擰果實使果實扭斷果梗的過程中，果梗對果實產生拉扯的有害作用。

應用TRIZ標準解S1.2.3-引入超系統物質S3消除有害作用，提出方案2（圖8）：在采摘手爪上方適當空間區域設置一個剪切機構，等到采摘手爪夾持到果實后，由剪切機構剪斷果梗，完成果實與果梗無損分離。

2.2.3 識別果實裝置設計

由圖5中“傳感器識別角度范圍不足”，提出方案3：在末端執行器與機械臂連接處安裝一個旋轉軸承，使其可以360°旋轉識別果實。

由圖5中“傳感器數目不足”，提出方案4：在末端執行器采摘手爪正下方位置處，安裝4個果實識別傳感器，增大識別果實范圍，增強對果實的識別能力。

2.2.4 采摘裝置組成及工作原理

綜合以上概念解，設計的采摘末端執行器如圖9所示。

機械臂將末端執行器送到適當的采摘區域，當識別傳感器識別出果實后，機械臂停止移動；夾持機構在升降機構的作用下以預設的夾持力在適當區域夾持果實，接著剪切機構利用相向刀片剪斷果梗，完成單果采摘。

2.3 收集裝置設計

為實現獼猴桃采摘機連續作業，收集裝置應能實現快速收集并避免損傷果實。本文設計的收集裝置如圖10所示，由軟體傳送管道、緩沖墊和果實收集箱組成。當末端執行器完成果實采摘后，升降機構復位，采摘手爪打開，果實靠自重通過軟體傳送管道進入果實收集箱。為避免果實損傷，傳送管道內部設有多級緩沖墊。

為了實現獼猴桃采摘機能夠自己移動至獼猴桃果園采摘果實，現需設計一種適宜果園環境的移動裝置。目前常見的機器人移動裝置底盤種類有履帶式和輪式。因履帶式底盤接地面積大，抓地能力強，通過性能好，更適于獼猴桃種植園路面狀況，所以本文選用履帶式底盤作為獼猴桃采摘機的移動裝置。

3 整機結構及運動學分析

3.1 獼猴桃采摘機整體結構

綜合各概念解，創新設計了一種果梗剪斷式獼猴桃采摘機，三維模型如圖11所示。

履帶小車通過導航系統實現對果園果樹定位；機械臂在控制系統作用下將末端執行器送到適宜采摘區域；當末端執行器通過識別傳感器識別出果實位置時，機械臂停止移動；夾持機構在升降機構的作用下以預設的夾持力在適當區域夾持果實；剪切機構通過刀片剪斷果梗。完成上述動作后，機械臂遠離果實，升降機構復位，采摘手爪打開；果實通過安裝有多級緩沖墊的軟體管道落入收集箱中，完成一個單果采摘。

3.2 獼猴桃采摘機運動學分析

3.2.1 運動學方程

獼猴桃采摘機可以簡化為一系列連桿組成的開鏈機構，采用改進型D-H方法對其進行運動學建模與分析，如圖12所示。對應的D-H參數，如表1所示。

表1中：θ1、θ2、θ3、θ4、θ5為關節變量，αi、ɑi、di、θi分別為連桿扭轉角、連桿長度、連桿偏移量及關節角。

相鄰連桿坐標系間的變換矩陣為

i-1iT=cosθi-sinθi0ai-1sinθicosαi-1cosθicosαi-1-sinαi-1-sinαi-1disinθisinαi-1cosθisinαi-1cosαi-1cosαi-1di0001（1）

將表1中各連桿參數代入式（1）中可得各連桿變換矩陣01T、12T、23T、34T、45T和56T。01T如式（2）所示。

01T=cosθ1-sinθ100sinθ1cosθ10000100000（2）

式中：i-1iT——連桿i相對于連桿i-1的齊次變換矩陣。

其中采摘機運動方程06T表示為末端執行器相對于基坐標系的位姿即

06T=01T12T23T34T45T56T（3）

3.2.2 采摘機工作空間分析

機器人的工作空間又稱工作范圍［20］，它的形狀、大小是決定采摘機工作能力的關鍵因素?；贛ATLAB軟件中的機器人工具箱，運用蒙特卡洛法求得運動空間的近似解，通過正運動學方程式（3），求解出末端執行器相對于基座的位置向量，再通過rand函數隨機生成多個末端位置坐標點，得到工作空間云圖見圖13。

由圖13可知，獼猴桃采摘機工作空間為一個類似心形柱狀空間，X方向行程約1.4m；Y方向行程約1.8m；Z方向行程約2.3m，配合小車的前后移動或者沿樹干轉動，可以較好地滿足獼猴桃采摘空間的要求。

3.2.3 采摘軌跡動態仿真

基于3.2.1運動學方程和3.2.2采摘機工作空間分析，應用MATLAB仿真軟件對獼猴桃采摘機的整機運動軌跡進行仿真，仿真結果如圖14所示。

從識別第一個獼猴桃開始，到識別出第二個獼猴桃結束總過程用時12 s，在t=0 s，獼猴桃采摘機處于初始狀態；在1～4 s，采摘機通過機械臂將末端執行器送至果實采摘區域，且末端執行器通過識別傳感器識別出第一個獼猴桃并前往采摘；在5～8 s，末端執行器先后通過夾持果實、剪斷果梗、升降機構復位及打開采摘手爪等動作完成對第一個獼猴桃的采摘；在9～12 s，末端執行器通過識別傳感器識別出第二個獼猴桃并前往采摘。

仿真結果表明采摘機從開始識別第一個果實到完成采摘用時為8 s，再到識別出第二個果實用時為4 s，在果實采摘過程，整機采摘軌跡符合獼猴桃采摘作業空間的要求。

3.2.4 末端執行器采摘動作仿真

為了檢驗末端執行器在果實采摘過程中，各個機構之間是否存在干涉，采摘動作是否平穩連貫等問題，應用ADAMS仿真軟件對末端執行器采摘動作進行仿真分析，包括識別果實、夾持果實、剪斷果梗及升降機構復位四個運動步態，仿真結果見圖15。

STEP1：末端執行器通過識別傳感器識別獼猴桃；STEP2：夾持機構在升降機構的作用下以預設的夾持力在適當區域夾持果實；STEP3：剪切機構通過刀片剪斷果梗；STEP4：升降機構復位。

仿真結果表明末端執行器的各個機構之間相互協調、互不干涉，作業動作平穩連貫，符合預期設計要求。

4 結論

1） 基于TRIZ理論創新設計了一種自動定位果樹—識別果實—剪斷果?！占麑嵉墨J猴桃采摘機，可實現連續作業采摘果實。

2） 所設計的采摘末端執行器，采用相向刀片來剪斷果梗，達到無損分離果實與果梗目的；通過滾珠絲杠和導軌來微調采摘手爪夾持果實的位置，以實現對不同大小形狀果實的充分夾持，避免夾持過程中果實脫落。

3） 應用ADAMS對末端執行器采摘動作進行仿真，結果表明作業動作平穩連貫，滿足預期設計要求；應用MATLAB對獼猴桃采摘機工作空間和采摘軌跡進行仿真，結果表明采摘機工作空間范圍為X方向行程約1.4m，Y方向行程約1.8m，Z方向行程約2.3m；采摘速度為8 s/個，整機采摘軌跡符合獼猴桃采摘作業空間的要求。

參 考 文 獻

［1］李子悅， 袁顯舉， 王楚彥. 一種球形果采摘機器人及采摘方法［P］. 中國專利： CN114402806A， 2022-04-29.

［2］Scarfe A J， Flemmer R C， Bakker H H， et al. Development of an autonomous kiwifruit picking robot ［C］. 2009 4th International Conference on Autonomous Robots and Agents. IEEE， 2009： 380-384.

［3］Davidson J R， Hohimer C J， Mo C， et al. Dual robot coordination for apple harvesting ［C］. 2017 ASABE Annual International Meeting. American Society of Agricultural and Biological Engineers， 2017： 1.

［4］Avigad G， Salomon S， Kahani A， et al. Robotic fruit harvesting machine with fruit-pair picking and hybrid motorized-pneumatic robot arms ［P］. U.S. Patent： 11477942， 2022-10-25.

［5］劉靜， 林沖， 郭世財， 等. 柑橘類水果采摘機器的設計與研究［J］. 包裝工程， 2019， 40（17）： 56-62.Liu Jing， Lin Chong， Guo Shicai， et al. Design and research of citrus fruit picking machine ［J］. Packaging Engineering， 2019， 40（17）： 56-62.

［6］傅隆生， 張發年， 槐島芳德， 等. 獼猴桃采摘機器人末端執行器設計與試驗［J］. 農業機械學報， 2015， 46（3）： 1-8Fu Longsheng， Zhang Fanian， Gejima Yoshinori， et al. Development and experiment of end-effector for kiwifruit harvesting robot ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2015， 46（3）： 1-8.

［7］崔永杰， 馬利， 王寅初， 等. 一種旋轉分離式獼猴桃采摘末端執行器［P］. 中國專利： CN215122223U， 2021-12-14.

［8］魏博， 何金銀， 石陽， 等. 欠驅動式柑橘采摘末端執行器設計與試驗［J］. 農業機械學報， 2021， 52（10）： 120-128.Wei Bo， He Jinyin， Shi Yang， et al. Design and experiment of underactuated end-effector for citrus picking ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（10）： 120-128.

［9］陳子文， 楊明金， 李云伍， 等. 基于氣動無損夾持控制的番茄采摘末端執行器設計與試驗［J］. 農業工程學報， 2021， 37（2）： 27-35.Chen Ziwen， Yang Mingjin， Li Yunwu， et al. Design and experiment of tomato picking end-effector based on non-destructive pneumatic clamping control ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2021， 37（2）： 27-35.

［10］Silwal A， Davidson J R， Karkee M， et al. Design， integration， and field evaluation of a robotic apple harvester ［J］. Journal of Field Robotics， 2017， 34（6）： 1140-1159.

［11］Xiong Y， Peng C， Grimstad L， et al. Development and field evaluation of a strawberry harvesting robot with a cable-driven gripper ［J］. Computers and electronics in agriculture， 2019， 157： 392-402.

［12］Bulanon D M， Kataoka T. Fruit detection system and an end effector for robotic harvesting of Fuji apples ［J］. Agricultural Engineering International： CIGR Journal， 2010， 12（1）.

［13］Wang G， Yu Y， Feng Q. Design of end-effector for tomato robotic harvesting ［J］. IFAC-PapersOnLine， 2016， 49（16）： 190-193.

［14］劉希光， 張靜， 韓長杰， 等. 基于TRIZ理論的機械式打瓜排種器創新設計［J］. 中國農機化學報， 2021， 42（9）： 31-36.Liu Xiguang， Zhang Jing， Han Changjie， et al. Innovative design of mechanical melon precision metering device based on TRIZ theory ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（9）： 31-36.

［15］馬賽， 李鳳鳴， 錢旺. 基于TRIZ理論的D型打結器設計與試驗［J］. 農業機械學報， 2018， 49（S1）： 327-331.Ma Sai， Li Feng ming， Qian Wang， et al. Design of D-type knotter based on TRIZ theory ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2018， 49（S1）： 327-331.

［16］李金鳳， 趙繼云， 侯秀寧， 等. 采用TRIZ理論的豌豆割曬機械裝備設計與試驗［J］. 農業工程學報， 2020， 36（8）： 11-20.Li Jinfeng， Zhao Jiyun， Hou Xiuning， et al. Design and experiment of pea windrower equipment with TRIZ theory ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（8）： 11-20.

［17］王宜磊， 陳霖， 易柳舟， 等. 獼猴桃采摘機械手末端執行機構的設計［J］. 食品與機械， 2018， 34（1）： 89-91，148.Wang Yilei， Chen Lin， Yi Liuzhou， et al. Design of the terminal actuator of kiwi fruit picking manipulator ［J］. Food & Machinery， 2018， 34（1）： 89-91，148.

［18］陳軍， 王虎， 蔣浩然， 等. 獼猴桃采摘機器人末端執行器設計［J］. 農業機械學報， 2012， 43（10）： 151-154， 199.Chen Jun， Wang Hu， Jiang Haoran， et al. Design of end-effector for kiwifruit harvesting robot ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2012， 43（10）： 151-154， 199.

［19］ 付敏. 系統化創新方法——TRIZ實用教程［M］. 哈爾濱： 東北林業大學出版社， 2021.

［20］ 蔡自興. 機器人學基礎［M］. 北京： 機械工業出版社， 2015.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51975114）；黑龍江省自然科學基金資助項目 （LH2019E003）

第一作者：付敏，女，1969年生，浙江金華人，博士，教授；研究方向為農林機械及其創新設計。E-mail： fumin1996@163.com