多关节果蔬采摘机械臂及电动剪执行器

　　在设施农业的果蔬采收环节，人工采摘长期面临作业强度大、采收窗口期集中、熟果识别后采摘动作一致性差的痛点，这款多关节采摘机械臂的设计，正是瞄准垄作高架栽培的茄果、瓜果类作物采收场景，适配棚室内部窄行距、作物冠层高度差大的作业环境，可搭载在移动巡检底盘上完成单株定位后的熟果采收作业。从结构布局来看，整套机构的底座采用方形安装基板，基板上预留四个地脚固定孔位，既可以直接锁附在移动平台的安装面上，也能通过膨胀螺栓固定在固定工位的支架上，底座上方集成升降回转单元，回转支撑的承载能力按照末端最大持重2kg设计，升降行程覆盖0.4m到1.2m的冠层高度区间，可覆盖大部分高架栽培作物的结果带范围。

　　大臂部分采用平行四连杆的铰接结构，两根平行的碳纤维臂杆通过两端的铰接座连接，相比单臂杆结构，四连杆结构能保证末端执行器在臂部俯仰过程中始终保持水平姿态，避免采摘过程中果体倾斜掉落，臂杆的铰接处采用自润滑铜套配合销轴，减少日常维护的润滑频次，适配棚室高湿度、多粉尘的作业环境。臂部的驱动单元布置在大臂与回转座的连接位置，减速电机的输出端连接减速箱，将高转速低扭矩的电机输出转化为低转速大扭矩的摆动力矩，驱动大臂完成俯仰动作，臂部的最大伸展长度可达1.4m，配合回转座±160°的回转角度，单台固定安装的机械臂可覆盖半径1.5m范围内的作物采收区域，减少设备布设密度。

　　末端执行器采用电动剪结构，剪切动力由微型直流电机提供，通过齿轮齿条机构将电机的旋转运动转化为动刀片的直线开合动作，相比曲柄摇杆结构，齿轮齿条传动的剪切力更稳定，开合行程控制精度更高，可适配果柄直径2mm到12mm的不同品类果蔬，剪切刀片采用高碳钢材质，刃口做钝化处理，避免剪切过程中划伤果面。动刀片的下方集成帆布材质的接果袋，果柄被剪断后果实直接落入接果袋内，接果袋的出口设置柔性挡片，当袋内果实累积到3-5个时，可通过机械臂的对位动作将果实倒入收集筐内，避免单果采摘后反复往返投放的动作浪费，提升单果采摘的作业效率。整套机构的设计过程中，所有铰接位置都做了防水密封处理，电机和减速箱的外壳采用IP65防护等级的结构设计，可适应棚室喷施叶面肥、灌溉水雾的潮湿环境，臂杆表面做阳极氧化处理，减少农药附着带来的腐蚀问题。安装边界方面，底座安装面的平面度要求控制在0.2mm以内，避免回转单元安装后出现偏载卡顿，臂部完全收拢时的整机高度为0.8m，完全伸展时的最大高度为1.6m，可在净空高度1.8m的标准日光温室内灵活作业，不会刮蹭棚室的覆膜和支架。

　　在实际作业逻辑上，机械臂可对接视觉识别模块的坐标信号，回转单元先转动到目标果穗的方位角，升降台调整到对应高度，大臂俯仰带动末端执行器靠近果柄位置，电动剪完成剪切动作后，接果袋承接果实，待达到设定承载量后，机械臂转动到侧边收集筐位置，接果袋挡片开启完成卸料，整套动作循环的单周期耗时控制在8秒以内，相比人工采摘的效率提升40%以上，同时能保证剪切果柄的切口平整，减少果柄伤口感染的概率，提升采后果实的存储周期。结构设计阶段对臂部的受力做了有限元校核，在最大伸展位置承受2kg末端负载时，臂杆的最大变形量控制在0.3mm以内，不会因为臂部挠曲导致末端对位偏差，齿轮齿条的啮合间隙做了可调设计，长期使用出现磨损后可通过调整压块的位置补偿间隙，保证剪切动作的可靠性。