攀爬式椰子采摘機設計與試驗

中圖分類號：S225.93 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0001-07

Abstract：Toaddressthehighriskandlabor intensityasociatedwithcoconut harvesting，awheel-based tre-climbing harvesting robot was developed.Therationalityand functionaltyof the mechanicaldesign were verified through Adams softwaresimulations，which modeledboth vertical climbingand circular motion.Aditionally，theworkspaceof the roboticarmwas visualized toensure itmet theoperational requirements forcoconut harvesting.Theresultsof the picking test showed that within a voltage range of 12V and below，the robot's climbing speed exhibited a linear relationship with voltage，and the climbing processremained stableand met performance standards.During picking tests conducted within the voltage range of 15-24V ，the average shear time per coconut was 2.8s ，with an average picking success rate of （20 81.5% .Moreover，the picking time decreased progresively asvoltage increased.This research provides botha theoreticaland experimental validationforthedesignofcoconutharvesting machinery.Itofers practical guidance forthe future development and application of coconut harvesting robots.

Keywords：coconut；climbing picker；tree-climbing mechanism；dynamic simulation；Adams

0 引言

椰子因其營養豐富，口味獨特深受人們的喜愛，隨著椰子深加工的發展，椰子產量也在逐漸增加。目前，椰子的采摘主要依賴人工，由于其樹干高大，人工攀爬采摘難度大、危險系數高，已成為限制椰子產業發展的主要障礙1。因此設計一款具有自動采摘能力的椰子采摘機十分重要。采摘椰子時需要到達椰樹頂部，再進行剪切操作。張躍躍等2提出一種機械臂夾剪火龍果采摘機器人；鄭賢等3設計一種防墜輪式爬樹剪枝機器人。通過對不同類型的爬樹機器人4和采摘機器人5比較分析發現，采用環抱式結構運動時更加穩定，同時采用麥克納姆輪作為驅動輪，能夠實現直線爬升和水平旋轉運動。

我國在椰子機械采摘領域的研究處于初級階段，尚未有成熟的椰子采摘機械產品。因此，未來椰子采摘機械應朝著機械化、自動化和標準化方向發展，以取代人工采摘，提高生產效率。為提升椰子采摘的效率和自動化程度，本文根據海南椰子特征，設計一種椰子自動采摘機，同時解決攀爬和采摘的關鍵技術問題，為椰子采摘機的制造提供理論和借鑒技術支持。

1整體設計

1.1 整機結構及工作原理

海南椰子樹的樹干直徑約 30～50cm ，果莖寬度為 1～2cm ，長度為 3～10cm ，果實直徑為 10～ 50cm 。如圖1所示，該機可攀升至椰樹的樹冠以下并實現 360^° 旋轉[6，有助于擴大椰子識別范圍。

圖1整機結構示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the whole machine structure 1.固定刀片2.活動刀片3.減速電機4.關節二5.關節一 6.上左旋麥克納姆輪7.上右旋麥克納姆輪8.上連桿 9.下連桿10.下左旋麥克納姆輪11.下右旋麥克納姆輪

爬升機構采用8個麥克納姆輪來實現攀爬[，分為上、下兩部分，左旋輪、右旋輪對稱布置，每個麥克納姆輪上有8個輥子。當左旋輪、右旋輪沿 Y 軸正方向轉動時，輥子受力如圖2所示。 F_ol，F_o2 為麥克納姆輪與樹干接觸的輥子受到的平行于其軸線的摩擦力[8]F_y1?F_y2 為輥子受到的摩擦力沿 Y 軸方向的分力。 F_x1 、F_x2 為輥子受到的摩擦力沿 X 軸方向的分力[9]。

圖2麥克納姆輪受力示意圖Fig.2Mecanum wheel force diagram

合理的麥克納姆輪排列可以讓麥克納姆左、右旋輪運動時相互抵消某一方向的分力，從而剩下同一方向的分力來使裝置進行預期運動。采用輥子傾角為45^° 的麥克納姆輪，并且每個輪都由1個電機控制，一共8個相同參數的電機[10]。當裝置沿著 X 方向移動時，需保證 v_y=0m/s ，即所有麥克納姆輪正轉，以抵消Y 方向的速度分量，從而實現裝置的直線爬升。當裝置繞樹干做周向旋轉運動時，需保證 v_x=0m/s ，即有4個左旋輪（右旋輪）正轉，4個右旋輪（左旋輪）反轉來抵消 X 方向的分速度，從而使裝置做周向旋轉運動[11]。

如圖3所示，直線爬升時，右旋輪A正向旋轉，產生向右上方的分力，同時左旋輪B正向旋轉，產生向左上方的分力，此時左、右方向的分力互相抵消，從而實現裝置直線上升[12]。需要裝置橫向運動時，以左旋為例，如圖4所示，右旋輪A反向旋轉，同時左旋輪B正向旋轉，各個輪上、下方向的分力抵消，裝置實現左旋運動[13]。

剪切機構由機械臂和末端執行機構組成。機械臂具有4個自由度，各關節示意圖如圖5所示，采用D—H法建立機械臂坐標系[14]。在關節1、2、3和4處依次建立坐標系，其中末端執行器為坐標系 x₄O₄y₄₀ a_i 為連桿長度， δ_i 為繞 Z 軸旋轉角度， d_i 為關節 i 的偏置， θ_i 為關節轉角。機械臂D—H參數如表1所示[15]

圖5機械臂關節示意圖Fig.5Schematicdiagram of roboticarm joints

表1剪切機械臂D一H參數表

Tab.1 Shear arm D一 ?H parameter table

如圖6所示，采用直流減速電機驅動，剪刀尾部采用弧型錐齒輪機構，配合控制系統完成剪刀往復擺動，最大剪切直徑為 50mm ，提高剪切成功率[16]

圖6剪切機構結構示意圖

Fig.6Schematic diagram of the shearing mechanism structure1.電機2.行星齒輪減速器3.弧型錐齒輪副4.動刀片5.定刀片

1.2末端執行器工作空間

機械臂工作空間是指末端執行器可以自由運動的三維空間范圍[1]。通過在關節空間內隨機生成一個關節變量，然后通過正運動學函數計算相應的變換矩陣，進而得到三維坐標。通過多次反復迭代，近似地構建機械臂的工作空間[18]。設機械臂長度 a₂、a₃、a₄ 分別為 0.28m 、0.225m.0.2m ，由于各個關節具有機械限位，需要對各個關節旋轉角度進行限制，確保機械臂在正常范圍內工作。使用MATLAB機器人工具箱中的Rand函數，該函數會在 0～1 之間返回1個單獨的、均勻分布的隨機數字rand，因此各個關節空間隨機變量 個關節相應生成4個隨機變量，得到完整矩陣 通過正運動學函數得到變換矩陣，然后提取位移矩陣，賦值給 q₁～q₄ ，循環迭代10000次，最終得到機械臂工作空間視圖如圖7所示。可以看出，機械臂的工作空間能夠滿足剪切要求。

1.3椰子果梗識別及剪切點定位方法

YOLACT實例分割法屬于單階段模型，計算成本低且精度高，基于實例分割的椰子果梗視覺識別方法如圖8所示。采用殘差網絡（ResNet—101）和特征金字塔網絡（FPN）作為特征提取網絡訓練椰子串和果梗的檢測模型，殘差網絡基于殘差模塊允許信息在不同深度之間流動，使網絡能夠更好地提取圖像特征[19]，將圖像調整為550像素 ×550 像素后輸入特征提取網絡，提取椰子串和果梗的重要特征；預測模塊對特征提取網絡輸出的重要特征進行整合與利用，由預測頭分支輸出各類候選框的類別置信度及位置信息和原型掩膜的掩膜系數，原型掩膜和相應的掩膜系數進行組合得到椰子和果梗的掩膜；后處理模塊通過非極大值抑制、掩膜過濾、裁剪和二值化處理得到最終的掩膜結果與感興趣區域（ROI）[20]。

對果梗掩膜進行細化處理，提取骨骼線并計算骨骼線圖中間行（或列）中第1個像素非零點 （x_c，y_c） ，剪切點圖像坐標 （ρ_x，ρ_y） 為 （x_i+x_c，y_i+y_c） ，其中 X_i 和 y_i 分別為椰子果梗左上角頂點坐標值，剪切點深度坐標值 ρ_z 由相機深度圖像信息獲取。由于椰子果梗體積較小，獲取 ρ_z 點數值時誤差較大，設果梗圖像坐標點的深度為 d_（x，y） ，計算果梗掩膜所有像素點深度之和，由于存在像素點識別不準確的問題，因此只計算0mm（x，y）lt;800mm ，并求其平均值 d_（x，y） ，以此為最優 ?_z 值，極大提高剪切點深度信息的精度。如圖9所示，以剪切點O為坐標中心，向骨骼線兩端擴展10個非0像素點，擴展后兩端點為 （x_a，y_a） 、（x_b，y_b） ，將椰子果梗剪切點斜率近似用兩端點斜率代替。果梗傾斜角 θ 計算如式（1）所示。

通過果梗傾斜角計算出剪切角度 α 。機械臂末端執行器初始剪切角度 α=0^° ，與地面平行。為減小末端執行器的容錯性，應選擇對應剪刀切口最大角度，即執行剪切前末端剪切器角度與椰子果梗傾斜角度垂直。剪切角計算如式（2）所示。

獲取剪切點坐標 P=（p_x，p_y，p_z） 后進行坐標轉換，利用張氏標定法獲取深度相機坐標系到機械臂坐標系的齊次變換矩陣 T_c^R ，將點 P 由深度相機坐標系轉換到機械臂坐標系，得到剪切點在機械臂坐標系下的坐標 ，即

采摘過程中，獲取剪切點坐標和椰子果梗傾斜角θ ，規劃機械臂剪切路徑，避免與椰子發生干涉并以合適姿態接近剪切點，根據剪切角 α 調整末端執行器剪切姿態，最后完成采摘。

2 仿真分析

2.1爬樹機構設計及動力學仿真

在爬升機構攀爬過程中會與樹干直接接觸。為驗證其穩定性是否滿足工作要求，運用Adams進行數值模擬。根據具體工作條件，進行直線上升和水平旋轉2種工作模式的仿真驗證分析。

裝置選用B類油淬火回火碳素彈簧鋼絲作為彈簧材料，其彈簧絲直徑為 4mm 。經測試，該彈簧的抗拉強度極限達 1 520MPa ，切變模量為 7.9×10⁴MPa ，校核結果表明其滿足設計要求。驅動輪對稱分布，每個麥克納姆輪受力大小相同，建立驅動輪力矩平衡方程

T_t=F_q?r+T_n=F_q?r+F_n?μ_n?r

F_t=F_q+F_n?μ_n

F_n?μ_n+M+mg?F_t?F_n??+F_n?μ_n

式中： F_q 驅動輪的切向力， N 5M? 外負載，N；m 驅動輪自重， kg ：T_r 驅動輪的總扭矩， N?m ：r 驅動輪的半徑， m ：T_n? 摩擦力矩， N?m 5F_n 法向力，N；μ_n 靜摩擦系數；F₁ 1 -電機提供的驅動力，N；? 一 附著系數。

其中，取驅動輪與樹干接觸靜摩擦因數為0.4，附著系數 ? 為0.7，樹干和驅動輪滾動摩擦系數取0.2。計算可得 F_n?83.3 N，取 F_n=150 N，計算得26.1 N?F_t?141.1 N，電機需提供驅動力矩為4.5N?m 。

將UG中建立的三維模型導人到Adams中，定義各個部件材料屬性以及摩擦因數。外框架以及輪架、麥克納姆輪輪轂等部件采用金屬材料，由于其材料性能以及密度相近，因此定義其密度為 2 700kg/m³ 。麥克納姆輪材料為橡膠，定義密度為 1000kg/m³ ，與樹干摩擦因數定義為0.45。重力加速度為 9.8m/s² 。添加機構約束，共有8個輪架，每個輪架裝有1個麥克納姆輪，每個麥克納姆輪上有8個輥子，根據實際結構添加旋轉副，并將樹干與地面建立固定約束，結合實際情況，樹干設立大小兩處凸起。

由圖10可知，輪架與驅動輪連接處作用力呈現波動狀態，在 150N 上下波動，峰值出現在23s處，峰值接觸力大小為 860N 。由圖10（d）可知，大側凸起輪架與機身接觸力峰值為 350N ，均在材料承受合理范圍。圖11為在順時針旋轉時各關節的受力情況。

由圖11可以看出，在旋轉過程中，受力波動在相對穩定范圍內，最大作用力為 270N 。與直線爬升相比，旋轉過程中的作用力明顯較小。在直線爬升和旋轉過程中，驅動輪和輪架以及輪架和機架連接處的作用力都由于麥克納姆輪輥子與樹干的周期性動態接觸而發生周期性的穩定波動，這屬于麥克納姆輥子的接觸特性，且均處于合理范圍。

2.2機械臂運動學仿真

給定一個關節變量，會得到一個相應的變換矩陣， R 表示坐標系旋轉狀態， p 表示當前坐標系相對于原坐標系的位置關系，得到 化簡得機械臂末端執行器的速度矢量 ，其中， J 為關節變量 q 的雅可比矩陣， 為空間中的關節速度矢量。

機械臂從初始位置（0，0，0.7）到末端位置 （-0.3 0.5，0.2）的運動過程中，采用五次多項式插值進行控制。運動總時長為 2s 。圖12為關節變量曲線、關節角速度曲線和關節角加速度曲線的仿真結果，顯示機械臂各關節在運動過程中角度的變化情況，可以看出，各關節的角度隨著時間的推移逐漸變化，最終達到目標位置的角度。曲線的平滑性表明機械臂的運動是連續且無突兀變化的，說明控制策略能夠有效地引導關節按照預期軌跡運動。關節角速度曲線顯示各關節角速度的變化情況，開始和結束時速度為0，中間階段速度逐漸增加到最大值后又減小到0，符合五次多項式插值控制的預期，即機械臂在運動初期加速，中間段以較高速度運動，接近目標位置時減速，保證運動的平穩性。關節角加速度曲線展現各關節角加速度變化情況，初期角加速度逐漸增加，中間段保持相對穩定，后期角加速度逐漸減小到0。這種角加速度的變化與角速度曲線的變化相匹配，進一步驗證了五次多項式插值控制的有效性，確保機械臂運動過程中加速度的連續性和無沖擊性。

圖13為末端姿態角度的仿真結果，即末端執行器在 X，Y，Z 軸上的旋轉角度 （θ_x，θ_y，θ_z） 變化，曲線平穩且連續，說明末端執行器的姿態變化過程平穩，沒有突兀的旋轉，圖14為末端平動速度的仿真結果，即末端執行器在三維空間中沿 X，Y，Z 軸的速度 （v_x，v_y，v_z） 變化。在整個運動過程中，機械臂的初末速度均為0，曲線平滑，運動過程中沒有突變或沖擊，表現出良好的平穩性。

3控制系統設計

椰子采摘系統由上位機與下位機組成。雙目相機采用KinectV2相機進行圖像采集，并在Windows系統下進行圖像處理與定位。機械臂與末端執行器采用STM32F103C8T6單片機進行控制。圖15為下位機控制系統結構。剪切控制流程如圖16所示。

單片機接收上位機的位置信息，控制機械臂末端到達指定位置并執行剪切操作。末端剪切機構采用直流減速電機提供動力，單片機IO輸出低電平信號時，電機正轉，導致剪刀閉合。當剪刀完全閉合后，霍爾位置傳感器1會由高電平信號切換為低電平信號，單片機收到這一信號并發出電機反轉指令，導致剪刀張開。當剪刀完全張開后，霍爾位置傳感器2由高電平信號變為低電平信號，此時電機停止運動，完成一次剪切動作。

4試驗測試

根據前期建立的三維模型進行樣機制作，該樣機采用兩片L9110S四路直流電機驅動模塊，分別驅動上下4個 JGA25-370 型直流減速電機。該電機額定電壓為 12V ，額定扭矩為 7N?m ，滿足試驗要求。使用直徑為 120cm 、長度為 1m 的PVC管，外層包裹硬質聚乙烯，模擬椰子采摘裝置攀爬椰樹的情景如圖17所示。

圖17樣機采摘試驗

攀爬速度對椰子采摘效率產生顯著影響，裝置的攀爬速度與電壓相關。在 5～12V 的電壓下測試攀爬速度，試驗結果如圖18所示，電壓越高，攀爬速度越快；在電壓不超過 12V 的情況下，電壓與攀爬速度呈正相關線性關系，同時滿足穩定攀爬的要求。

圖18電壓與攀爬速度 Fig.18 Voltage and climbing speed

對于末端執行器進行不同電壓下的剪切試驗，電壓范圍為 15～24V 。試驗分為4組，分別使用 15V 、18V.21V 和 24V 的電壓，每組進行15次剪切試驗，針對果梗直徑為 25～35mm 的椰子進行60次剪切試驗。以每組成功剪切所需時間的平均值作為該組單果剪切時間，計算成功剪切的次數與總剪切次數的比值，即采摘成功率。剪切試驗結果如表2所示。

表2剪切試驗結果Tab.2 Shear experiment results

試驗結果顯示，在 15～24V 的電壓范圍內，單果剪切時間為 2.6～3.1s ，采摘成功率超過 80% 。單果平均剪切時間為2.8s，平均采摘成功率為 81.5% ，且隨著電壓的升高，采摘時間呈逐漸縮短的趨勢。

5 結論

1）針對椰子生長特性以及采摘要求，設計一種椰子采摘機構，進行運動仿真，制作樣機進行試驗。在實驗室環境下，使用 5～12V 電壓測試攀爬機構的垂直爬升性能。

2）試驗結果表明，當電壓在 12V 以下時，攀爬速度與電壓呈線性關系，電壓越高，速度越快，且能夠滿足穩定性要求。

3）分別使用 15V，18V，21V 和 24V 的電壓進行采摘試驗。試驗結果表明，當電壓值為 15～24V 時，單果平均剪切時間為2.8s，平均采摘成功率為81.5% ，且隨著電壓升高，剪切時間逐漸縮短。

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