多级变刚度柔性末端执行器的设计与开发：实现双孢蘑菇（Agaricus bisporus）选择性采收的突破

本文针对双孢蘑菇（Agaricus bisporus）在密集簇生和倾斜生长条件下的自动化采收难题，设计了一种多级伸缩式变刚度柔性末端执行器（end-effector）。通过协同多板运动实现1:3伸缩比，结合柔性变刚度吸盘（suction cup）的负压吸附与机械建模优化，在实验室和田间试验中分别达到97.5%采收成功率（0-10°倾斜）和2.1%损伤率，为工厂化蘑菇采收提供了高效低损的硬件解决方案。

　　

亮点

本研究开发了一种革命性的多级伸缩式变刚度柔性末端执行器，专为狭窄空间内密集簇生和倾斜双孢蘑菇（Agaricus bisporus）的精准采收而设计。其创新性体现在：

1. 仿生扭转采收动作设计的伸缩结构，通过多级联动板实现高达300%的延展比

2. 柔性变刚度吸盘能动态适应蘑菇帽（cap）0-40°倾斜角度

3. 首创结合机械建模与仿真优化的参数化设计流程

吸附力实验与结果分析

通过实验室标准化蘑菇模型测试，我们发现：

• 吸盘内腔刚度与中心负压（negative pressure）呈非线性关系

• 最佳工作参数下，倾斜40°蘑菇的拔出力仍达垂直状态的81.8%

• 接触面积（contact area）和有效吸附区域（effective suction area）是影响采收稳定性的关键指标

结论

该末端执行器在工厂化测试中表现卓越：

• 平均单菇采收时间仅4.3秒

• 密集簇生场景（30-40°倾斜）采收成功率81.8%

• 损伤率低至2.1%，显著优于传统机械抓手（gripper）

  这项技术为食用菌自动化采收装备研发提供了重要范式转移（paradigm shift）。