柔性仿生叶簧式气动夹持指在枇杷采摘末端执行器中的应用与损伤控制研究

本文推荐一种基于仿生叶簧结构的柔性气动末端执行器，通过多模态驱动（气压≤0.46 MPa时夹持力<2.13 N）实现枇杷无损采摘。创新性整合表面接触夹持、波纹管致动器（Bellows Actuator）动态调刚度和橡胶缓冲收集室，响应曲面法（RSM）优化参数，适用于球形果蔬的机械化采收，为解决农业劳动力短缺背景下果实机械损伤难题提供新方案。

　　

Highlight

本研究提出融合仿生叶簧结构的柔性气动夹持指设计，通过气压精准调控（驱动气压<0.46 MPa）使夹持力稳定在2.13 N以下，结合波纹管致动器（Bellows Actuator）的刚度自适应特性，实现枇杷采摘过程的动态缓冲。

Harvesting system composition

采摘系统由气动剪刀、视觉定位模块、仿生夹爪和机械臂构成（图2）。叶簧式多层夹持指通过表面接触产生缓冲效应：视觉系统先定位果实，机械臂带动夹持指以"包覆-轻压"动作固定枇杷，气压驱动剪刀切断果柄，果实坠入底部含橡胶垫的收集室。

Physical properties of loquat

枇杷（Eriobotrya japonica Lindl.）作为易损亚热带水果，其机械损伤风险随成熟度递增。实验测定51颗直径>35.00 mm果实的临界损伤阈值，为夹持参数优化提供生物力学依据。

Response surface methodology analysis

采用响应曲面法（RSM）分析夹持指参数组合（图17），通过3D打印试制不同规格夹持指。测试表明：当夹持力峰值控制在1.82-2.13 N区间时，果实表皮无压痕且果肉细胞结构完整。

Conclusion

该气动末端执行器通过叶簧式夹持指与缓冲收集室的协同设计，将采摘损伤率降低72.4%。响应曲面优化显示：弧形夹持面曲率半径42.5 mm、厚度梯度1.2-1.8 mm时，可适配不同粒径（35-50 mm）枇杷果实。