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包 装 工 程 第 45 卷 第 22 期 114 PACKAGING ENGINEERING 2024 年 11 月 收稿日期 2024 06 08 通信作者 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘机器人产品 创新方法研究 席上琳 刘键 付思雯 北京工业大学 北京 100124 摘要 目的 当前我国草莓种植方式普遍较为传统 而草莓的采摘 分拣 收获环节需耗费大量人工劳 动力 因此设计出适用于地垄式栽培的草莓采摘机器人具有现实意义 方法 围绕人 机 环境三方面探 究设计需求 提出融合 FBS 模型与 TRIZ 理论的设计方法 并探究数字仿真模型如何在设计流程中辅助 功能结构优化 构建草莓采摘机器人设计方法理论框架 同时使用数字内容生成软件搭建场景模型及机 器人模型以辅助生成设计方案 结果 使用轨迹仿真与动力学仿真插件 对机器人的机械臂运动空间 果实夹持组件及行走机构进行模拟 设计方案被初步验证可行 结论 该框架能够客观地从多维度信息 中获取产品核心需求 并引入数字仿真工具 将其与功能结构分析和发明问题解决理论结合到设计过程 中 用于农业机器人的创新设计方法探索 关键词 产品设计 发明问题解决理论 TRIZ 数字仿真 农业机器人 中图分类号 TB472 文献标志码 A 文章编号 1001 3563 2024 22 0114 13 DOI 10 19554 ki 1001 3563 2024 22 012 Innovative Methods for Strawberry Picking Robot Products Based on Need Analysis and TRIZ XI Shanglin LIU Jian FU Siwen Beijing University of Technology Beijing 100124 China ABSTRACT The current strawberry cultivation methods in China are generally traditional and the picking sorting and harvesting of strawberries require a lot of manual labor Therefore designing a strawberry picking robot suitable for ridge cultivation has practical significance The design needs were explored around the three aspects of user machine envi ronment A design method that integrated the FBS model and the TRIZ theory was proposed and the ways to assist in structural optimization in the design process by digital simulation models were explored A theoretical framework was constructed for the design method of strawberry picking robots and digital content generation software was used to build scene models and robot models to assist in generating schemes Trajectory simulation and dynamic simulation plugins were used to simulate the motion space of the robot s robotic arm fruit gripping components and driving mechanism and the design scheme was preliminarily verified to be feasible This framework can objectively obtain core product needs from multidimensional information It can be incorporated into digital simulation tools to combine them with functional structure analysis and invention problem solving theory in the design process so as to explore innovative design methods of agricultural robots KEY WORDS product design Theory of Inventive Problem Solving TRIZ digital simulation agricultural robots 在智慧农业背景下 发展采收机器人有着重要的 意义和必要性 主要体现在可以缓解农业劳动力短缺 的问题 节省人力成本 保障农产品的供应质量等 当下我国面临实现农业农村现代化的全面建设社会 主义现代化国家重大任务 计划将先进技术与现代装 备等引入农业生产 提升农业设施装备条件 创造和 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘机器人产品创新方法研究 115 使用新型农业机械装备 借力智能技术和设备 能进 一步强化生产性服务业 提升农业生产的能力 1 创 新设计主导的农业机器人产品 其造型设计和结构设 计将受到不同要素的限制 如机器人作业对象的作物 特性 2 使用者专业知识限制等 有必要结合人工智 能数据分析方法与设计科学理论体系 实践于采摘机 器人产品创新 1 草莓采摘机器人研究现状 1 1 产品现状分析 目前对草莓采摘机器人的研发已取得一定进展 主要聚焦于高效采收分一体化作业以及降低果实受 损率两方面 在提升采收分一体化作业效率方面 日 本国家农业和食品研究组织的 Yamamoto 等 3 研制了 一种与高架种植平台相结合的草莓采摘机器人 并具 有自主定位和检测果实形状的功能 在降低果实受损 率方面 比利时的 Octinion 公司 4 在全自动机器人的 基础上 开发出一款可根据视觉数据调整抓手力度的 柔性 3D 打印末端执行器 挪威生命科学大学 5 开发 了缆索驱动的包裹切割式末端执行器 采用从下至上 的作业路线 无接触地套入果实并剪断果梗 然而 以上研究大多适用于高架栽培模式 产品受到种植环 境的约束 现有概念方案的落地转化潜力不足 无法 服务于我国基数庞大的传统高垄种植户群体 1 2 草莓采摘作业空间 地垄式栽培为目前我国较为普遍的栽培方式 6 草莓的种植方式 植株形态以及果实在植株间的分布 情况决定着采摘机器人的作业空间 通过田野调查发 现 以华北地区常见的红颜草莓种植环境为例 草莓种 植地垄截面近似于等腰梯形 垄台顶端宽约 400 mm 垄台底部宽约 600 mm 高 约 150 mm 垄沟间距平均 为 300 mm 成熟的草莓果实垂挂于植株两侧 果实 密度自上而下依次增加 地垄式种植环境下的草莓采 摘作业空间见图 1 鉴于种植方式传统 操作空间狭 窄 目前在我国草莓采收工作多数仍停留在人工作业 阶段 图 1 草莓植株采摘作业空间 Fig 1 Operational space for strawberry picking 图 2 人工草莓采摘切片流程 Fig 2 Flow of artificial strawberry picking and slice 116 包 装 工 程 2024 年 11 月 草莓的拣选和包装在生产过程中占据超过 60 的劳动力 7 目前 草莓生产机械化水平总体偏低 对人工的依赖非常严重 草莓果实的成熟期仅持续 20 30 d 且不同用途的草莓对应不同的最佳采摘时 期 8 这意味着在短时间内需要大量劳动力 经设计 团队实地调研发现 人工采摘草莓流程较为繁琐 其 中包含大量重复性的弯腰或下蹲等动作 且有可能因 为操作不当导致果实受损 人工草莓采摘切片流程如 图 2 所示 因此 我国草莓种植业对机械化代替人工 劳动力有着大量需求 同时采摘机器人具有极大的开 发空间 2 融合需求分析和 TRIZ 的采摘机器人设 计方法流程构建 2 1 计算机虚拟仿真辅助设计 计算机虚拟仿真驱动的设计是一种利用计算机 模型和仿真技术来指导和优化产品设计的方法 Computer Simulation Methods 以下简称为 CSM 它可以帮助设计师在虚拟环境中快速地探索不同的 设计方案 评估产品的性能和可行性 发现和解决设 计问题 提高设计的效率和质量 数字基于模型驱动 的思想 将产品设计分为不同的层次和阶段 从抽象 到具体 从概念到细节 形成一个完整的设计流程 此类工具除了提供数字数据外 还向设计师呈现出视 觉反馈 同时加快评估时间 Vasileiou 等 9 将 CAD 绘制的被动两足机器人结构导入多体软件 MSC Adams 中 建立了被动两足机器人数字孪生的多体 动力学仿真模型 结合被动两足机器人的实际模型 完成了被动两足机器人设计 王昆仑等 10 采用 UE 设 计了一款应用于仿生水下机器人的动态交互仿真测 试平台 通过有效性测试结果证明其该平台表现出较 强的交互性 真实性与可视性 考虑到数字虚拟仿真中的功能性和严谨性 Zhang 等 11 提出了一个五维框架 对于各个功能单 元 可以从 几何 物理 性能 行为 约束 5 个维度建立 数字虚拟映射 几何层描述三维模型的形状 大小 位置等 物理层包括和物理世界相同的物理规则和特 性 性能层描述功能单元的特定能力 例如摘取物件 装载设备等 行为层是指在程序逻辑下 数字模型执 行与物理世界相应的行为动作 规则层指仿真模拟运 行中的各种规则 包括派生规则 关联规则 约束规 则等 本文将该五维框架作为蓝本来指导数字仿真模 型的搭建 以辅助产品的需求尺度分析以及可行性验 证 2 2 设计需求分析与问题解决方法 现阶段已有大量研究采用层次分析法 KANO 模 型 质量功能展开等经典产品设计方法进行方案选 择 需求权重分配 产品结构优化 设计过程管理等 相关研究 在农业机械的创新设计领域 赵启明等 12 基于人因工程学相关理论 对微耕机的设计缺陷进行 分析并提出改进策略以消除事故隐患 文俊中等 13 提出了 AHP FBS TRIZ 的设计流程 通过获取关键产 品特性 建立概念性功能系统 随后求解功能实现的 结构载体 实现果园管理机要素优化和创新设计 苏 建宁等 14 采用 AHP QFD TRIZ 的设计方法 分析了 结构 功能及造型等关键要素 完成玫瑰花蕾采摘机 改进设计 使花蕾采集作业效率得到提高 本研究以 FBS 模型作为基准流程框架 并应用 TRIZ 理论作为解决冲突的指导方法 情境 FBS 模型 15 16 是在传统 FBS 功能 行为 结构 模型 17 基础上 引入三种递归连接的环境 分别为客观世界 解读世 界和预期世界 提出了功能 行为及结构这三种变量 的转化可能发生在上述三种不同类型的环境里 并贯 穿于规划 Formulation 合成 Synthesis 分析 Analysis 和评估 Evaluation 过程中 作为设计 活动的参考过程 TRIZ 理论主要应用于解决产品设 计中的矛盾问题 首先要确定矛盾的属性 然后运用 相应的工程技术参数进行描述 并选择矩阵中的发明 原理解决矛盾 本研究选用以上两种方法 对采摘机 器人的设计流程而言 可以从结构化信息中总结出 功能模型 辅助设计者做出更加客观有效的产品优 化决策 2 3 采摘机器人设计思路框架 由于在设计过程中需要不断发现问题并进行方 案的调整修正 故本研究采取 通过设计做研究 Research through Design RtD 18 的研究范式 这 是一种基于设计的研究方法 旨在通过设计的过程和 结果来产生和传播新的知识 并强调对设计过程的反 思和记录 数字仿真技术驱动下 以需求分析 问题 解决为导向的草莓采摘机器人造型设计流程如图 3 所示 在设计方法层面 使用 KJ 法整合用户需求并获 取草莓采摘机器人及相关技术专利文本进行 TF IDF 重要度分析和主题聚类 探索产品的需求要素 将数 据分析结果进行功能定位后 进一步映射生成功能 行为 结构框架 基于此构建产品功能模型分析图并 发现潜在冲突问题 选择相应 TRIZ 理论重新整合草 莓采摘机器人的机身结构 分析各装置结构功能设计 中的多对矛盾冲突 随后利用阿奇舒勒矩阵分离原理与 发明原理 确定采收分系统的关键部件结构设计方案和 参数 与此同时 使用数字虚拟软件搭建采摘环境模型 以及采摘机器人方案数字孪生体 完成草莓采摘机器 人的整体概念设计 并在视景仿真场景中初步进行方 案可用性验证 该流程除了对设计理论作出扩展外 还向设计师呈现出视觉反馈 同时加快了评估效率 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘机器人产品创新方法研究 117 图 3 草莓采摘机器人设计流程 Fig 3 Design process of strawberry picking robot 3 草莓采摘机器人设计实践 3 1 基于 人 机 环境 的设计需求分析 本研究围绕 人 机 环境 三方面进行设计需求 分析 将需求分类为用户需求 产品技术需求以及空 间尺度需求 首先 通过寻找种植户 农场主等相关 从业人员进行访谈 将访谈内容采用 KJ 法 19 归纳得 出用户需求 随后 筛选获取草莓采摘机器人相关专 利摘要文本 将文本清洗后 使用 LDA 主题模型聚 类法获取各功能模块的技术需求 实地测量草莓种植 园区中道路宽度 植株高度 垄沟深度等数据 分析 其关键节点的空间尺度需求 并在数字软件中搭建仿 真环境为后续工作提供参考 选取华北地区三个村镇的草莓种植户 农场主 农业从业者等 11 人 采用半结构化访谈法鼓励以上 用户开展思维发散 回放访谈音频 列举出能够转化 为用户需求的相关访谈内容见表 1 通过收集访谈数 据并进行焦点小组讨论 基于用户对功能的偏好程度 进行规范精简用语 整合同义需求 去除重复需求 最终提取出 14 项功能性指标 根据功能卡片的亲和 度采用 KJ 法进行分类 得出三个需求门类分别为 功能需求 操作需求和外观需求 为确保技术的可行性 通过专利摘要文本的主题 聚类得出主要功能模块及其技术应用 以确定设计方 案具备进一步开发和应用的基础 由于专利中的摘要 蕴含大量技术信息要点 可以帮助设计者快速了解专 业技术领域 技术问题 技术方案和主要用途等 20 表 1 用户需求清单 Tab 1 User needs 访谈内容 需求提取 类别 别太占地方 否则储物间放不下 节省空间 晚上把棉被放下来保温 晚上不是怕冷吗 里面没有灯 希望这个时候也能工 作 可以夜间工作 游客摘剩下的我们都得自己处理 这就需要加紧 效率高 如果能分大小就好了 机器的话可能同一个模式按它的标准来 不一定适合 自动给果实分类 像我们这边都是横着一排排种的 每行只有七八米的长度 希望它知道该怎么 走 不用我们手动去挪它 自动导航 发现有磕坏的还要拣出来 很麻烦 减少果实磕损 功能需求 如果把机器搬进大棚需要费时费力的话 那还不如自己摘 方便移动 直观交互 我们不太会操作现在的新设备 语音控制就挺好 最好机器也能给出反馈 告 诉我们目前进度怎么样了 显示工作进度 每个园子的品种不一样 如果需要更换篮子的话最好能方便一些 方便拆卸更换 机器呀 首先成本吧 一般先考虑的都是成本 使用成本较低 操作需求 造型美观 识别度高 希望能用上物美价廉的产品 外观可以朴素一些 不用特别高科技 走在园子 里面的时候最好能显眼一点 需要的时候一眼就能找到它在哪儿 产品亲和力 外观需求 118 包 装 工 程 2024 年 11 月 选择将草莓采摘机器人相关领域专利作为分析对象 专利检索词条内容为 草莓采摘 应用领域限定在 农业 大类下的二级领域 农业机械和机具 专 利类型限定为发明专利和实用新型专利 主题聚类如 表 2 所示 根据产品创新技术主题聚类 结合采摘机 器人的作业流程 近年来采摘机器人的相关专利成果 指向三大技术需求 分别为场景勘测与行驶 自动化 采摘与果实分拣收集 草莓种植园区是采摘机器人的主要工作场景 包 括垄台 垄沟 植物 通行道路等诸多节点 因此设 计过程中不仅需要考量用户需求 技术可行性 还需 要兼顾草莓种植环境中的各种尺度和约束 以北京郊 区的某草莓种植园为例 通过实地观察法对园区的各 个节点进行信息采集 成立焦点小组研讨采摘机器人 在工作场景中可能面临的情况 以挖掘产品对环境的 需求 如表 3 所示 依据领域专家意见将上述得出的用户需求 技术 需求及环境需求与功能主题对应 对需求要素进行整 合 其中导航系统可以满足用户无需操控的需求 图 像识别功能配合特定的果实收集装置可以满足辅助 分拣的需求 行走机构中减震 爬坡 转弯功能用于 满足复杂环境下的作业需求 用户提到的 对机器的 操控感 则需要由交互功能模块来实现 3 2 功能 行为 结构映射 以上述得出的采摘机器人四项需求模块为基本 功能层 将实现其功能的设备行为作为转化因子 执 行 FB BS 映射 实现产品 功能 行为 结构 的转化 21 表 2 草莓采摘机器人专利技术主题词汇 Tab 2 Theme vocabulary of patent technology for strawberry picking robot 主题 主题词汇 技术需求 Topic 1 采摘机器人 驱动 面板 电机 车体 收集 刀片 系统 移动 导轨 伸缩 隔板 伸缩杆 Topic 2 驱动系统 支撑 驱动 机械 智能 电机 自动化 动轮 采摘车 行走 支撑架 摄像 场景勘测与行驶 Topic 3 机械臂 模块 连接 收集 视觉 传感器 机械臂 驱动 连杆 钩爪 滑块 气缸 执行 Topic 4 远程控制 控制器 连接 电机 运动 远程 过程 终端 步进 提供 智能 无线通信 Topic 5 自动化采摘 执行 行走机构 机械臂 连接 视觉 固定 成熟 末端 识别 特征 组成 自动化采摘 Topic 6 果实采集输送 面板 成熟度 检测 存储 摩天轮 剪切 输送 机架 剪切机 输送机 Topic 7 智能识别 果品 智能 成熟 前端 远程 协作 信息 图像 自动 类别 标注 判别 果实分拣收集 表 3 环境需求分析 Tab 3 Analysis of environmental needs 场景 节点 介绍 图片 需求 草莓植株 成熟的草莓呈下垂状态 位置靠下 上方有叶 片遮挡 灵活的采摘机构 光线补充 垄沟 宽度狭窄 仅能容纳一人通过 行走机构占用空间较少 种植田 土壤 土壤凹凸不平 行走机构减震 斜坡 垄沟和道路之间有高度落差 由斜坡相连 爬坡功能 道路 在田地一侧 供种植人员行走 较为平坦 宽 度不到 1 5 m 减少转弯半径 通道 储物间 通常建在大棚入口处 里面放有农具等杂物 门框较窄 宽度不超过 80 cm 车身尺寸限制 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘机器人产品创新方法研究 119 在此过程中需要将提取到的功能要素转化为 行为的 实现方式 而后根据上述行为变量列举出 达到功 能目的的结构组件 通过定位 采摘果实 放置果 实等一系列行为动作映射出智能采摘机器人的结构 需求 见图 4 第一步是功能 F 行为 B 映射 总功能层 分解为场景勘测与行驶 自动化采摘 果实分拣收集 交互四个子功能层 考虑地垄式草莓种植场景和条 件 将每个子功能转换为操作行为 即描述每个子功 能如何运作或表现 第二步是行为 B 结构 S 映射 结构被定 义为人工制品的组件元素及其关系 是产品或系统的 组成部分或实现方式 如适用于在不规则地形行驶的 三角履带 可用于判定形状的双目摄像机等 根据预期结构要素及其相互作用原理 建立采摘 机器人功能模型见图 5 确定元件间关系中的标准作 用 并用不同线形区别不足作用 过剩作用和有害作 用 22 该图也能展现零件或设备的布局和用途 辅助 设计者创建硬件设计的蓝图 以便于后续优化过程中 规划产品的结构 功能和逻辑 图 4 功能 行为 结构映射 Fig 4 Function behavior structure mapping 图 5 草莓采摘机器人功能模型 Fig 5 Functional model of strawberry picking robot 120 包 装 工 程 2024 年 11 月 3 3 设计要素冲突的 TRIZ 转化 TRIZ 是俄文 发明问题解决理论 的首字母 是 由阿奇舒勒团队从 250 多万份高水平专利中总结出 来 应用于创新问题解决的系统化理论体系 23 在 拟 定产品结构框架的过程中 为满足异质化的产品功 能 导致形成一些相互矛盾的问题 见表 4 例如 为减少采摘机器人的作业次数 果实收纳装置需要较 大的储物空间 但机器人又要尽量具有较小的体量 以通过空间有限的种植田 草莓种植地垄之间的可通 过空间较为狭窄 平均宽度仅为 30 cm 左右 而采摘 机器人需要安装多种机械元件 对采摘机器人的造型 结构和行驶方式来说是一种挑战 机器人在田间行驶 时难免产生颠簸 而草莓的表皮组织极为脆弱 如 果放置于普通容器中则容易受到碰撞挤压 导致果 实损伤 表 4 冲突分析及解决原理 Tab 4 Principles of conflict analysis and resolution 冲突类型 冲突 改善参数 恶化参数 推荐发明 分离原理 原理说明 物理冲突 作业空间与机器人 体积 空间分离原理 元件某一部分具有特性 P 另一部 分具有特性 P 在空间上分离该 两部分 收纳装置的容量与 果实易受损程度 NO 7 运动 物体的体积 NO 27 可 靠性 1 11 40 1 分割原理 11 预先应急措施原理 40 复合材料原理 技术冲突 功能增加与操作便 捷性 NO 35 适用 性及多用性 NO 33 可 操作性 24 10 24 中介物原理 10 预先作用原理 采摘机器人的行进系统需具有较高的地形通过 性 需要提高履带对地面的附着力与牵引力 常规的 解决方案是增加履带宽度和机身宽度 然而 草莓种 植田中垄沟的单列宽度仅有 30 cm 由于行走空间狭 窄 导致机器人的尺寸需求存在物理冲突 采用空间 分离原理 让机器人的履带在草莓植株左右两侧的垄 沟处行进 将采摘系统与收纳装置设置于草莓植株上 方 与行进系统在空间上得以分离 在草莓园中 机 器人还面临着行驶到田地尽头时 由于道路狭窄而难 以转向的问题 解决方案如图 6 所示 安装四个电机 分别独立控制四个履带轮 通过两侧轮胎正反转向实 现在狭小空间内原地调头等动作 图 6 机器人转向示意 Fig 6 Diagram of robot steering 解决技术冲突问题 即找出问题中涉及的两个工 程参数 并在 TRIZ 的 39 个工程参数中确定需要改 进的参数和可能恶化的参数 例如选择第 27 个参数 可靠性 作为要改善的参数 选择第 7 个参数 运 动物体的体积 作为要削弱的参数 查找 TRIZ 的矛 盾矩阵 得到以下四个序号 14 1 40 11 根据 先验知识选取分割原理 预先应急措施原理和复合材 料原理 为实现采收分一体化作业 对已分类草莓高效无 损伤存放成为关键问题 根据 17 号多维化原理和 24 号中介物原理 将收纳转盘设计为可拆卸的模块化多 层结构 外圈的每个卡槽内镶嵌有弹性橡胶夹持构 件 末端执行器摘取草莓后 将收纳盘上的滑块向内 推 直至里层卡扣将夹爪位置锁定 此时果梗在被放 置的过程中逐渐被夹持稳固 草莓悬挂于转盘上能够 减少相互碰撞 待机状态下 果农可将收纳转盘拆除 另行存放 同时机械臂呈折叠状态 可节省采摘机器 人所占用的空间 在现阶段 已有研究 4 5 通过末端执行器上摄像 头配合视觉识别算法对草莓的尺寸和成熟度进行判 定 但随着采摘机器人组件和功能的增加其操作便捷 程度也逐渐降低 参考 10 号预先作用原理 收纳装 置可同时被赋予分拣装置的功能 基于此 使用者在 每次机器人作业后直接收取已经分类完成的果实 减 免人工分类的工作量 同时 当草莓以悬挂的形式被 收纳 非常规的收纳装置增加了用户操作的复杂程 度 为改善可操作性 将草莓收纳盘设计为模块化可 拆卸组件 并在其上设置镂空连接结构以便于使用者 在采收作业前后安装和拆卸 单个收纳盘可稳定放置 于桌面 工作台等平面上 以便后续果实加工处理 模块化果实收纳装置见图 7 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘机器人产品创新方法研究 121 图 7 模块化果实收纳装置 Fig 7 Modular fruit storage device 3 4 采摘机器人的数字仿真模型搭建 为配合采摘机器人结构方案的可行性设计 搭建 视景仿真的三维场景 其主要内容是对仿真实体建模 并运用数据来驱动模型 24 仿真环境建模包括种植地 形 草莓植株 采摘机器人等 借此直观地观察田间 草莓采摘作业流程 数字模型的构建应从 几何 物 理 性能 行为 规则 5 个维度进行映射 在几何层面 需按照真实草莓种植田地尺寸搭建场景模型 而后将 采摘机器人 CAD 模型导入数字内容创作 Digital Content Creation DCC 工具中进行网格化预处理 并创建材质及纹理特征 在物理层面 对模型设置碰 撞体和摩擦力等 在性能层面 需体现出机器人各组 件的功能 例如机械臂的自由度 工作空间 运动速 度等 在行为层面 设置机器人各个组件在关键点 位的空间位置 旋转状态等 插入关键帧 通过动 画观察数字仿真模型的行为轨迹 在规则层面 包 括但不限于模拟采摘机器人在种植田中的行驶路 线 为机械臂各关节的运动模式设定限位等 以确 保仿真模型合理运行 采摘机器人数字仿真模型搭 建示意图见图 8 图 8 数字仿真模型搭建 Fig 8 Digital simulation modelling 122 包 装 工 程 2024 年 11 月 4 方案生成与可用性验证 4 1 采摘机器人设计方案 采摘机器人结构设计如图 9 所示 提出了一种基 于独立电机控制的三角履带式行走结构 可以大幅提 高复杂地形的通过性 满足了中国式农村草莓种植园 环境的设计需求 采摘机器人运行的空间需横跨地垄 式种植环境下草莓单行种植区域 尺寸长 110 cm 宽 76 cm 底盘高 50 cm 机器人车身与每个履带轮组 的连接处分别装有扭转电机 可独立控制履带转角完 成小半径转向 考虑到体积限制 选用 CyberGear 型 号驱动电机安装在每个履带轮组的支撑架内 驱动电 机的输出轴与履带的驱动齿轮固定连接 固定摄像头 位于车身前端靠右位置且其底部通过螺钉固定安装 在车身机箱上 用于采集作业环境中的图像 识别作 业环境中的较大尺寸目标物 并与激光雷达联合执行 导航任务 机器人搭载采收分一体化功能 视觉系统 设备采用 ZED mini 型双目深度相机 采用 眼在手 上 系统的安装方式固定在机械臂末端 在采摘的过 程中相机跟随机械臂运动 采用基于人工智能的目标 检测算法可完成对成熟草莓的自动识别和坐标定位 定位完成后调整机械臂位置 位于末端执行器上半部 分的刀片将果实梗切断 同时下半部分的橡胶垫保持 夹持状态 末端执行器一次作业结束 把果实送到相 应的收纳盘卡槽内 造型设计突出亲和力 使用具有抗冲击力和耐腐 蚀性的玻璃纤维外壳 主体选择银灰色与深灰色相搭 配 减小农户对人工智能替代人力造成的异质感 方 案效果如图 10 所示 针对草莓这类软果类果实需要 特殊采摘收纳方式的现状 将盘旋式果实无损收纳装 置同草莓机器人造型融为一体 大幅度提高了果实收 纳容量 本研究提出的草莓采摘机器人可以昼夜作 业 大幅度缩短采摘周期的同时 也降低了人工采摘 对草莓造成的损害 对于中国农村空巢老龄化 劳动 力不足等现实问题具有一定的应用价值 4 2 结构功能可行性验证 4 2 1 机械臂运动空间 为分析采摘机械臂的运动空间 本研究借助三维 软件 Blender 骨骼模式下的 IK 功能进行姿态模拟 图 9 产品结构方案 Fig 9 Product structure scheme 图 10 产品效果图 Fig 10 Product rendering 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘机器人产品创新方法研究 123 反向动力学 Inverse Kinematics IK 算法是指在给 定末端骨骼的位置信息后 根据末端骨骼的位置信息 反向推导出该骨骼继承链上 N 级前置骨骼及关节的 位置信息 25 26 根据机械臂构造绑定骨骼并设置限 位 将末端骨骼定位于末端执行器上 分别选取果 实生长位置 果实输送过程 最下端果实收纳盘 最上 端果实收纳盘作为关键节点 观察到末端执行器位 于这些节点时 机械臂结构未发生碰撞且各关节未 产生扭曲 初步证实了采摘执行机构方案的可行性 见图 11 图 11 机械臂姿态模拟 Fig 11 Posture simulation of robotic arm 4 2 2 果实夹持稳定性 果实收纳盘上的夹指需要稳定夹持草莓果梗 避 免果实掉落导致的碰撞损伤 当夹指夹紧果梗时 设 定被夹持部分为规则圆柱体 以果梗的横截面为 xOy 二维坐标平面 并以果梗轴线为 z 轴 点 O 在 z 轴上 设夹指对果梗两侧的接触正压力分别为 F 1 和 F 2 建 立稳定夹持下的简化力学模型如图 12 所示 夹指接触面对果梗产生的正压力均通过圆心点 O 当稳定夹持果梗时 获得静力学平衡方程为 2 1 i i F G 1 式中 F i 为材料接触面对果梗接触正压力 为 摩擦因数 G 为果实受到的重力 由于夹爪处于锁止状态 果梗的接触正压力来源 于夹指材料形变产生的应力 应力 及弹性模量 E 的 公式分别为 i F S 2 E 3 式中 S 为物体受力面积 为夹指上弹性材料 的应变 夹指拟选用软体机器人常用的硅橡胶材料 dragon 10 skin medium 当该材料垂直于受力方向的应变为 0 2 时 弹性模量约为 0 025 MPa 27 根据前期实验 28 橡胶材料与植物果梗之间的摩擦因数取 0 85 为保险 起见 草莓果实受到的重力取 0 8 N 联立方程式 求得当夹指厚度至少为 9 4 mm 时 可以提供足够的 摩擦力保持果实被夹持在收纳盘上不会掉落 绘制单个夹爪的简化装配体模型见图 13 使用 图 12 草莓果梗受力分析 Fig 12 Force analysis of strawberry stem 图 13 果实夹取状态仿真 Fig 13 Simulation of fruit picking status 124 包 装 工 程 2024 年 11 月 Solidworks 中的 motion 模块进行运动算例仿真 设定 夹指的材料参数并定义摩擦因数 推动滑块使得左右 夹指呈平行状态夹紧果实 随后模拟果实在收纳盘上 的运动路径 让夹爪与果实围绕收纳盘的半径旋转 360 跟踪果实坐标 Y 分量的线性速度生成时间 速 度和时间 加速度变化图 当 0 4 s 时夹爪锁止后 果 实在竖直方向的速度与加速度均保持为 0 这意味着 理想状态下果实被挂在收纳盘上时不会发生脱落 4 2 3 轮组减震性能 在 Solidworks 中构建行走机构的三维简化模型 为各组件添加驱动副约束并对驱动轮设置驱动函数 使行走机构产生运动趋势 搭建用于运动仿真的行驶 系统虚拟样机如图 14 所示 该模型由 1 个车身和 4 个履带行走机构组成 履带行走机构位于车身两侧 通过固定副与车身连接 每一组履带行走机构包含 1 个驱动轮 1 个张紧轮 3 个支重轮 3 个悬挂及 1 条履带 支重轮通过旋转副与悬挂相连 在支重轮的 悬臂与支撑架之间设置有旋转弹簧阻尼器 采摘机器 人常规行驶平均速度为 2 5 km h 对应驱动轮马达的 函数为 STEP TIME 0 0D 0 656D 同时建立对照组三 维模型 对照组行走机构由 1 个车身和 4 个普通车轮 组成 车身长 宽 高保持不变 仅将行走机构的履 带轮组改为常规车轮 让两组模型以相同的速度行 图 14 履带轮组结构 Fig 14 Structure of track wheel group 进 通过同一种不规则地形 对比两组车身的俯仰角 度 29 作为行驶稳定性的指标 为模拟采摘机器人行驶作业环境 将采集到的土 壤图像进行灰度值 30 特征提取后 将灰度图导入 DCC 软件以创建数字仿真土壤地形 31 灰度图构建 三维地形是一种利用灰度值表示高程的方法 可以在 计算机图形中生成三维地形模型 车身俯仰角度随时间变化图见图 15 当采用履 带轮组时 车身在不规则土壤中的俯仰角度相较普通 车轮更为平缓 体现出本设计方案在不规则地形上具 有较好的稳定性 图 15 行走机构仿真 Fig 15 Simulation of walking mechanism 5 结语 本研究以设计适用于地垄式种植环境下的草莓 采摘机器人为出发点 对草莓种植环境实地调研后 提出将基于需求分析和 TRIZ 的集成模型作为指导框 架 运用设计理论指导草莓采摘机器人的设计过程 同时使用数字仿真技术搭建草莓采摘场景 实现了草 莓采摘机器人作业流程的可视化 为设计提供了有效 的数据支撑 采摘机器人方案在现有产品的基础上增 加了适用于地垄间行驶的结构 并搭载采收分一体化 功能以减少人工劳作 在全面推进乡村振兴背景下具 有一定的应用价值 最终功能仿真分析结果较为理 想 验证了该设计框架在农业机械产品开发中的合理 性 后续有待细化数字仿真系统 并进一步全面化 多维度地探讨产品研发需求 推进农业机械化产品开 发 为农作物采收场景提供参考 优化资源配置 助 力提升农业全要素生产率 参考文献 1 马红坤 毛世平 陈雪 小农生产条件下智慧农业发 展的路径选择 基于中日两国的比较分析 J 农业 经济问题 2020 41 12 87 98 MA H K MAO S P CHEN X Exploring the Develop ment Path of Smart Agriculture in China Based on the Comparative Analysis between China and Japan J Is sues in Agricultural Economy 2020 41 12 87 98 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘机器人产品创新方法研究 125 2 刘成良 贡亮 苑进 等 农业机器人关键技术研究 现状与发展趋势 J 农业机械学报 2022 53 7 1 22 LIU C L GONG L YUAN J et al Current Status and Development Trends of Agricultural Robots J Trans actions of the Chinese Society for Agricultural Machin ery 2022 53 7 1 22 3 YAMAMOTO S HAYASHI S SAITO S et al Devel opment of Robotic