Abstract Robotic pruning is a potential solution to address the issues of labor shortages and high associated costs, but it has challenges due to the unstructured working environment. For successful robotic pruning, target branches have to be reached with fewer spatial requirements for the end-effector cutter and the manipulator. A three-rotational (3R) degrees of freedom (DoF) end-effector was designed considering maneuvering, spatial, mechanical, and horticultural requirements. Simulations were conducted with the end-effector to investigate the reachable workspace, the cutter frame orientation, and the manipulability index. The simulation results suggested that the proposed design has a spherical reachable workspace with a void due to the presence of a physical constraint of the linear arm. The manipulability index was determined to be independent of the rotation of the first and last joint of the end-effector. The prototype of the proposed end-effector was integrated with a cartesian manipulator. An Arduino-based control system was developed along utilizing a Matlab graphical user interface (GUI). A series of field tests were conducted on ‘Fuji’/Bud. 9 apple trees with trellis-trained architecture. The field tests validated the simulation results, and the end-effector successfully cut branches up to ~25 mm diameter at wide range of orientations. This study provides the foundation for future investigations of branch accessibility for pruning with an integrated 3R end-effector and a cartesian manipulator system following a collision free trajectory.

中文翻译：

---

用于修剪苹果树的带有笛卡尔机械手的集成 3R 末端执行器的开发

摘要 机器人修剪是解决劳动力短缺和相关成本高问题的潜在解决方案，但由于工作环境的非结构化而面临挑战。对于成功的机器人修剪，必须以较少的末端执行器切割器和机械手的空间要求达到目标分支。考虑到机动、空间、机械和园艺要求，设计了三旋转 (3R) 自由度 (DoF) 末端执行器。使用末端执行器进行了模拟，以研究可到达的工作空间、刀具框架方向和可操作性指数。仿真结果表明，由于线性臂的物理约束的存在，所提出的设计具有具有空隙的球形可达工作空间。可操作性指数被确定为独立于末端执行器的第一个和最后一个关节的旋转。拟议的末端执行器的原型与笛卡尔机械手集成在一起。基于 Arduino 的控制系统是利用 Matlab 图形用户界面 (GUI) 开发的。对“富士”/Bud 进行了一系列现场测试。9 棵苹果树，采用格架训练架构。现场测试验证了模拟结果，并且末端执行器成功地在广泛的方向范围内切割了直径达 ~25 毫米的分支。这项研究为未来研究分支可访问性以使用集成的 3R 末端执行器和遵循无碰撞轨迹的笛卡尔机械手系统进行修剪奠定了基础。拟议的末端执行器的原型与笛卡尔机械手集成在一起。基于 Arduino 的控制系统是利用 Matlab 图形用户界面 (GUI) 开发的。对“富士”/Bud 进行了一系列现场测试。9 棵苹果树，采用格架训练架构。现场测试验证了模拟结果，并且末端执行器成功地在广泛的方向范围内切割了直径达 ~25 毫米的分支。这项研究为未来研究分支可访问性以使用集成的 3R 末端执行器和遵循无碰撞轨迹的笛卡尔机械手系统进行修剪奠定了基础。拟议的末端执行器的原型与笛卡尔机械手集成在一起。基于 Arduino 的控制系统是利用 Matlab 图形用户界面 (GUI) 开发的。对“富士”/Bud 进行了一系列现场测试。9 棵苹果树，采用格架训练架构。现场测试验证了模拟结果，并且末端执行器成功地在广泛的方向范围内切割了直径达 ~25 毫米的分支。这项研究为未来研究分支可访问性以使用集成的 3R 末端执行器和笛卡尔机械手系统遵循无碰撞轨迹进行修剪奠定了基础。对“富士”/Bud 进行了一系列现场测试。9 棵苹果树，采用格架训练架构。现场测试验证了模拟结果，末端执行器成功地在各种方向上切割了直径达 ~25 毫米的分支。这项研究为未来研究分支可访问性以使用集成的 3R 末端执行器和遵循无碰撞轨迹的笛卡尔机械手系统进行修剪奠定了基础。对“富士”/Bud 进行了一系列现场测试。9 棵苹果树，采用格架训练架构。现场测试验证了模拟结果，并且末端执行器成功地在广泛的方向范围内切割了直径达 ~25 毫米的分支。这项研究为未来研究分支可访问性以使用集成的 3R 末端执行器和遵循无碰撞轨迹的笛卡尔机械手系统进行修剪奠定了基础。