果蔬采摘柔性手爪的研究

叶俊良，杨岸松，华文博，施浩楠，邹坤洁

（南京农业大学 江苏 南京 210031）

0 引言

机器人的末端执行器有时被称为执行器或者机械手爪，其功能相当于人的手，一般安装在机械臂的前端执行各种作业。目前机械手爪在农作物，尤其是表面娇嫩易破损果蔬的种植生产中应用不多[1]。在我国农业经济不断发展的背景下，蔬菜和水果的产量越来越高，劳动强度越来越大，时效性要求也比较高，果蔬采摘的工作成本也在不断提高，如果不及时解决此问题，就会影响我国农业经济的发展。果蔬采摘机器人是农业机器人中研究较多的一个分支，还未完全推广应用[2]。

目前，传统的刚性机械采摘手爪基本实现了工业生产，已经开始应用于果蔬采摘中。刚性手爪在接触柔软的果蔬时，或多或少会造成作物的损伤，使果蔬品质下降。柔性手爪属于一种无损采摘技术，其通过与不同果蔬采摘机器人结合，可以实现机械化生产和无损化采摘，优化果蔬采摘流程[3]。

本文在总结现有农业机械手爪的基础上，提出一种柔性手爪，以期为农业机器人，尤其是果蔬的高效收获提供技术支持。

1 机械手爪结构组成及设计思路

1.1 机械手爪结构组成

一般用于果蔬采摘的机械手爪主要由夹持机构、切断机构、吸引机构和吸附机构等组成。

夹持机构包括4类：（1）手指以支点为中心开闭型。（2）手指平行开闭型。（3）多指机械手。（4）形状记忆合金利用型[4]。切断机构多采用刀片，可以像超声波刀具一样在刀刃上加上振动，获得更大的切断力。吸引机构的作用是在机器人在收获过小果实或果实表面柔软不能夹持时，利用吸引力将其吸入末端执行器中[5]。吸附机构多以吸盘为主，它是用真空泵产生的真空吸附对象[6]。

1.2 机械手爪设计思路

机械采摘手爪制作时，首先需要确定一些数据，如切断果蔬穗轴需要多大的力，穗轴切断后要用多大夹持力才不致滑落等。采摘手爪必须能够应对生物特有的规律和差异，要具有处理不规则的、不定型的柔软对象的能力。机械手爪的夹持力既不能损伤果实又要保证果实不掉落，需要在充分了解作业对象的切断特性、形状、大小和采摘要求的情况下设计末端执行器[7]。

2 机械手爪在果蔬采摘中的应用现状

2.1 草莓采摘机器人

调查发现，我国农业大学在2004年，已经对农业机器人进行了研究[8]。部分学者在温室中，栽培了草莓，并且设计了3种采摘机器人，主要为桥架式、三自由度直角坐标式和四自由度龙门式。在对这3种采摘机器人的应用特点进行分析时，发现其主要是通过CCD传感系统，进而获取更加全面的彩色图像，然后在此基础上通过图像处理，对目标草莓进行准确的定位。同时，还要通过末端的执行器，实现采摘。在对其中的四自由度龙门式机器人进行应用时，发现其不仅能够解决较窄垄沟收获草莓的问题，还能优化采摘的流程。相关的研究表明，此采摘机器人，能够对草莓的成熟度进行准确判断，并且其手爪抓取的成功率也是非常高的，所以此机器人在草莓采摘中已经得到了有效应用。

2.2 茄子采摘机器人

早在2006年，我国农业大学的一些学者就联合研发了机械手爪，结合果蔬采摘的特点，实现了对茄子采摘机器人的开发[9]。在对此机器人的组成部分进行分析时，发现其主要有DMC运动控制器和PC机等内容。其中关节式机械手在应用时，一般与人体的腰部和腕部相对应，能够对目标果实进行有效采摘。如果在直方图上，应用固定双阈值法，对采摘流程进行分析。我们可以通过对图像的分割，进而得到果实目标，然后建立二值图像，在此基础上对其进行边缘提取。调查发现，该采摘机器人的抓取成功率比较高，大约为89%[10]。

2.3 番茄采摘机器人

新时期，为了实现对以前机械手爪的完善和创新，不断提高果蔬采摘的效率，大部分学者在原有的机械采摘基础上，实现了对五自由度关节式的设计，研发了西红柿的采摘机器人。在对其机器人的功能特点进行分析时，发现其绝对定位精度误差是比较小的，一般在10 mm之内。

此外，南京农业大学的一些学者，也对番茄采摘的机械进行了分析[11]，主要应用双目立体视觉技术，实现对红色番茄的准确定位，然后更好地体现成像原理。在两幅二维的图像上，还可以恢复目标，实现对三维坐标的建立。如果目标和摄像机之间的距离在300～400 mm，这时其深度误差要控制在3%～4%之间，进而避免对具体的采摘带来影响[12]。

2.4 黄瓜采摘机器人

除了上述采摘软体机械手爪方式外，相关学者还研制了新的采摘机器人，主要为六自由度圆柱型的采摘机器人[13]。这种机器人本身具有六自由度的机械臂，并且各关节都采用了步进电机驱动设计方式。在对视觉系统进行分析时，发现其是在RGB模型的基础上，对图像进行分割的。因此，黄瓜机械人在采摘中的应用，能够在提高采摘准确性的同时，实现对运动情况的精准定位，其精度一般为±2.5 mm。

3 机械手爪存在的问题及解决思路

3.1 机械手爪存在的问题

3.1.1 果蔬破损率高、灵敏度低

目前，大部分的机械手爪在果蔬采摘中采用开关量控制，需要预先抓取力，不能根据抓取的实际情况调整到合适的抓力，导致增大收获作业时果蔬的破损率。此外，传统机械手柔软度低，易对果蔬娇嫩的表面造成破坏，这无疑会拉低经济效益。为拥有足够大的加持力或切断力，导致现有的机械手爪和周边机器的重量、尺寸较大，增大了机械臂和移动机构的负担，再进一步还会影响到机械臂移动时的惯性力和控制方法，造成灵敏度低。

3.1.2 成本高，通用性差

针对不同的果蔬，往往需要设计不同的机械结构和控制系统。往往一种机械手爪，只能针对某一特定的植物进行采摘，进而完成比较单一的任务，所以说不同采摘机械手之间并不存在通用性，设备的利用率也比较低，这会在一定程度上增加制造和维护的成本。

3.2 解决思路

3.2.1 加强果蔬物理特性测试

在采摘手爪设计前，需要对待采摘果蔬的物理特性进行综合分析，为采摘手爪夹持力的设定提供参考数据，以解决因夹持力过大导致的果蔬破碎率高等问题。表1中分类列举了和机器人设计有关的主要特性，这些特征可以作为影响手爪设计的重要因素。另外，以待收获对象的相关特性为基础，预先设定夹持力、切断力、吸附力等参数之后进行作业[14]。

表1 果蔬的物理特性

3.2.2 推广植物工厂栽培

对以果蔬为对象的采摘手爪来说，栽培方式是影响其采摘效果的最主要的因素。据研究，植物工厂可实现作物的均一化，比如番茄的多层栽培技术，提高了作物从播种到收获、包装完全自动化以及收获装置通用性的可能性，因此可以加强植物工厂的推广应用，为收获手爪的高效工作奠定基础[15]。

4 新型柔性手爪设计

为了解决上述问题，提高果蔬采摘的效率，需要采取措施加强对手爪构型和材料的深入研究，在此基础上研制出一款符合实际收获的机型，保证柔性手爪应用的有效性和科学性。

4.1 应用柔性材料

由于果蔬易损易碎的物性，传统机械手容易对其造成破坏。而采用柔性材料的手爪表面柔软，抓取动作平滑，在较大的面积上分布应力、增加接触时间，从而最大程度地降低冲击力，保护脆弱物体表面不受损伤；另一方面，柔性的结构具有多自由度和高灵活性的特点，使其拥有更广泛的应用空间。

4.2 结构设计与优化仿真

在柔性手爪进行设计和完善时，应结合果蔬特性进行设计，保证手爪的合理性。此外，在满足采摘作业要求上，对机械结构进行仿真优化，不断强化柔性手爪的灵活性和通用性，从而进一步降低机械发生故障的概率[16]。手爪设计流程图见图1。柔性手爪结构图见图2。

5 柔性机械手爪的应用与展望

5.1 应用

本研究设计的手爪采用软体材料制作而成，其具有驱动简单、自由度无限、可根据水果形状贴合变形、自适应抓取等特点。该采摘手爪的手指是柔性的，即便目标果实周围有其他果实和主茎等障碍，也可沿果实的表面前进。又因与果实的接触面积较大，夹持力分散，可得到较大摩擦阻力以防止果实滑脱，可作为苹果、番茄、蘑菇等多种农作物采摘机器人的末端执行器。以蘑菇为例，蘑菇在菇房床架密集地生长，该机械手爪抓取蘑菇伞的表面，对蘑菇施加力使其脱离菇房床架完成无损化收获，此外，还可根据蘑菇的大小即时调节手指的抓取幅度[17]。蘑菇采摘实验图见图3。

5.2 展望

为了提高手爪使用率，降低成本、提高收益，需要研制只更换末端执行器的某些部件就可对其他农作物进行作业的通用型手爪，如果在末端执行器上附加一些机能，收获时向果实发射声波可以判断成熟度，以免收获未成熟果实[18]。检测功能也会成为今后末端执行器的新功能[19]。在此背景下，相关学者应用感器融合方法，实现了对软体机械手爪的进一步开发[20]。多感知柔性手爪是未来果蔬采摘的重要研究方向，也是果蔬采摘由自动化迈向智能化最重要的技术之一。

6 结语

要实现蔬果的自动化采摘，需要加强对末端执行器的研发。为了使末端执行器能够进行柔性作业，首先需要把握作业对象的特点。另外，把握生物生长状况也是设计末端执行器不可缺少的要素。柔性机械手爪能减少对果蔬表面的破坏，可以提高采摘效率，实现对传统方式的创新，优化果蔬抓取的流程，从而进一步提高采摘工作的质量。本研究设计的柔性手爪采用包络式设计，可抓取多种果蔬，通用性强，具有良好的应用前景。