果蔬采摘柔性手爪关键技术的研究

王景景

摘 要：现阶段，在我国农业经济快速发展的背景下，各种先进的技术在蔬果采摘中已经得到了有效应用。特别是柔性手爪在果蔬采摘中的应用，不仅能够保证采摘的有效性，还能极大程度地减少果蔬在采摘过程的机械损伤，降低生产经营成本。因此，对现有果蔬采摘机械手爪的结构组成和分类进行了总结，并以常见的几种果蔬为例，分析了其机械手爪的工作方式，阐述了现有机械手爪的优缺点和改进方法，并提出一种柔性手爪的构思，希望能够为果蔬采摘工作提供更多的帮助。

关键词：柔性；手爪；果蔬采摘

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]。

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。

一、机械手爪结构组成及设计思路

（一）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[3]。

（二）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。

二、机械手爪在果蔬采摘中的应用现状

（一）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。部分学者在温室中，栽培了草莓，并且设计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。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。

（二）茄子采摘机器人。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%。

三、机械手爪存在的问题及解决思路

（一）机械手爪存在的问题

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。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。

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。

（二）解决思路

1、加强果蔬物理特性測试。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。

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。

四、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。

（一）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。

（二）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。手爪设计流程图见图1。

五、柔性机械手爪的应用与展望

（一）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。

（二）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，检测功能也会成为今后末端执行器的新功能。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。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。

参考文献：

[1] 陈昕，华超，朱银龙，等 . 水果采摘机器人末端执行器的研 究进展 [J]. 林业机械与木工设备，2020，48（9）：4-10.

[2] 李秦川，胡挺，武传宇，等 . 果蔬采摘机器人末端执行器研 究综述 [J]. 农业机械学报，2008，39（3）：175-179，186.

[3] 刘燕德，王观田，王均刚，等 . 水果无损采摘机械手工作空 间分析及参数确定 [J]. 农机化研究，2019，41（4）：12-17.

基金：本课题来源于2022年江西省科技厅科技课题，《采摘机器人柔性手爪的关键技术研究》课题编号：GJJ2203004