水果采摘機器人末端執(zhí)行器的研究進展

陳 昕，華 超，朱銀龍，劉 英

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京 210037)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基地和智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水果種植區(qū)域規(guī)劃更加優(yōu)化，果品行業(yè)不斷深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，從1994年起我國的水果產(chǎn)量就已躍居世界首位[1-2]，并擁有巨大的消費市場，水果產(chǎn)業(yè)效益越來越明顯[3]，但水果采摘主要依靠人力，存在人工采摘效率低、成本高等問題，人工采摘費用占總成本的比例約為50%[4]。近年來隨著經(jīng)濟發(fā)展的需要和勞動力成本的上升，勞動力涌向城市，而果園主要分布在非城市地區(qū)，導致在水果采摘環(huán)節(jié)投入大量勞動力愈發(fā)困難，水果采摘的人工成本逐年增加。因此，采摘機器人從實驗室研究走向?qū)嶋H應用的需求愈發(fā)迫切，我國采摘機器人的推廣應用具有重要的現(xiàn)實意義[5]。

水果采摘機器人能夠提高作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)自動化采摘。末端執(zhí)行器是采摘機器人實現(xiàn)采摘的關(guān)鍵部件[6]，與采摘目標直接接觸，能夠把果實從作物上分離，負責引導采摘機器人定位目標果實進行采摘，直接影響采摘機器人的作業(yè)效率和果實損傷率，在提高采摘機器人采摘效率和作業(yè)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著非常重要的作用[7]。本文歸納整理了目前國內(nèi)外水果采摘機器人末端執(zhí)行器的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了存在的問題以及今后的發(fā)展趨勢。

1 采摘方式

目前，果實采摘的方式主要有兩類[8]：第一類是抓取切斷方式，即在末端執(zhí)行器抓取果實后，利用切割器如剪刀、刀片、鋸子等切斷果梗，該方式的通用性較強，尤其適用于果實和果柄結(jié)合力較大的果實，如黃瓜等，但不易確定果梗的切割位置，而且要防止切割過程中傷及作物枝蔓，對末端執(zhí)行器的精確度要求較高。浙江工業(yè)大學錢少明等[9]研制的用于黃瓜采摘的末端執(zhí)行器如圖1所示，該執(zhí)行器由抓持器和切割器組成，采用抓取切斷的方式，結(jié)構(gòu)簡單，抓持器采用柔性關(guān)節(jié)對果實的損傷較小，采摘效率高，但抓取不夠平穩(wěn)。第二類是仿生采摘方式，即利用末端執(zhí)行器抓牢果實后，根據(jù)果實和果柄連接處的特點，通過擰、折、拽等動作實現(xiàn)果實和果柄的分離。該方式主要適用于果實和果柄連接處較為脆弱的采摘，但該方式需要末端執(zhí)行器進行多自由度的運動，對末端執(zhí)行器的控制要求較高，且對力矩要求較大。華南農(nóng)業(yè)大學張炳超等[10]研制的番木瓜采摘末端執(zhí)行器如圖2所示，該執(zhí)行器選定了三個手爪的番木瓜采摘方式，采用先夾持后扭轉(zhuǎn)的動作順序?qū)崿F(xiàn)果實的扭轉(zhuǎn)分離，能夠提高采摘效率，降低成本。

圖1 黃瓜采摘末端執(zhí)行器

圖2 番木瓜采摘末端執(zhí)行器

在水果采摘過程中不僅需要提高采摘機器人末端執(zhí)行器的抓取效率[11-12]，還需要減小對果實造成的損傷，在采摘過程中產(chǎn)生損傷的主要原因是抓取過程中末端執(zhí)行器對果實的抓取力過大，以及在抓取結(jié)束后由于末端執(zhí)行器抓取力不足或不穩(wěn)定導致果實掉落。在抓取表面較厚的果實時，如橙、柑橘等，在一定范圍內(nèi)抓取力的變化不會對果實產(chǎn)生損傷；但對于蘋果、番茄、草莓等表皮柔嫩容易破損的果實，在采摘過程中對抓取力的精度要求較高，抓取力過大會造成果實表面或內(nèi)部的損傷，而抓取力不足又無法抓牢果實導致果實掉落[13]。因此，針對水果的不同特性，采摘機器人的抓取方式也不同。

中國農(nóng)業(yè)大學徐麗明等[14]研制的臍橙采摘機器人末端執(zhí)行器如圖3所示，該執(zhí)行器通過吸盤實現(xiàn)果實與果簇的分離，通過切刀實現(xiàn)果實與果梗的分離，采摘速度快，控制難度較低，對果實的損傷較小，但對于果柄較短的果實可能會采摘失敗。挪威生命科學大學與美國明尼蘇達大學Xiong Ya等[15]研制的草莓采摘機器人末端執(zhí)行器如圖4所示，該執(zhí)行器可以采摘種在托板中的草莓，RGB-D攝像機安裝在移動底座上，且末端執(zhí)行器內(nèi)部有一個容器，在采摘過程中收集果實，可以實現(xiàn)連續(xù)采摘且可判斷草莓是否成熟，采摘效率較高。

圖3 臍橙采摘機器人末端執(zhí)行器

圖4 草莓采摘機器人末端執(zhí)行器

2 水果采摘末端執(zhí)行器的抓取方式及特點

采摘機器人作業(yè)時，抓取果實或者果梗的原理主要有吸入式、夾持式和吸持式[16]。采用吸入式的末端執(zhí)行器通過吸盤、吸管等，利用負壓原理直接抓持果實，對果實的損傷較小，響應較快，但抓持力有限，常用于球形或半球形并且重量較輕的果實，如草莓、蘑菇、番茄等單顆果實的抓持。采用夾持式的末端執(zhí)行器通過夾持機構(gòu)夾持果實，可以實現(xiàn)穩(wěn)定抓取，果實的重量不同夾持機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和手指數(shù)量也不同，手指數(shù)量越多夾持重量越大、夾持越穩(wěn)定，這種方式能夠夾持重量較大的果實，但驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計較為復雜。吸持式的末端執(zhí)行器結(jié)合了前兩種方式的特點，末端執(zhí)行器由吸引機構(gòu)和夾持機構(gòu)等組成，先通過吸引機構(gòu)將果實抓持，再通過夾持機構(gòu)穩(wěn)定夾持果實。

2.1 吸入式

英國Reed J N等[17]研制了蘑菇采摘機器人末端執(zhí)行器，該執(zhí)行器利用吸盤抓持果實，頂部安裝采用TV攝像頭的視覺傳感器，可以自動測量蘑菇的位置和大小，并進行選擇性地采摘和修剪。日本Kondo等[18-19]研制的草莓采摘機器人末端執(zhí)行器如圖5所示，該執(zhí)行器包括送風機、光電阻斷器、吸盤、切刀等部件，光電阻斷器可以判斷果實是否被吸入末端執(zhí)行器，若成功吸入，吸盤進行旋轉(zhuǎn)至切刀位置切斷果梗，最后用送風機將采摘完成的果實通過管道運送到果盤完成采摘。該執(zhí)行器采摘效率高，但采摘時無法判斷果實是否成熟。南京農(nóng)業(yè)大學姬長英團隊[20]提出的一種多末端采摘機器人機械手結(jié)構(gòu)方案如圖6所示，采摘機器人機械臂采用主從兩級結(jié)構(gòu)，從臂前端可掛接多個末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器能進行果實連續(xù)采摘，該執(zhí)行器通用性好，采摘效率高，適用于柑橘等球形水果的采摘。

圖5 草莓采摘機器人末端執(zhí)行器

圖6 蘋果采摘機器人機械手

2.2 夾持式

日本蔬菜茶葉研究所Hayashi等[21]研制了茄子采摘機器人末端執(zhí)行器，該執(zhí)行器通過彩色攝像機初步檢測果實位置，再通過超聲波傳感器確定果實位置，使用剪刀將果梗剪斷，該執(zhí)行器能夠自動定位果實和果梗的位置進行采摘。意大利Armada等[22]研制的柑橘采摘機器人末端執(zhí)行器如圖7所示，該執(zhí)行器在確定果實位置后先通過末端執(zhí)行器夾持果實，再向后移動末端執(zhí)行器直至將果梗拉緊，通過力傳感器確定果梗位置后，末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)至圓形鋸位置將果梗切斷。

圖7 柑橘采摘末端執(zhí)行器

西北農(nóng)林科技大學陳軍等[23]研制的獼猴桃采摘末端執(zhí)行器如圖8所示，該執(zhí)行器采摘果實動作模擬人手操作步驟，利用紅外位置開關(guān)檢測果實位置信息，末端執(zhí)行器夾緊果實，使用測力計檢測夾持力，旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器將果實果柄連接處折斷。該執(zhí)行器對果實的損傷較小，能夠準確夾持果實，但對于韌性較大的果柄可能會由于旋轉(zhuǎn)角度不夠而導致采摘失敗。江蘇大學馬履中等[24]研制的蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器如圖9所示，該執(zhí)行器利用光電位置開關(guān)判斷夾持果實成功后，通過軟管鋼絲傳動帶動刀片旋轉(zhuǎn)至果柄處進行切割。該執(zhí)行器具有一定的通用性，采摘速度較快，但成本較高，對末端執(zhí)行器的控制要求較高。中國農(nóng)業(yè)大學的紀超等[25]設(shè)計的溫室黃瓜采摘機器人如圖10所示，該機器人執(zhí)行器主要由氣動柔性手指、切刀與二次近景定位攝像機等組成。柔性手指采用了柔性材料橡膠，可以在一定作用力下夾緊果實且不會造成果實損傷。二次近景定位攝像機在末端執(zhí)行器第一次到達定位位

圖8 獼猴桃采摘機器人末端執(zhí)行器

置時采集果實的近景信息計算出切割位置防止切傷果實。該末端執(zhí)行器的優(yōu)點在于夾持裝置為柔性，可以降低夾持果實時給其帶來的損傷，但采摘耗時較長。

圖10 黃瓜采摘機器人

2.3 吸持式

日本閃山大學[26]研制的番茄采摘機器人如圖11所示，采摘時吸盤將果實吸入末端執(zhí)行器中，拉動線纜收攏末端執(zhí)行器將果實抓住，該執(zhí)行器能準確抓取果實，但采摘速度較慢。美國俄亥俄州立大學Ling P P等[27]研制的甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器如圖12所示，該執(zhí)行器利用線纜和電機實現(xiàn)彎曲，利用彈簧實現(xiàn)伸展，可以抓取不同形狀大小的果實，通用性較好，但控制難度較高。日本大阪府立大學Tanigaki K等[28]研制了獼猴桃采摘末端執(zhí)行器，該執(zhí)行器通過抽氣泵吸取目標果實，末端執(zhí)行器抓取果實進行果實采摘，結(jié)構(gòu)簡單，但有可能造成果實損傷。

圖11 番茄采摘機器人末端執(zhí)行器

圖12 甜椒采摘機器人末端執(zhí)行器

江蘇大學劉繼展等[29]研制的番茄采摘末端執(zhí)行器如圖13所示，該執(zhí)行器利用真空吸盤使果實從果束中分離出來，末端執(zhí)行器抓持果實，激光切斷果梗，該執(zhí)行器借助多種傳感器感知環(huán)境信息，可減少果實損傷，實現(xiàn)對果實的精確抓取，采摘速度快，靈活性好，但成本較高，對末端執(zhí)行器的控制要求較高。

圖13 番茄采摘機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖

3 水果采摘機器人末端執(zhí)行器的發(fā)展趨勢

目前圍繞水果采摘機器人末端執(zhí)行器已經(jīng)進行了很多研究，但末端執(zhí)行器的采摘效率、適用性和裝置成本等問題的存在未能實現(xiàn)采摘機器人的實用化與商業(yè)化，因此未來必須對水果采摘機器人末端執(zhí)行器做進一步的研究。

(1)提高末端執(zhí)行器的靈活性。末端執(zhí)行器需要實現(xiàn)準確采摘、快速采摘，靈活可操作，采摘時不破壞水果[30]。因此，末端執(zhí)行器應具有很好的靈巧性和柔順性。應設(shè)計自由度更高的機械臂配合末端執(zhí)行器的抓取，還可以選用合適的材料來增強靈活性。

(2)增強抓取的自適應性。目前的采摘機器人大多數(shù)為傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)的運動是確定的，而同一種果實的大小和形狀卻不完全相同，但采摘目標只能被動適應機械手抓握形狀，而不能使機械手主動適應水果的大小和形狀，容易造成采摘失敗或者損傷果實。

(3)提高采摘機器人的通用性。針對不同的地理環(huán)境(如平地、斜坡)、不同品種外形類似的水果(如蘋果、柑橘)，采摘機器人末端執(zhí)行器應適用于絕大多數(shù)條件[31]，以降低成本，提高效率，推動水果采摘機器人末端執(zhí)行器的發(fā)展與應用。

4 軟體機械手用于水果采摘的前景分析

由于不同種類果實大小、質(zhì)量和硬度的差異性，傳統(tǒng)的剛性機械手和負壓吸盤在抓取漿果類非硬質(zhì)對象時容易造成表面損壞及吸合不穩(wěn)定，且采摘對象單一[32-33]，如采摘蘋果的機械手無法直接用于采摘番茄。相比之下，軟體機械手由柔性材料制成，可以根據(jù)抓取對象的變化來改變自身形狀和尺寸，在采摘水果過程中具有剛性機械手無可比擬的優(yōu)點。結(jié)合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和采摘機器人研究現(xiàn)狀，利用軟體機械手的柔性、較強的自適應性和較多自由度的優(yōu)勢，可以改變自身形狀[34-35]，無損接觸柔軟或易碎的物品，減少碰撞帶來的自身損害和對環(huán)境及操作對象造成的危險，能夠展現(xiàn)出良好的連續(xù)運動能力、大尺度變形能力以及優(yōu)秀的順應屈服能力[36]。

湖北工業(yè)大學劉凡等[37]設(shè)計的一種適宜農(nóng)業(yè)采摘的柔性機械手如圖14所示，其成本較低，具有較強的自適應性和穩(wěn)定性，但抓取力較小。浙江理工大學崔志軍等[38]設(shè)計的一種剛性與柔性聯(lián)合驅(qū)動的農(nóng)產(chǎn)品采摘機械手如圖15所示，該機械手利用剛性驅(qū)動實現(xiàn)準確位移，柔性抓手抓取農(nóng)產(chǎn)品，自適應性好，且對自身和操作對象的損傷較小。浙江工業(yè)大學鮑官軍等[39]設(shè)計的氣動柔性末端執(zhí)行器如圖16所示，該末端執(zhí)行器的手指由3個氣動柔性彎曲關(guān)節(jié)組成，可以實現(xiàn)抓握和夾持兩種模式，具有較高的安全性，但3個手指由于輸出力不平衡會造成抓取不穩(wěn)定。

圖14 不同目標物的抓取

圖15 柔性抓手抓取蘋果示意圖

圖16 柔性末端執(zhí)行器

將軟體機械手運用到果蔬采摘中去代替手工作業(yè)進行果蔬采摘，這些特征使得軟體機器人在動態(tài)、混亂、擁擠、未知、非結(jié)構(gòu)化的復雜環(huán)境中具有獨特的優(yōu)勢，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用前景[40]，能夠提高采摘效率，降低采摘成本。因此，研發(fā)一種具有采摘多樣性、果實低損傷率的通用軟體采摘機械手具有巨大的經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景[41]。

軟體機器人在具有無限自由度的同時其形狀沒有受到足夠的約束，因此想要實現(xiàn)精確控制十分困難[42]，例如由于軟體材料的柔順性使得各軟體機器人的位置控制變得困難。與傳統(tǒng)的剛性機器人相比，低剛度也極大地限制了軟體機器人的力和扭矩承載能力。因此，還需要對剛度調(diào)控進行深入研究，保障軟體機械手的剛度和強度，以避免軟體機械手在抓取接觸過程中出現(xiàn)振蕩，同時避免與樹枝等障礙物發(fā)生碰撞。可以結(jié)合多種設(shè)計方法，如結(jié)合吸盤與軟體機械手[43]，真正做到軟體機械手的“剛”“柔”并濟，推動軟體機器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上走向?qū)嶋H應用。

5 結(jié)論與展望

目前大部分水果采摘機器人末端執(zhí)行器還處于研究階段，許多水果采摘機器人末端執(zhí)行器依然采用傳統(tǒng)的剛性機械手，存在靈活性和通用性差、成本高以及效率低等問題[44-51]。利用軟體機械手作為水果采摘機器人末端執(zhí)行器可以減小對水果的損傷，盡管軟體機械手在位置控制以及剛度調(diào)控方面還有很多問題需要解決，但軟體機械手的研究對其在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實際應用具有重要的意義。