食品機器人末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀與展望

張秋菊，張 進，孫沂琳

(1.江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122)(2.江蘇省食品先進制造裝備與技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

我國是世界食品、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)大國。食品工業(yè)是國民經(jīng)濟中增長速度最快、最具活力的支柱產(chǎn)業(yè)之一。在工業(yè)發(fā)達國家，工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應用于食品工業(yè)[1]。作為傳統(tǒng)的勞動密集行業(yè)，在人口紅利逐漸消失、市場競爭日趨激烈的今天，應用機器人技術(shù)已成為中國食品工業(yè)降低勞動強度、改善勞動條件、提高生產(chǎn)效率、保證食品安全、提高生產(chǎn)自動化水平的必然選擇[2]。與其他行業(yè)相比，食品行業(yè)所面對的操作對象具有極大的特殊性：質(zhì)地大多具有柔軟(如面包、蛋糕)、酥脆(如餅干)、易損(如水蜜桃、雞蛋)等特點；形狀大多不規(guī)則，近似為片狀(如餅干、蔬果切片)、橢圓形(如芒果)、柱形(如黃瓜、火腿腸)和復雜形狀(魚肉類)等；尺寸大小不一、質(zhì)量各異。像汽車零件這種固體、堅硬、外觀一致的東西很容易用機器人來移動，但是要移動像肉、水果、蔬菜和糕點這種精細、有彈性、天然外觀多種多樣的物體，就需要更加復雜的傳感系統(tǒng)和操作系統(tǒng)。此外，食品行業(yè)對機器人的操作要求也極具特點：食品無破損、衛(wèi)生安全、工作效率高、穩(wěn)定性好，其中食品衛(wèi)生安全是首要和必須滿足的要求[3]。

機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人機械臂前端直接作用于操作對象的執(zhí)行部件，其性能直接影響操作任務的執(zhí)行效果以及工作效率，因此長期以來一直是機器人領(lǐng)域的研究熱點之一[4-5]。近年來國內(nèi)外先后研究開發(fā)了多種機器人末端執(zhí)行器。食品材料為非剛性材料，其質(zhì)地、形狀和尺寸等差異很大，針對不同的食品，食品行業(yè)使用的機器人末端執(zhí)行器基本都是專用的，且絕大部分由非食品末端執(zhí)行器演化而來。對于各種柔、脆、不規(guī)則形狀食品的靈巧、柔順抓取，一直是食品機器人末端執(zhí)行器的設計難點[6]。

食品材料為非剛性材料，種類繁多，差異很大。食品機器人末端執(zhí)行器受食品形狀、質(zhì)量、表面特性、干燥度、黏性和硬度等多種因素的影響，成為食品機器人推廣應用的瓶頸問題。筆者在定義食品機器人的基礎上對食品機器人末端執(zhí)行器進行分類，分析了食品機器人末端執(zhí)行器研究中仍存在的問題，旨在指出食品機器人末端執(zhí)行器的研究方向與發(fā)展趨勢。

1 食品機器人的定義

食品機械是把食品原料加工成食品(或半成品)過程中所使用的機械設備和裝置。作為食品工業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎和技術(shù)支撐，先進的食品機械裝備是提高生產(chǎn)效率、降低能源消耗、保持食品營養(yǎng)成分和風味、減少環(huán)境污染的重要保障[7]。食品機械的種類十分繁雜，發(fā)達國家食品機械的品種多達3 000種以上；我國大約有1 800種。按照食品的種類和行業(yè)的不同，食品機械可分為食品加工機械和食品包裝機械兩大類。食品加工機械包括糧油加工設備、果蔬保鮮與加工設備、畜禽產(chǎn)品加工設備、水產(chǎn)品加工設備、方便食品加工設備、飲料加工設備和食品加工中廢棄物綜合利用設備等。食品包裝機械是指能完成全部或部分產(chǎn)品的食品包裝過程的機械[8]。包裝過程包括充填、裹包、封口等主要工序，以及與其相關(guān)的前后工序，如清洗、堆碼和拆卸等。此外，包裝還包括計量或在包裝件上蓋印等工序。典型的食品包裝機械有啤酒、飲料灌裝機械，封口機械，裹包機械，真空包裝機械，袋成型充填包裝機械，捆扎包裝機械，袋充填封口包裝機械等。

在食品加工與包裝行業(yè)中應用機器人的目的是為了降低勞動強度、改善勞動條件、提高生產(chǎn)效率、保證食品安全。目前食品機器人尚無嚴格的定義與分類。本文定義的食品機器人專指應用于食品加工與包裝過程，直接對食品物料進行操作，改變其形態(tài)或空間位置的工業(yè)機器人。因此，對于那些應用于食品加工與包裝行業(yè)，主要從事體積大而笨重的食品包裝箱的搬運、裝卸和碼垛操作的工業(yè)機器人，從嚴格意義上來說不屬于食品機器人。常見的食品機器人，包括做分級、分揀、清洗、稱重等預處理加工的機器人，以及肉類加工、剪羊毛、魚類去骨、削面、切菜、烹調(diào)、品味機器人等。對于食品機器人，由于操作對象多樣化(形態(tài)、特質(zhì)隨食品種類而各異)，操作要求個性化(例如切割牛肉、去魚骨)，因而動作復雜、實現(xiàn)難度較大。應用于大規(guī)模食品工業(yè)生產(chǎn)的食品機器人，由于生產(chǎn)線工作速度快、大批量的連續(xù)化生產(chǎn)，對食品機器人的速度、生產(chǎn)率、穩(wěn)定性以及可靠性要求很高。

由于食品與人們的安全息息相關(guān)，所以食品機器人還要具有高度安全性。在機器人本體及關(guān)鍵部件的材料、潤滑、防護等方面，都有很高的衛(wèi)生要求。以潤滑油為例，普通的機械潤滑油是由原油提煉而成的基礎油和添加劑組成，對人體有極大的危害，這樣在食品加工機械中使用普通的潤滑油就為食品安全埋下了隱患[9]。不少食品企業(yè)采用食品用油做潤滑劑，雖然可以保證安全，但若不加強防護任由潤滑油滴落到食品中，會影響食品的口感和外觀，同樣無法通過食品最終檢驗。因此，需要采用專門針對食品機械的工作環(huán)境(如高/低溫、高濕度等)設計配方的食品級潤滑油，這些潤滑油通常具有非常好的抗氧化、耐高低溫和抗乳化性能。另外，機器人在防護上也需要采用全封閉式的結(jié)構(gòu)。

2 食品機器人末端執(zhí)行器的要求與分類

食品機器人抓取物料時，末端執(zhí)行器先接近食品，并在食品附近定位；末端執(zhí)行器與食品接觸，在允許的范圍內(nèi)增大抓取力，達到閾值后停止，保證末端執(zhí)行器能夠穩(wěn)定抓取食品且不損傷食品；末端執(zhí)行器將食品搬運到指定位置，按照一定的方向釋放食品。因此抓取過程包括了定位、抓取、移動、定向和放置等環(huán)節(jié)。為了保證末端執(zhí)行器抓取食品的可靠性，各類傳感器被用來檢測和監(jiān)控食品抓取的全過程[10]。

食品機器人通過末端執(zhí)行器對食品物料進行操作，直接與食品接觸，因此食品機器人末端執(zhí)行器必須適合食品處理，其衛(wèi)生要求是絕對且首要的挑戰(zhàn)，在處理未包裝的食品時尤為重要。機器人末端執(zhí)行器可能會受到任何未知污染源的侵襲，在食品中有3種污染必須避免[11]：有毒污染、細菌污染和變色。大部分污染源會經(jīng)被處理的食品殘留在末端執(zhí)行器上，如果不及時清理，這些殘留物將導致細菌或霉菌滋生。尤其是直接抓取肉類食品時，油漬或微粒會很容易在末端執(zhí)行器的空洞、溝槽和內(nèi)壁處聚集。此外，由于食品機器人所面對的操作對象具有極大的特殊性，食品材料質(zhì)地大多具有柔軟、酥脆、易損等特點，在可靠抓取食品物料的同時，必須避免損傷食品物料。食品可能出現(xiàn)的損傷類型包括擦傷、撕裂、斷裂和變形等[12]。

因此，食品機器人對末端執(zhí)行器的功能要求有：1)準確、可靠抓?。?)不損傷食品；3)衛(wèi)生安全，不允許出現(xiàn)任何污染；4)抓取速度盡可能快；5)通用性、適應性盡可能好；6)易于清潔；7)成本盡可能低，結(jié)構(gòu)不宜過于復雜。

針對不同的食品物料，近年來國內(nèi)外相繼設計開發(fā)了多種食品機器人末端執(zhí)行器。根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同，可大致分為以下類型：1)吸附類，利用真空負壓或伯努利原理吸取物料；2)夾持類，通過剛性或柔性夾爪直接夾持物料；3)其他食品專用類，如針刺式、凍結(jié)式等。抓取不同特征的物件需要有著不同類型的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動源，表1給出了常見的食品機器人末端執(zhí)行器分類和特點對比[4,12]。

表1 食品機器人末端執(zhí)行器分類和特點對比

在實際應用中，食品機器人的末端執(zhí)行器不只局限于單一的結(jié)構(gòu)類型和抓取策略，復合型末端執(zhí)行器是食品機器人的研究方向之一。食品機器人末端執(zhí)行器可以結(jié)合多種策略和方法，增加抓取時食品與末端執(zhí)行器的耦合度，從而形成有效的抓取系統(tǒng)。

3 食品機器人末端執(zhí)行器研究進展

3.1 吸附類末端執(zhí)行器

吸附類末端執(zhí)行器最常見的是真空吸盤。食品機器人在抓取食品時真空吸盤與食品表面接觸，利用真空在食品兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，從而穩(wěn)定地抓取食品，且對食品的損傷較小[13]?；诓煌瑥椥圆牧系恼婵瘴P已形成標準，其控制方法簡單，在食品行業(yè)中廣泛使用。

吸盤系統(tǒng)的突出優(yōu)點是可以方便地與抓取機械兼容，形成吸盤復合型末端執(zhí)行器，從而有效減少損傷。在設計蔬果采摘機器人時，許多研究者使用了配有真空吸盤的爪型末端執(zhí)行器抓取蔬果。LING等[14]開發(fā)的一款番茄采摘機器人末端執(zhí)行器如圖1(a)所示，在夾爪的掌心位置設有1個真空吸盤用于吸附果實；其4根手指均由腱繩驅(qū)動，用于穩(wěn)定抓取和限制側(cè)滑。該復合型末端執(zhí)行器具備抓取不同形狀果實的功能，但4根手指為剛性材料制成，雖然手指與食品接觸部分裝有彈性材料和壓力傳感器，但仍避免不了對食品表面的損傷。劍橋咨詢公司(Cambridge Consultants)研發(fā)的新型末端執(zhí)行器如圖1(b)所示，將剛性爪指換成真空吸盤，通過聯(lián)合氣動控制，以適應各類水果的形狀和紋理，并配合視覺系統(tǒng)，區(qū)分并選擇性地挑選不同品種、形狀、大小和顏色的水果，在不破壞水果的情況下實現(xiàn)抓取[15]。

圖1 吸盤復合型末端執(zhí)行器

吸盤式食品機器人末端執(zhí)行器需要注意清潔衛(wèi)生問題。真空吸盤工作時，其內(nèi)表面與食品接觸，在抓取食品的同時，也會將食品表面的油、水以及殘渣等吸入真空系統(tǒng)，由于吸盤、管壁等難以清理，易導致細菌滋生。針對此不足，基于伯努利原理的新型吸附式末端執(zhí)行器被研究開發(fā)出來，并在食品行業(yè)得到應用[16]。

伯努利效應表明流體速度加快時，物體與流體接觸的界面上的壓力會減小，反之壓力會增大。因此，伯努利原理可以應用于物體提升。如圖2(a)所示，壓縮空氣(A)從伯努利吸盤中通過時，由于物體的阻擋，空氣在物體的上表面橫向流動(B)，從而使物體上方的氣壓降低。伯努利吸盤與物體接近，相同體積的空氣從伯努利吸盤中流出，空氣的流速加快，物體上下表面壓差增大，提升力FL增大。最終，提升力FL克服物體重力和氣流沖擊力，實現(xiàn)抓取功能[17-20]。

圖2 各種伯努利吸盤

伯努利吸盤為非接觸式吸盤，其空氣系統(tǒng)經(jīng)過嚴格的過濾，能夠有效地避免普通真空吸盤易污染、難清理的缺陷，但伯努利吸盤對物體的提升力小，更適合切片狀食物的抓取[17]。德國機器人自動化供應商Br?hmig公司利用AVENTICS公司生產(chǎn)的伯努利吸盤抓取2D脆性餅干，該款吸盤提升力為2.0 N，如圖2(b)所示[18]。在三明治加工中，對黃瓜和西紅柿切片的抓取與擺放有一定的要求，人工參與生產(chǎn)勞動成本高，衛(wèi)生不能保障，DAVIS等[19]基于伯努利原理開發(fā)出衛(wèi)生的非接觸式吸盤，滿足了生產(chǎn)線要求，如圖2(c)所示。PETTERSON等[20]對傳統(tǒng)的伯努利吸盤的結(jié)構(gòu)進行改進，將伯努利吸盤微元化，微元吸盤陣列排列，以相互平行的兩塊支撐板上的孔為導向，可獨立地沿垂直軸線移動且不受限制。整體吸盤的吸附表面可適應3D蔬果的形狀，實現(xiàn)抓取功能，如圖2(d)所示。然而，用于3D食品抓取的伯努利吸盤結(jié)構(gòu)復雜，成本高，目前仍未在生產(chǎn)線上得到推廣。

3.2 夾持類末端執(zhí)行器

夾持類末端執(zhí)行器是機器人末端執(zhí)行器中非常重要的一類，本文簡稱為抓手。抓手是一種接觸式夾持機構(gòu)，在實現(xiàn)抓取功能時，在夾持機構(gòu)的爪指和物體之間會產(chǎn)生夾持力，物體在靜摩擦力的作用下被提升。抓手種類很多，可以是滿足特定任務的專用夾持器，也可以是多用途的多指抓手。專用夾持器通常針對特定形狀、材質(zhì)的抓取對象，結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、負載能力強、可靠性高。多指抓手的自適應能力強，但往往結(jié)構(gòu)復雜、控制困難、負載能力差、可靠性低。因此，在食品行業(yè)中，針對不同食品材質(zhì)選擇合適的末端執(zhí)行器至關(guān)重要，需要綜合考慮抓手張開范圍(從張開到閉合的距離)、最大抓取力、運動類型、驅(qū)動方式(氣動、電機驅(qū)動、磁力驅(qū)動等)、手爪或手指的形狀以及抓取方式(外部抓取或內(nèi)部抓取)等[21]。

為簡便起見，本文僅根據(jù)爪指材料將抓手分為采用硬質(zhì)材料的抓手和基于軟體材料的抓手兩大類進行闡述。

3.2.1基于硬質(zhì)材料的抓手

采用硬質(zhì)材料的抓手結(jié)構(gòu)和爪指數(shù)量與被夾持物體的形狀、材質(zhì)、質(zhì)量有關(guān)。通常情況下，爪指的構(gòu)型與物體的輪廓基本一致，爪指數(shù)量越多夾持越牢固，但機構(gòu)及控制的復雜性增加。因此對形狀較為規(guī)則，尺寸和質(zhì)量一般不太大的抓取對象，通常采取較少的爪指抓持。對損傷要求較高的應用場合，抓手的柔順性尤為重要。即使是采用硬質(zhì)材料的抓手，為避免或減小食品損傷，也往往通過在爪指上貼覆彈性材料以增強對不同物體表面的適應能力，或者在爪指關(guān)節(jié)增加柔性以緩解抓取時的硬性接觸[22]。

圖3(a)為Lacquey公司[23]開發(fā)的一種抓取卷芯菜的剛性抓手，由電機驅(qū)動，可以方便地引入力、加速度和位置等傳感器，構(gòu)成閉環(huán)控制。這類抓手適合大而重的食品，但剛性接觸容易引起敏感性食品損傷。近年來新的仿生機理、新材料、新結(jié)構(gòu)的研究與應用，有力推動了機器人抓手向高柔性、高適應性、高靈敏和高可靠性方向發(fā)展。為了提高機器人抓手的柔順性，國內(nèi)外研究者開始嘗試不用電機而選擇氣壓、人工肌肉和新型功能材料等作為機械抓手的驅(qū)動方式。圖3(b)所示為德國Festo公司采用選擇性激光燒結(jié)工藝制造的仿生機械抓手[24]，該抓手由輕質(zhì)塑料制成，通過氣動方式驅(qū)動，輕柔靈活有如人類的手指，可針對不同物體形狀自動調(diào)節(jié)，快速安全地處理水果、球莖和其他易碎食品。

圖3 硬質(zhì)材料抓手

3.2.2基于軟體材料的抓手

受自然界象鼻、章魚觸角等生物器官運動形式的啟發(fā)，一些研究者另辟蹊徑，提出了“軟體機器人”的概念[25-29]。機器人技術(shù)中常用材料(金屬或硬質(zhì)塑料)的楊氏模量范圍為1×109～1×1012Pa。圖4給出了常見材料的楊氏模量范圍[25]。軟體機器人主要由楊氏模量與軟體生物材料(肌肉、皮膚、軟骨等)相當?shù)牟牧蠘?gòu)成，或者使用楊氏模量小于1GPa的軟體材料。于是基于軟體材料的接觸式軟體抓手應運而生[26]，常用的軟體材料為硅橡膠，其楊氏模量小于1.0MPa。

圖4 工程和生物領(lǐng)域常用材料楊氏模量的近似值[25]

如圖5(a)所示，軟體抓手在彈性體內(nèi)設置氣動通道，并以有限變形層作為手指的一個側(cè)面。外界氣源驅(qū)動時，通道內(nèi)部壓力增加，手指會像氣球一樣膨脹，氣動通道薄壁處迅速膨脹，并沿有限變形層側(cè)向內(nèi)彎曲。外界氣源關(guān)閉后，通道內(nèi)壓力減小，手指恢復到原始位置[27]。對軟體手指進行氣動驅(qū)動，手指腔內(nèi)的氣壓越高，手指彎曲越明顯[28]，如圖5(b)所示。

圖5 軟體材料驅(qū)動原理

根據(jù)軟體材料的控制機理，美國哈佛大學ILIEVSKI等[29]研制出軟體機器人抓手。如圖6所示，該抓手完全由軟體材料制成，每根手指均由軟硬軟三層材料組成，軟體材料內(nèi)有氣動通道網(wǎng)絡用以驅(qū)動，氣動塑料軟管伸入抓手中心部位，為抓手提供驅(qū)動所需的壓縮氣體；一根線懸于抓手的上方，幫助提升物體。

圖6 軟體抓手抓取雞蛋[29]

為了實現(xiàn)軟體抓手與機器人的集成，研究者提出如圖7(a)所示的剛-軟耦合抓手[30]。手指采用軟體材料澆注而成，內(nèi)部設計有如圖5(a)所示的氣動通道，整體呈現(xiàn)出足夠的柔性，其中手指與被抓物體接觸的部分植入弱彈性材料。軟體手指與剛性元件耦合，剛性元件可安裝在機器人末端。塑料軟管與手指連接，通過外接氣源驅(qū)動手指彎曲。多指軟體抓手可實現(xiàn)各個軟體手指的獨立控制。

由于對壓力的低阻抗，軟體抓手可通過柔順變形的方式與接觸物體相容，從而大幅度降低接觸力，使其在抓取松軟、脆性和形狀復雜的食品方面具有很好的應用潛力。目前，軟體抓手已實現(xiàn)商用化。圖7(b)為德國Fraunhofer IVV研究所[30-31]研發(fā)的軟體抓手，采用單氣動通道。為提高抓取力的穩(wěn)定性，北京軟體機器人科技有限公司[32]研發(fā)的軟體抓手采用雙氣動通道結(jié)構(gòu)。為增大抓取物體時與物體之間的摩擦力，手指與食品接觸部分設置有多個波浪形凸起[33](如圖7(c)所示)。此外，英國的Soft Robotics公司[34]和瑞士自動化科技集團ABB[35]等也開發(fā)出類似的多指軟體抓手。上述軟體抓手均采用完全封閉的設計，抓手抓取食品的部分與內(nèi)部工作部分安全分離；抓手清理簡單，手指表面沒有空洞和縫隙存在，避免了殘余聚集，且無需卸載手指進行清理和防污處理。

圖7 剛-軟耦合抓手

目前國內(nèi)有多所高校開展了軟體抓手的研究工作：北京航空航天大學的王田苗團隊研制了一種氣動軟體驅(qū)動器并制作了一種有很強適應性的軟體抓手[36]；南京理工大學的李小寧團隊研制了一款三觸手柔性手爪[37]；浙江工業(yè)大學的楊慶華團隊設計了多款氣動機器人多指靈巧手[38-39]。基于軟體抓手的優(yōu)點，研究者正嘗試除氣動驅(qū)動外的其他驅(qū)動方式。圖8所示為一種欠驅(qū)動自適應軟體抓手[40]。如圖8(a)所示，利用欠驅(qū)動機制，在軟體手指中植入線纜，利用線纜回路系統(tǒng)，在減少控制參數(shù)的形式下驅(qū)動、控制軟體手指彎曲。在圖8(b)中，將欠驅(qū)動軟體抓手安裝于機器人末端，采用一個同步驅(qū)動源驅(qū)動手指關(guān)節(jié)。抓手的抓取速度和抓持能力穩(wěn)定，可抓取不同形狀、尺寸和材料的目標物體。

圖8 基于欠驅(qū)動機制的機器人軟體抓手[40]

此外，有研究者采用形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動軟體抓手[41]。對SMA施加電流，SMA會產(chǎn)生彎曲；撤銷電流，SMA恢復成原來的形狀。還有研究者將SMA線制成SMA彈簧，并植入硅橡膠中，制成軟體手指，手指與剛性手掌耦合形成多指抓手[42]。所設計的軟體抓手能實現(xiàn)多種類型物體的抓取，并且隨著SMA上施加電流的增大，軟體抓手上的抓取力也不斷增大，從而能夠有效地控制抓取力。

介電高彈性體(DE)(如聚丙烯酸類材料)是一種典型的電致變形智能軟體材料(電子型)。如圖9(a)所示，在介電高彈性體薄膜的兩側(cè)覆蓋柔性電極，并施加驅(qū)動電壓時，介電高彈性體薄膜在電場力的作用下產(chǎn)生變形，導致厚度減小，面積擴張[43]。介電高彈性體具有彈性模量低、質(zhì)輕、能量密度大、響應速度快等優(yōu)點[44]。SHINTAKE等[45]采用介電高彈性體制備出智能軟體抓手，通過簡單的輸入控制，實現(xiàn)了雞蛋、草莓等食品的抓取，如圖9(b)所示。這種結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小(約1.5g)、動作迅速(手指閉合時間約100ms)以及靈活性高的智能軟體抓手在食品行業(yè)有著廣泛的應用前景。

圖9 基于智能軟體材料的抓手[45]

3.3 其他類型的食品機器人末端執(zhí)行器

食品生產(chǎn)線中，魚、肉類食品的處理是必要的。魚、肉類產(chǎn)品屬于柔軟、有彈性且尺寸不固定的產(chǎn)品，容易產(chǎn)生油漬，且對損傷要求不高。最簡易的方法如圖10(a)所示，采用不銹鋼夾爪直接夾持此類食品[46]。

針刺式末端執(zhí)行器適用于許多處理食品的場合，尤其是柔軟的食品。如圖10(b)所示，這類末端執(zhí)行器依靠一系列針刺進食品表面或內(nèi)部，抓取牢靠；針和食品機械互鎖，精確定位，在有限的空間里可以輕易地抓取和傳送[46]。但是，針刺入食品會在物體表面留有孔洞，這些細孔會降低食品的外觀質(zhì)量，在絕大多數(shù)場合是無法接受的。此外，從針上引入的細菌和其他污染，難以清理。

凍結(jié)式末端執(zhí)行器以制冷元件(Peltier元件)為核心，在末端執(zhí)行器的表面產(chǎn)生低溫。制冷元件為半導體器件，當電流通過時產(chǎn)生熱流；改變電流的方向，熱流方向隨之改變，制冷元件由加熱狀態(tài)改為降溫狀態(tài)。基于這種特性的凍結(jié)式末端執(zhí)行器非常有效。電流以一個方向通過制冷元件，實現(xiàn)凍結(jié)抓??；逆向的電流可以使抓取的冰融化[47]。圖10(c)為凍結(jié)式末端執(zhí)行器的示意圖。凍結(jié)式末端執(zhí)行器需要一個內(nèi)部流體腔充當制冷元件的溫度參考，流體以冷水為最佳。末端執(zhí)行器工作時，冷水需要連續(xù)、循環(huán)通過其內(nèi)部，帶走制冷元件一側(cè)的熱量。凍結(jié)式末端執(zhí)行器適用于冷凍食品的抓取，清潔可靠，沒有機械接觸部分。

圖10 其他專用末端執(zhí)行器

4 食品機器人末端執(zhí)行器存在的問題與挑戰(zhàn)

目前，市場上已有多種類型的機器人末端執(zhí)行器在食品自動化生產(chǎn)中得到成功應用。然而受食品形狀、質(zhì)量、表面特性、干燥度、黏性和硬度等多種因素的影響，機器人末端執(zhí)行器在食品自動化生產(chǎn)中仍面臨挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：

1)柔順性。

對于各種柔、脆、不規(guī)則形狀食品的靈巧、柔順抓取，一直是食品機器人末端執(zhí)行器的設計難點。為減少食品損傷，一方面要求末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)有良好的適應性，另一方面要求食品的抓取過程有很好的柔順性。

2)清潔衛(wèi)生性。

雖然食品機器人末端執(zhí)行器絕大部分由非食品末端執(zhí)行器演化而來，但并不是所有的都適合食品這一類敏感性產(chǎn)品。一方面要求末端執(zhí)行器材料本身要符合食品安全要求，另一方面在結(jié)構(gòu)上還要便于保潔清洗，防止二次污染。

3)抓取速度與可靠性。

末端執(zhí)行器的抓取速度與其結(jié)構(gòu)特性、抓取策略、驅(qū)動方式、控制系統(tǒng)以及食品特性等因素有關(guān)。對于大批量生產(chǎn)的食品行業(yè)，生產(chǎn)效率是一個十分重要的性能指標。末端執(zhí)行器的工作效率和可靠性是制約食品機器人未來發(fā)展和推廣應用的一個重要因素。

4)通用性。

由于食品的形狀、材質(zhì)、質(zhì)量、特性等千差萬別，食品行業(yè)使用的機器人末端執(zhí)行器基本都是專用的，造成設備的通用性差，提高了使用成本。食品機器人末端執(zhí)行器的通用性與系統(tǒng)成本、使用成本之間的矛盾是影響其實用性的難題之一。

對于現(xiàn)有的多種類型的食品機器人末端執(zhí)行器而言，基于硬質(zhì)材料的機械抓手往往柔順性不足，缺乏力覺、滑覺等信息的感知能力，受抓取力的限制，夾持抓取會使食品損傷，但其在抓取質(zhì)量較重的食品時有一定的優(yōu)勢；真空吸盤式末端執(zhí)行器易將液體或雜物吸入系統(tǒng)，存在潛在的污染；其他一些末端執(zhí)行器專用性比較強，如伯努利吸盤適合輕而薄的片狀食品，凍結(jié)式末端執(zhí)行器適合冷凍食品。

軟體抓手在食品處理中具有很高的靈活性和柔順性，可以適應物體的輪廓，并且由于抓取力均勻分布而避免食品損傷，但在抓取質(zhì)量較大或薄片狀食品時受到限制，抓取速度慢也使之無法適應現(xiàn)代化的大批量、高效率的食品生產(chǎn)要求。目前，各種形式和驅(qū)動方式的軟體抓手絕大部分尚處于實驗室研究階段。

5 結(jié)束語

食品機器人在食品自動化、智能化生產(chǎn)過程中舉足輕重，是有效提高生產(chǎn)率、排除人為風險和污染等因素的重要保障。目前，食品機器人末端執(zhí)行器在柔順性與防損傷、抓取效率與可靠性、通用性與實用性等方面仍存在欠缺與不足，成為食品機器人推廣應用的制約與障礙。隨著科技的發(fā)展和智能化程度的不斷提高，對食品機器人末端執(zhí)行器的要求也越來越高，必須從創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和材料設計，優(yōu)化驅(qū)動控制，提高柔順性、抓取效率、可靠性、通用性和智能性等方面開展進一步研究。

軟體抓手將成為食品機器人末端執(zhí)行器的主流，在抓持松軟、脆性和形狀復雜的食品時具有不可替代的優(yōu)勢，且易于清理，滿足衛(wèi)生要求，并可利用注模技術(shù)實現(xiàn)低成本制造。對其更多的研究將從驅(qū)動方式、控制抓取力和衛(wèi)生方面入手，以擴大這類抓手的應用范圍。對于蔬果切片類食品或模內(nèi)食品的抓取，非接觸式的伯努利吸盤仍然占據(jù)一定的優(yōu)勢，只是需要重點解決這類吸盤帶來的脫水問題，另外降低壓縮空氣對食品的沖擊破壞也是研究的重點；大而重的食品抓取還需要剛性材料的支持，同時通過軟體材料的輔助避免食品的表面損傷。其他類型的末端執(zhí)行器將在特定的食品行業(yè)發(fā)揮其優(yōu)勢。

可以預期，未來食品機器人末端執(zhí)行器的柔順性會越來越好，能夠自適應各種食品的輪廓，實現(xiàn)食品的無損、穩(wěn)定抓?。荒┒藞?zhí)行器的智能化程度會越來越高，通過裝載多種傳感器，實現(xiàn)多傳感信息融合和抓取過程智能控制，能夠根據(jù)食品的大小、形狀和質(zhì)地，靈敏快速地調(diào)節(jié)位姿與抓持力，實現(xiàn)高效、可靠的抓??；末端執(zhí)行器的通用性和靈活性會越來越強，無需更換或只需很少的調(diào)整就可以抓取不同類型的食品；末端執(zhí)行器的系統(tǒng)愈加簡單,制作成本低,可控性好,易于操作、清理和維護，可以實現(xiàn)敏感性食品的無損抓取。

參考文獻：

[1] GRAY J，DAVIS S T，CALDWELL D G. Robotics in the food industry: an introduction[J]. Robotics & Automation in the Food Industry，2013，10(3): 21-35.

[2] 肖艷. 機器人在包裝自動化領(lǐng)域發(fā)展勢頭強勁[J]. 中國包裝工業(yè)，2014(13): 16-22.

[3] GRUNERT K G. Food quality and safety: consumer perception and demand[J]. European Review of Agricultural Economics，2005，32(3): 369-391.

[4] FANTONI G，SANTOCHI M，DINI G，et al. Grasping devices and methods in automated production processes[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology，2014，63(2): 679-701.

[5] TAI K，EL-SAYED A R，SHAHRIARI M，et al. State of the art robotic grippers and applications[J]. Robotics，2016，5(2):1-20.

[6] FRIEDRICH W，LIM P，NICHOLL H. Sensory gripping system for variable products[J]. IEEE International Conference on Robotics & Automation，2000，2(2): 1982-1987.

[7] 施建平. 食品裝備業(yè)也面臨轉(zhuǎn)型升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整——訪中國食品和包裝機械工業(yè)協(xié)會理事長楚玉峰[N]. 中國食品報，2016-12-05(7).

[8] 岳藝.食品包裝機械的自動化控制[J].輕工科技，2016(1):77-78.

[9] 王悅芳，蘇鐵熊. 我國食品機械發(fā)展與食品安全問題關(guān)聯(lián)性探討[J]. 食品研究與開發(fā)，2017，38(1): 215-218.

[10] SAM R，NEFTI S. Design and feasibility tests of flexible gripper for handling variable shape of food products[C]//Proc 9th WSEAS International Conference on Signal Processing，Robotics and Automation，October 10-13，2010，Istanbul, Turkey. Cambridge: WSEAS，2010: 329-335.

[12] BLANES C，MELLADO M，ORTIZ C，et al. Technologies for robot grippers in pick and place operations for fresh fruits and vegetables[J]. Spanish Journal of Agricultural Research，2011，9(4): 1130-1141.

[13] 范孝良，劉一操. 基于真空吸盤的飲水桶自動套袋設備結(jié)構(gòu)設計[J]. 包裝工程，2014，35(19): 77-81.

[14] LING P P，EHSANI R，TING K C，et al. Sensing and end-effector for a robotic tomato harvester[C]// ASAE/CSAE Annual International Conference. New York: ASAE，2004: 1-12.

[15] MARSHALL K. Cambridge consultants develops breakthrough robot[EB/OL].(2015-10-28) [2017-06-20]. http://precision.agwired.com/2015/10/28/cambridge-consultants-develops-breakthrough-robot.

[16] SAM R，BUNIYAMIN N. A Bernoulli principle based flexible handling device for automation of food manufacturing processes[C]//2012 International Conference on Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS)，December 26-29，2012，Ho Chi Minh City, Vietnam. Piscataway: IEEE，2012: 214-219.

[17] LI X，LI N，TAO G L，et al. Experimental comparison of Bernoulli gripper and vortex gripper[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2015，16(10): 2081-2090.

[18] HEIDE A V D. Careful grippers[J]. Baking+Biscuit International，2011(5): 34-37.

[19] DAVIS S，GRAY J O，CALDWELL D G. An end effector based on the Bernoulli principle for handling sliced fruit and vegetables[J]. Robotics & Computer Integrated Manufacturing，2008，24(2): 249-257.

[20] PETTERSON A，OHISSON T，CALDWELL D G，et al. A Bernoulli principle gripper for handling of planar and 3D (food) products[J]. Industrial Robot，2010，37(6): 518-526.

[21] 李建偉，陳艷艷. 蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器的原理及試驗研究[J]. 農(nóng)機化研究，2017，39(9):139-142.

[22] 姬偉，羅大偉，李俊樂，等. 果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器的柔順抓取力控制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(9)：19-26.

[23] LACQUEY B V. Grippers & handling in food industry[EB/OL].(2011-04-13)[2017-06-23]. http://www2.fhi.nl/labautomation/archief/2011/images/richard_van_der_linde-lacquey.pdf.

[24] GRZESIAK A，BECKER R，VERL A. The bionic handling assistant: a success story of additive manufacturing[J]. Assembly Automation，2011，31(4): 329-333.

[25] RUS D，TOLLEY M T. Design, fabrication and control of soft robots[J]. Nature，2015，521: 467-475.

[26] SHEPHERD R. F，STOKES A A，RUI M D N，et al. Soft machines that are resistant to puncture and that self-seal[J]. Advanced Materials，2013，25(46): 6709-6713.

[27] MARCHESE A D，KATZSCHMANN R K，RUS D. A recipe for soft fluidic elastomer robots[J]. Soft Robot，2015，2(1): 7-25.

[28] UDUPA G，SREEDHARAN P，DINESH P S，et al. Asymmetric bellow flexible pneumatic actuator for miniature robotic soft gripper[J]. Journal of Robotics，2014，2014: 1-11.

[29] ILIEVSKI F，MAZZEO A D，SHEPHERD R F，et al. Soft robotics for chemists[J]. Angewandte Chemie，2011，50(8): 1930-1935.

[30] WEYRAUCH T. Development of novel elastomer grippers for a flexible and hygienic handling of unpackaged food[R/OL]. (2013-10-10)[2017-06-22]. https://www.ifoodconference.com.

[31] WEYRAUCH T. Hygienic elastomer gripper for handling sensitive products by robot[EB/OL].(2013-04-22)[2017-06-25]. https://www.ivv.fraunhofer.de/content/dam/ivv/en/documents/services/2013_04_22%20-%20HDG_en.pdf.

[32] 高少龍. SRT柔性夾爪[EB/OL].(2017-03-10)[2017-06-26]. http://www.softrobottech.com.

[33] 鮑磊，高少龍，楊佳. 一種軟體四指機器人：201620690257.9[P].2016-11-23.

[34] VAUSE C. The soft robotics system[EB/OL]. [2017-07-19]. http://www.softroboticsinc.com.

[35] SCHIETTECATTE P.Materialise為ABB的雙臂機器人Yumi 3D打印靈巧抓手[EB/OL]. (2015-11-18)[2017-07-20]. http://www.dayinhu.com/news/59754.html.

[36] HAO Y F，WANG T M，WEN L，et al. Universal soft pneumatic robotic gripper with variable effective length[C]// Proceedings of the 35th Chinese Control Conference，July 27-29，2016，Chengdu. Piscataway: IEEE，2016: 6109-6114.

[37] 徐淼鑫，李小寧，郭鐘華. 新型柔性夾持裝置軟體手指的數(shù)學模型研究[J]. 信息技術(shù)，2016，4(5): 99-102.

[38] 王志恒，錢少明，楊慶華，等. 氣動機器人多指靈巧手——ZJUT Hand[J]. 機器人，2012，34(2): 223-230.

[39] 錢少明，都明宇，楊慶華.3自由度氣動柔性手指包絡抓持力模型研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(2): 66-72.

[40] MANTI M，HASSAN T，PASSETTI G，et al. An under-actuated and adaptable soft robotic gripper[C]// 4th International Conference，Living Machines，July 28-31, 2015，Barcelona, Spain. London：LNCS，2015: 64-74.

[41] ZHONG Z W，YEONG C K. Development of a gripper using SMA wire[J]. Sensors & Actuators A Physical，2006，126(2): 375-381.

[42] OBAJI M O，ZHANG S. Investigation into the force distribution mechanism of a soft robot gripper modeled for picking complex objects using embedded shape memory alloy actuators[C]//2013 6th IEEE Conference on Robotics, Automation and Mechatronics (RAM)，December 12-15，2013，Manila，Philippines. Piscataway: IEEE，2013: 84-90.

[43] KOFOD G，WIRGES W，PAAJANEN M，et al. Energy minimization for self-organized structure formation and actuation[J]. Applied Physics Letters，2007，90(8): 081916.

[44] 李鐵風，李國瑞，梁藝鳴，等. 軟體機器人結(jié)構(gòu)機理與驅(qū)動材料研究綜述[J]. 力學學報，2016，48(4): 756-766.

[45] SHINTAKE J，ROSSET S，SCHUBERT B，et al. Versatile soft grippers with intrinsic electroadhesion based on multifunctional polymer actuators[J]. Advanced Materials，2016，28(2):231-238.

[46] BULJO J O，GJERSTAD T B，CALDWELL D G. Robotics and automation in seafood processing[J]. Robotics & Automation in the Food Industry，2013，5 (3/4): 354-384.

[47] LIEN T K，GJERSTAD T B. A new reversible thermal flow gripper for non-rigid products[J]. Transactions of the North American Manufacturing Research Institution of SME，2008，36:565-572.