果蔬采摘柔性手爪的研究

葉俊良，楊岸松，華文博，施浩楠，鄒坤潔

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 江蘇 南京 210031）

0 引言

機(jī)器人的末端執(zhí)行器有時(shí)被稱(chēng)為執(zhí)行器或者機(jī)械手爪，其功能相當(dāng)于人的手，一般安裝在機(jī)械臂的前端執(zhí)行各種作業(yè)。目前機(jī)械手爪在農(nóng)作物，尤其是表面嬌嫩易破損果蔬的種植生產(chǎn)中應(yīng)用不多[1]。在我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，蔬菜和水果的產(chǎn)量越來(lái)越高，勞動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越大，時(shí)效性要求也比較高，果蔬采摘的工作成本也在不斷提高，如果不及時(shí)解決此問(wèn)題，就會(huì)影響我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。果蔬采摘機(jī)器人是農(nóng)業(yè)機(jī)器人中研究較多的一個(gè)分支，還未完全推廣應(yīng)用[2]。

目前，傳統(tǒng)的剛性機(jī)械采摘手爪基本實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于果蔬采摘中。剛性手爪在接觸柔軟的果蔬時(shí)，或多或少會(huì)造成作物的損傷，使果蔬品質(zhì)下降。柔性手爪屬于一種無(wú)損采摘技術(shù)，其通過(guò)與不同果蔬采摘機(jī)器人結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)和無(wú)損化采摘，優(yōu)化果蔬采摘流程[3]。

本文在總結(jié)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械手爪的基礎(chǔ)上，提出一種柔性手爪，以期為農(nóng)業(yè)機(jī)器人，尤其是果蔬的高效收獲提供技術(shù)支持。

1 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)思路

1.1 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)組成

一般用于果蔬采摘的機(jī)械手爪主要由夾持機(jī)構(gòu)、切斷機(jī)構(gòu)、吸引機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)等組成。

夾持機(jī)構(gòu)包括4類(lèi)：（1）手指以支點(diǎn)為中心開(kāi)閉型。（2）手指平行開(kāi)閉型。（3）多指機(jī)械手。（4）形狀記憶合金利用型[4]。切斷機(jī)構(gòu)多采用刀片，可以像超聲波刀具一樣在刀刃上加上振動(dòng)，獲得更大的切斷力。吸引機(jī)構(gòu)的作用是在機(jī)器人在收獲過(guò)小果實(shí)或果實(shí)表面柔軟不能夾持時(shí)，利用吸引力將其吸入末端執(zhí)行器中[5]。吸附機(jī)構(gòu)多以吸盤(pán)為主，它是用真空泵產(chǎn)生的真空吸附對(duì)象[6]。

1.2 機(jī)械手爪設(shè)計(jì)思路

機(jī)械采摘手爪制作時(shí)，首先需要確定一些數(shù)據(jù)，如切斷果蔬穗軸需要多大的力，穗軸切斷后要用多大夾持力才不致滑落等。采摘手爪必須能夠應(yīng)對(duì)生物特有的規(guī)律和差異，要具有處理不規(guī)則的、不定型的柔軟對(duì)象的能力。機(jī)械手爪的夾持力既不能損傷果實(shí)又要保證果實(shí)不掉落，需要在充分了解作業(yè)對(duì)象的切斷特性、形狀、大小和采摘要求的情況下設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器[7]。

2 機(jī)械手爪在果蔬采摘中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 草莓采摘機(jī)器人

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在2004年，已經(jīng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了研究[8]。部分學(xué)者在溫室中，栽培了草莓，并且設(shè)計(jì)了3種采摘機(jī)器人，主要為橋架式、三自由度直角坐標(biāo)式和四自由度龍門(mén)式。在對(duì)這3種采摘機(jī)器人的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其主要是通過(guò)CCD傳感系統(tǒng)，進(jìn)而獲取更加全面的彩色圖像，然后在此基礎(chǔ)上通過(guò)圖像處理，對(duì)目標(biāo)草莓進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。同時(shí)，還要通過(guò)末端的執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)采摘。在對(duì)其中的四自由度龍門(mén)式機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，發(fā)現(xiàn)其不僅能夠解決較窄壟溝收獲草莓的問(wèn)題，還能優(yōu)化采摘的流程。相關(guān)的研究表明，此采摘機(jī)器人，能夠?qū)Σ葺某墒於冗M(jìn)行準(zhǔn)確判斷，并且其手爪抓取的成功率也是非常高的，所以此機(jī)器人在草莓采摘中已經(jīng)得到了有效應(yīng)用。

2.2 茄子采摘機(jī)器人

早在2006年，我國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的一些學(xué)者就聯(lián)合研發(fā)了機(jī)械手爪，結(jié)合果蔬采摘的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)茄子采摘機(jī)器人的開(kāi)發(fā)[9]。在對(duì)此機(jī)器人的組成部分進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其主要有DMC運(yùn)動(dòng)控制器和PC機(jī)等內(nèi)容。其中關(guān)節(jié)式機(jī)械手在應(yīng)用時(shí)，一般與人體的腰部和腕部相對(duì)應(yīng)，能夠?qū)δ繕?biāo)果實(shí)進(jìn)行有效采摘。如果在直方圖上，應(yīng)用固定雙閾值法，對(duì)采摘流程進(jìn)行分析。我們可以通過(guò)對(duì)圖像的分割，進(jìn)而得到果實(shí)目標(biāo)，然后建立二值圖像，在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行邊緣提取。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該采摘機(jī)器人的抓取成功率比較高，大約為89%[10]。

2.3 番茄采摘機(jī)器人

新時(shí)期，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)以前機(jī)械手爪的完善和創(chuàng)新，不斷提高果蔬采摘的效率，大部分學(xué)者在原有的機(jī)械采摘基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)五自由度關(guān)節(jié)式的設(shè)計(jì)，研發(fā)了西紅柿的采摘機(jī)器人。在對(duì)其機(jī)器人的功能特點(diǎn)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其絕對(duì)定位精度誤差是比較小的，一般在10 mm之內(nèi)。

此外，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的一些學(xué)者，也對(duì)番茄采摘的機(jī)械進(jìn)行了分析[11]，主要應(yīng)用雙目立體視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅色番茄的準(zhǔn)確定位，然后更好地體現(xiàn)成像原理。在兩幅二維的圖像上，還可以恢復(fù)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維坐標(biāo)的建立。如果目標(biāo)和攝像機(jī)之間的距離在300～400 mm，這時(shí)其深度誤差要控制在3%～4%之間，進(jìn)而避免對(duì)具體的采摘帶來(lái)影響[12]。

2.4 黃瓜采摘機(jī)器人

除了上述采摘軟體機(jī)械手爪方式外，相關(guān)學(xué)者還研制了新的采摘機(jī)器人，主要為六自由度圓柱型的采摘機(jī)器人[13]。這種機(jī)器人本身具有六自由度的機(jī)械臂，并且各關(guān)節(jié)都采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方式。在對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其是在RGB模型的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像進(jìn)行分割的。因此，黃瓜機(jī)械人在采摘中的應(yīng)用，能夠在提高采摘準(zhǔn)確性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)情況的精準(zhǔn)定位，其精度一般為±2.5 mm。

3 機(jī)械手爪存在的問(wèn)題及解決思路

3.1 機(jī)械手爪存在的問(wèn)題

3.1.1 果蔬破損率高、靈敏度低

目前，大部分的機(jī)械手爪在果蔬采摘中采用開(kāi)關(guān)量控制，需要預(yù)先抓取力，不能根據(jù)抓取的實(shí)際情況調(diào)整到合適的抓力，導(dǎo)致增大收獲作業(yè)時(shí)果蔬的破損率。此外，傳統(tǒng)機(jī)械手柔軟度低，易對(duì)果蔬嬌嫩的表面造成破壞，這無(wú)疑會(huì)拉低經(jīng)濟(jì)效益。為擁有足夠大的加持力或切斷力，導(dǎo)致現(xiàn)有的機(jī)械手爪和周邊機(jī)器的重量、尺寸較大，增大了機(jī)械臂和移動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，再進(jìn)一步還會(huì)影響到機(jī)械臂移動(dòng)時(shí)的慣性力和控制方法，造成靈敏度低。

3.1.2 成本高，通用性差

針對(duì)不同的果蔬，往往需要設(shè)計(jì)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。往往一種機(jī)械手爪，只能針對(duì)某一特定的植物進(jìn)行采摘，進(jìn)而完成比較單一的任務(wù)，所以說(shuō)不同采摘機(jī)械手之間并不存在通用性，設(shè)備的利用率也比較低，這會(huì)在一定程度上增加制造和維護(hù)的成本。

3.2 解決思路

3.2.1 加強(qiáng)果蔬物理特性測(cè)試

在采摘手爪設(shè)計(jì)前，需要對(duì)待采摘果蔬的物理特性進(jìn)行綜合分析，為采摘手爪夾持力的設(shè)定提供參考數(shù)據(jù)，以解決因夾持力過(guò)大導(dǎo)致的果蔬破碎率高等問(wèn)題。表1中分類(lèi)列舉了和機(jī)器人設(shè)計(jì)有關(guān)的主要特性，這些特征可以作為影響手爪設(shè)計(jì)的重要因素。另外，以待收獲對(duì)象的相關(guān)特性為基礎(chǔ)，預(yù)先設(shè)定夾持力、切斷力、吸附力等參數(shù)之后進(jìn)行作業(yè)[14]。

表1 果蔬的物理特性

3.2.2 推廣植物工廠栽培

對(duì)以果蔬為對(duì)象的采摘手爪來(lái)說(shuō)，栽培方式是影響其采摘效果的最主要的因素。據(jù)研究，植物工廠可實(shí)現(xiàn)作物的均一化，比如番茄的多層栽培技術(shù)，提高了作物從播種到收獲、包裝完全自動(dòng)化以及收獲裝置通用性的可能性，因此可以加強(qiáng)植物工廠的推廣應(yīng)用，為收獲手爪的高效工作奠定基礎(chǔ)[15]。

4 新型柔性手爪設(shè)計(jì)

為了解決上述問(wèn)題，提高果蔬采摘的效率，需要采取措施加強(qiáng)對(duì)手爪構(gòu)型和材料的深入研究，在此基礎(chǔ)上研制出一款符合實(shí)際收獲的機(jī)型，保證柔性手爪應(yīng)用的有效性和科學(xué)性。

4.1 應(yīng)用柔性材料

由于果蔬易損易碎的物性，傳統(tǒng)機(jī)械手容易對(duì)其造成破壞。而采用柔性材料的手爪表面柔軟，抓取動(dòng)作平滑，在較大的面積上分布應(yīng)力、增加接觸時(shí)間，從而最大程度地降低沖擊力，保護(hù)脆弱物體表面不受損傷；另一方面，柔性的結(jié)構(gòu)具有多自由度和高靈活性的特點(diǎn)，使其擁有更廣泛的應(yīng)用空間。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化仿真

在柔性手爪進(jìn)行設(shè)計(jì)和完善時(shí)，應(yīng)結(jié)合果蔬特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證手爪的合理性。此外，在滿足采摘作業(yè)要求上，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，不斷強(qiáng)化柔性手爪的靈活性和通用性，從而進(jìn)一步降低機(jī)械發(fā)生故障的概率[16]。手爪設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖1。柔性手爪結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

5 柔性機(jī)械手爪的應(yīng)用與展望

5.1 應(yīng)用

本研究設(shè)計(jì)的手爪采用軟體材料制作而成，其具有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、自由度無(wú)限、可根據(jù)水果形狀貼合變形、自適應(yīng)抓取等特點(diǎn)。該采摘手爪的手指是柔性的，即便目標(biāo)果實(shí)周?chē)衅渌麑?shí)和主莖等障礙，也可沿果實(shí)的表面前進(jìn)。又因與果實(shí)的接觸面積較大，夾持力分散，可得到較大摩擦阻力以防止果實(shí)滑脫，可作為蘋(píng)果、番茄、蘑菇等多種農(nóng)作物采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器。以蘑菇為例，蘑菇在菇房床架密集地生長(zhǎng)，該機(jī)械手爪抓取蘑菇傘的表面，對(duì)蘑菇施加力使其脫離菇房床架完成無(wú)損化收獲，此外，還可根據(jù)蘑菇的大小即時(shí)調(diào)節(jié)手指的抓取幅度[17]。蘑菇采摘實(shí)驗(yàn)圖見(jiàn)圖3。

5.2 展望

為了提高手爪使用率，降低成本、提高收益，需要研制只更換末端執(zhí)行器的某些部件就可對(duì)其他農(nóng)作物進(jìn)行作業(yè)的通用型手爪，如果在末端執(zhí)行器上附加一些機(jī)能，收獲時(shí)向果實(shí)發(fā)射聲波可以判斷成熟度，以免收獲未成熟果實(shí)[18]。檢測(cè)功能也會(huì)成為今后末端執(zhí)行器的新功能[19]。在此背景下，相關(guān)學(xué)者應(yīng)用感器融合方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟體機(jī)械手爪的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)[20]。多感知柔性手爪是未來(lái)果蔬采摘的重要研究方向，也是果蔬采摘由自動(dòng)化邁向智能化最重要的技術(shù)之一。

6 結(jié)語(yǔ)

要實(shí)現(xiàn)蔬果的自動(dòng)化采摘，需要加強(qiáng)對(duì)末端執(zhí)行器的研發(fā)。為了使末端執(zhí)行器能夠進(jìn)行柔性作業(yè)，首先需要把握作業(yè)對(duì)象的特點(diǎn)。另外，把握生物生長(zhǎng)狀況也是設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器不可缺少的要素。柔性機(jī)械手爪能減少對(duì)果蔬表面的破壞，可以提高采摘效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)方式的創(chuàng)新，優(yōu)化果蔬抓取的流程，從而進(jìn)一步提高采摘工作的質(zhì)量。本研究設(shè)計(jì)的柔性手爪采用包絡(luò)式設(shè)計(jì)，可抓取多種果蔬，通用性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。