丘陵地區(qū)果園柑橘采摘末端執(zhí)行器的思考*

粟生強 ， 羅 強 ， 王劍英 ， 唐 熙 ， 鄭 涵

（1.重慶三峽學院機械工程學院，重慶 404100；2.智能山地農(nóng)機技術研發(fā)中心，重慶 404100）

0 引言

水果作為我國丘陵山區(qū)優(yōu)勢經(jīng)濟作物，其種植面積很大。柑橘在我國種植歷史悠久，其產(chǎn)量極高，是備受人們喜愛的水果之一。但其在生產(chǎn)收獲過程中基本靠人工采摘，花費的時間約占整個生產(chǎn)作業(yè)的40%，不僅費時費力，而且效率低、果皮損傷等問題也未得到解決[1]。隨著人口老齡化加劇與城鎮(zhèn)化進程不斷推進，農(nóng)村勞動力大量流失，柑橘收獲面臨著成本上升而所用時間卻未縮短的困境[2]。為解決柑橘類水果的收獲問題，許多團隊致力于研究采摘機器人并且成果頗豐，但大部分都處于實驗階段，實用且普遍適應丘陵果園的采摘機器人極度稀缺[3]。

當前采摘機器人不適用于丘陵地區(qū)的原因除了受地形影響外，還因其存在通用性不足及對果皮傷害大等缺點。排除控制算法與識別的因素，末端執(zhí)行器設計存在缺陷是造成此現(xiàn)象的一個重要原因。末端執(zhí)行器是采摘機器人的核心部件之一，其設計的實用性影響著柑橘經(jīng)濟的發(fā)展。為此，課題組對末端執(zhí)行器設計的影響因素及發(fā)展進行了思考，旨在為柑橘收獲方面的研究提供參考思路。

1 末端執(zhí)行器原理及分析

1.1 末端執(zhí)行器的原理

末端執(zhí)行器的設計是為了取代人的手指，將果實與果梗分離且不傷害果皮，從而達到采摘的目的。發(fā)展至今，國內(nèi)外各團隊根據(jù)不同的原理設計了形狀各異的末端執(zhí)行器，綜合當前的文獻及專利資料，廣泛運用的原理有以下兩種：一為模仿人的五指動作而設計的雙指及多指式果實采摘機構，二為模擬生物吞食咬合動作而設計的吸盤式采摘機構。

水果種類繁多，其采摘需求并非全然一致，需要根據(jù)其特性選擇適宜的果梗分離裝置。當前的分離裝置原理主要有以下兩類：一為物理式的剪切，可分為剪刀式及旋轉(zhuǎn)刀片等；二為高溫式的切割，可分為電熱絲切割及激光切割等[4]。

1.2 末端執(zhí)行器的分析

在將人工采摘進行機械化與智能化的領域中，各研究團隊經(jīng)過思考設計出了各類采摘機器人，這些機器人擁有自己的針對目標，大多數(shù)在實驗過程中基本達到了設計要求。其中，末端執(zhí)行器作為與果實直接接觸的機構受到了極大重視，其設計原理主要來源于生物吞食的模擬與人的五指運動。

模擬生物吞食如吸盤式等原理的設計經(jīng)過不斷改良完善及創(chuàng)新，有了極大的進步與提升。東南大學的盧偉等設計了一款以吸盤吸附果實并用旋轉(zhuǎn)刀片鋸斷果柄的末端執(zhí)行器[5]，在趕果環(huán)將果柄趕至旋轉(zhuǎn)刀片并鋸斷后，果實受自身重力影響下落，經(jīng)收集囊到達果籃。此設計切割果梗的效率高，減去了末端執(zhí)行器帶著果實回果籃的步驟從而節(jié)省了移動時間。重慶大學的王毅等在仿生學理念上[6]，結(jié)合蛇吞咽與上顎結(jié)構設計了先吸入果實再將果柄咬斷的柑橘采摘末端執(zhí)行器。此外，中國農(nóng)業(yè)大學的徐麗明等及日本的九保田株式會社等團隊也在吸盤原理上進行了研究與設計[2,7]。分析此類型的設計，可發(fā)現(xiàn)其在自然果園采摘中會面臨以下問題：第一，果實在收集囊或果籃中會不可避免地發(fā)生滾動摩擦及碰撞而對果皮造成損傷，這影響了果實的存儲時間；第二，吸附果實時會將近處的果葉一并吸入氣管通道，這會造成堵塞或吸附力不足，降低采摘效率。

以人的五指運動原理為基礎的設計在果實采摘及物品抓取領域中運用最為廣泛，其發(fā)展快且種類繁多，影響深遠。在采摘研究中，北華航天工業(yè)學院的韓書葵等研發(fā)了帶有自定心特點的三指式結(jié)構末端執(zhí)行器[8]，其在到達果實附近特定位置后，三指閉合抓住果實且剪刀機構剪切果柄，此設計可以由一個傳動系統(tǒng)完成果實抓取和果柄剪斷，且其自定心的結(jié)構可使不同大小果實始終處于中心位置從而方便分離果梗。意大利卡塔尼亞大學的G.Muscato與美國佛羅里達大學的Michael W.Harman等研究團隊對此類型末端執(zhí)行器也進行了深入研究。國內(nèi)外研究者的不斷改進與鉆研是仿五指果實采摘機構進步的主要因素，但分析采摘情況可知，此類設計需要以特定的方式抓取果實才能使剪刀機構方便快捷地找到果梗，在果葉茂密且果實堆積的情況下，采摘會受到極大的影響。

2 末端執(zhí)行器的影響因素探究

水果采摘作業(yè)需要在特定的季節(jié)與特定的時間段內(nèi)進行，以保證水果能擁有最佳的口感與品質(zhì)，這使采摘末端的設計成為關鍵。雖然各團隊致力于研究并設計了各具特色的采摘末端，但當前丘陵地區(qū)的柑橘采摘并未實現(xiàn)機械化，普遍適用的采摘末端也未出現(xiàn)在柑橘果園。為提高柑橘采摘的機械化水平，同時做到柑橘采摘的無損傷與高效率，課題組通過調(diào)研分析與思考有了以下發(fā)現(xiàn)：第一，丘陵地形決定果園只能使用小型機械設備，且限制了采摘機器人的靈活移動；第二，陽光強弱與位置及果實果葉相互遮蓋等情況影響了機器視覺的判斷和末端的抓取動作[9]；第三，末端執(zhí)行器自身設計包括形狀大小、抓取及剪切方式存在缺陷。

2.1 外在因素

2.1.1 丘陵地形

末端執(zhí)行器在一位置的采摘完成后需及時換位，而丘陵果園地面凹凸起伏不定且道路窄而坡度大，采摘機器人在其中的移動缺乏靈活性，移動的不便利增加了換位時間，且整個采摘過程需換位次數(shù)極多，這使柑橘采摘耗時增加。

2.1.2 陽光

在尋求德福的同一性方面，佛教最獨特的貢獻在于:通過善惡業(yè)報規(guī)律來保證二者的完全一致。此規(guī)律的客觀效力在于使善業(yè)與樂報、惡業(yè)與苦報達到完全一致，由此德福同一性的圓滿實現(xiàn)不以有情眾生的今生今世為限度，而以此規(guī)律將自身的必然性力量完全釋放為終極前提;而且善惡業(yè)報規(guī)律包含著嚴格的獎懲效力，有情眾生若行善便可以進入善道，繼而超出六道輪回而升入極樂世界，成菩薩成佛，若作惡就墮入惡道，成鬼成畜生，遭受各種苦痛折磨。所以，佛教以善惡業(yè)報規(guī)律、超人生超人身的“主體”、輪回流轉(zhuǎn)的獎懲機制為理論核心，開創(chuàng)性地思考、解釋并從學理上解決了德福的同一性難題。

末端執(zhí)行器在抓取柑橘的過程中需要有精確的定位，這依賴于機器視覺系統(tǒng)的精準識別與判斷。自然環(huán)境下的陽光與大棚里的光線極為不同，其強弱及照射位置隨時間變化，而機器視覺的識別與判斷會受陽光的影響，這給末端定位帶來了困擾。

2.1.3 柑橘生長姿態(tài)

末端執(zhí)行器采摘時將面對柑橘的以下生長情況：一為堆積現(xiàn)象，即兩個及以上數(shù)量的柑橘靠近生長；二為葉遮果，即果葉將果實大部分或全部遮蓋；三為內(nèi)部生長，即柑橘的位置處于果樹的中上部且受枝與葉的遮擋。此外，柑橘果皮的厚薄程度及果實大小不同，對拉拽力的承受范圍也不同。果梗并非個個垂直存在，而需要對柑橘進行一定力度的拉拽以便于剪切，然而柑橘果皮與果梗生長緊密，不可通過拉拽分離二者，唯有以切割果梗的相似方式采摘。

2.2 內(nèi)在因素

末端執(zhí)行器代替人工采摘柑橘要做到的一個重要標準是柑橘無損傷且采摘效率高。因此，要使設計達到要求應在創(chuàng)新與完善中做好以下三點。

2.2.1 抓取結(jié)構外形

柑橘數(shù)量多而大小不一，其形狀雖似橢圓但不規(guī)則，故此末端的抓取結(jié)構設計無論是使用手爪式還是吸盤式，都應趨近柑橘的外形，使其在抓取過程中能夠運用適中的力度快速握牢不同大小的柑橘，且不產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，減輕摩擦造成的果皮損傷。

2.2.2 整體尺寸及力反饋

末端抓取的范圍應包含果園中不同品種的柑橘，且末端整體尺寸不能過大，力反饋傳感器安放位置和數(shù)量應合理，使末端的設計能夠達到小巧靈活地穿梭于柑橘樹枝中、力反應快速而握力適中的目的。

柑橘的采摘方式與蘋果不同，在抓取到柑橘果實的同時需將果梗分離才能將柑橘完整地從樹上摘下。因此，抓取機構與剪切機構的相互配合必不可少。如何將抓取與剪切兩大功能完美地融合，在不影響末端靈活性的情況下，達到果實摘取迅速且適用于不同大小柑橘的目的，這是設計過程中亟待解決的問題。

3 問題解決的思路

增加保鮮時長及降低現(xiàn)有成本是使用末端執(zhí)行器機械化采摘柑橘的根本目的，而高效率與無損傷則是直接目的。當前柑橘采摘末端執(zhí)行器的研究正處在瓶頸期，從研究階段到丘陵柑橘果園的通用階段還有很長的距離。根據(jù)末端設計的相關影響因素，課題組提出了以下幾點解決思路。

3.1 拆裝便攜

丘陵山地坡度大而起伏不定，溝坎相連且道路狹窄，機械設備難行，柑橘果園處于此種環(huán)境中要實現(xiàn)末端機械化采摘，就要求整個采摘機器人具備搬運便捷性[10]。根據(jù)此情況可將采摘機器人設計為由一定數(shù)量的部件組成，經(jīng)兩人合力就能搬運，且各部件拆卸與組裝步驟簡單易上手的設備。拆裝便攜特點的設計是解決丘陵山地地形問題的一個思路。

3.2 優(yōu)化算法及科學剪枝落果

末端的精準定位依賴于算法及識別，為減弱光照的影響，應優(yōu)化算法、合理設計相機的安裝位置。同時，在柑橘樹未掛果時，以科學的方法修剪掉枝丫使果樹呈現(xiàn)一定形狀及疏密度，配合機械手臂及末端的運動；在柑橘生長期間將茂密扎堆的果實摘去一部分，一方面保障營養(yǎng)而提高柑橘品質(zhì)，另一方面可為識別與摘取提供便利。

3.3 合理選用材料及構件的配合

末端的自身設計是采摘的關鍵，作為與果實直接接觸的抓取機構，末端執(zhí)行器應使用具有一定彈性的柔性材料，其余構件在達到要求的情況下應盡量使用輕型材料。除材料的選用以外，各構件的組裝配合應合理且緊湊，重點在于抓取剪切及力反饋的配合研究。

4 展望

各類柑橘采摘末端執(zhí)行器在解決問題中不斷被改進，外形與運動狀態(tài)各異但目的相同，末端的發(fā)展方向不一但最終的功能與所具特點相似，課題組在此處闡明對末端的未來展望。

1）合理配合使用柔性材料與剛性材料[11]。在與果皮直接接觸的部分，應使用具有一定彈性的柔性材料，避免因零件配合誤差導致的力反應遲滯而造成果皮損傷；在運動及受力的關鍵部分，應使用具有一定硬度的剛性材料，因磨損及受力不均變形等帶來的問題將得到緩解。整個末端的實用性及使用壽命可得到一定提升。

2）質(zhì)量輕且小巧靈活的外形設計。整體設計的輕巧將極大地提高末端的靈活性，相應地減弱受枝葉阻擋的困擾，可一定程度地提升采摘效率，其實用性也將得到增強。

3）單動力源的便捷使用。要使末端的整體尺寸減小且重量減輕，就應從各零件的結(jié)構與使用來考慮，動力源的使用是其中之一。完成抓取與剪切的動作皆需提供動力，然而兩個及以上數(shù)量的動力源難以解決尺寸與重量的問題，其靈活性與便捷性不足。因此，將抓取與剪切兩個動作相結(jié)合，以單動力源提供動力可為發(fā)展方向之一。

5 總結(jié)

末端執(zhí)行器的研究雖然處于瓶頸期，無損傷及高效率的目標還未完全實現(xiàn)，但在加大研發(fā)力度與不斷改進創(chuàng)新的情況下終將獲得成功。要設計實用性強與具有普遍適應性的末端，應對其影響因素及工作環(huán)境進行深入研究，還要細致探究果皮的彈性范圍、受一定拉拽的損傷范圍以及果梗的切斷應力等。