果蔬采摘末端執(zhí)行器的研究分析與發(fā)展趨勢

張躍躍， 周佳良， 胡皓若， 王金鵬

(南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

近十年來，我國水果產(chǎn)量基本呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的狀態(tài)，水果種植區(qū)域越來越規(guī)范化，截至2020年全國水果總產(chǎn)量2.87億t，高居世界首位[1]。我國在水果產(chǎn)業(yè)取得了巨大發(fā)展，但仍然存在著科技含量低、人工成本高、采摘不夠及時等一系列問題[2-3]。由于采摘機器人應(yīng)用場景存在著復(fù)雜性和不確定性，導(dǎo)致與工業(yè)機器人相比研發(fā)難度更大。我國對采摘末端執(zhí)行器的研究尚處于成長期，雖然國外對采摘機器人研究起步比較早，但采摘機器人的研究需要多學(xué)科、多領(lǐng)域共同協(xié)作，致使目前絕大多數(shù)水果采摘機器人未端執(zhí)行器還處于試驗研究階段[4]。因此，研究適用于水果采摘的末端執(zhí)行器以用于提高采摘采效率，降低水果采摘的成本具有重要意義[5]。

1 果蔬采摘末端執(zhí)行器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 果蔬采摘末端執(zhí)行器抓取方式分類

在采摘作業(yè)環(huán)節(jié)中，水果采摘末端執(zhí)行器對果實抓取方式主要有夾持式、吸入式、吸持式[6]。夾持式的采摘末端執(zhí)行器是通過夾持實現(xiàn)對果實的穩(wěn)固，夾持式末端執(zhí)行器有兩指、三指、多指、筒狀等類型，大多數(shù)夾持式為剛性夾持，對表皮較薄易損壞的水果采用柔性夾持，夾持式的通用性比較強，適用于絕大多數(shù)水果。采用吸入式的采摘末端執(zhí)行器是通過吸盤等方式通過真空負(fù)壓原理對果實進行吸取，實現(xiàn)對果實采摘，這種方式適用于果梗與果實接觸力比較小的果實。采用吸持式的采摘末端執(zhí)行器是夾持式與吸入式相結(jié)合，通過吸盤將果實吸住，然后通過夾持進一步穩(wěn)固果實，此方式適用于簇?fù)砩L的果實，避免了對其他果實以及葉片枝條的損傷。

1.1.1 夾持式末端執(zhí)行器

德國Festo公司[7]設(shè)計了兩指蘋果采摘末端執(zhí)行器如圖1所示，由陶瓷球體的薄膜夾片構(gòu)成的兩指，當(dāng)果實被夾住后，通過拉伸或者旋轉(zhuǎn)將果實與果柄分離。2015 年瓦赫林根大學(xué)[8]設(shè)計了一款用于甜椒采摘的末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器采用兩對相對稱的三角形柔性手指對果實進行夾持，使用柔性材料后的手指對甜椒表皮損傷較小。Davidson 等[9]設(shè)計的三指蘋果采摘末端執(zhí)行器如圖 2所示，夾持機構(gòu)內(nèi)側(cè)安裝有橡膠墊，降低對果實的損傷，采用拉動線纜使手指彎曲夾持蘋果，通過旋轉(zhuǎn)將果梗扭斷。Tortga AgTech 公司設(shè)計的草莓采摘機器人，其末端執(zhí)行器是由柔軟的材料制成，可實現(xiàn)對草莓的柔順采摘[10-11]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)陳燕[12]設(shè)計了荔枝末端執(zhí)行器，采用夾剪一體式結(jié)構(gòu)，采用單動力源，減少末端質(zhì)量，夾持手指隨刀片閉合夾持果梗。

高校文書檔案具有真實性，必須是準(zhǔn)確、客觀和真實的，必須與其所記述的各項活動相符合，而不能是虛構(gòu)、偽造和假冒的。文書檔案還具有服務(wù)性，能夠直接為學(xué)校管理服務(wù)，材料來源于管理之中，反過來又服務(wù)于學(xué)?？茖W(xué)管理。

圖1 蘋果采摘末端執(zhí)行器

圖2 蘋果采摘末端執(zhí)行器

城鄉(xiāng)家校共建 破解城鄉(xiāng)教育的二元結(jié)構(gòu)，促進農(nóng)村教育信息化發(fā)展。改變教育管理體制，對城鄉(xiāng)教育進行統(tǒng)籌管理，明確政府職責(zé)，統(tǒng)籌規(guī)劃教育資源，完善學(xué)籍制度，維護農(nóng)民工子女異地接受教育的權(quán)益。增加教育投入，改善農(nóng)村學(xué)校的硬件條件，在政府和社會的共同努力下優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境。利用技術(shù)將城市中的優(yōu)質(zhì)內(nèi)容向教學(xué)點輸送，通過城鄉(xiāng)學(xué)?；ハ噙B接，建立起緊密的合作關(guān)系，以城市重點學(xué)校為中心，向周邊教學(xué)點同步輸送教學(xué)知識，將城市優(yōu)質(zhì)師資引入農(nóng)村。

1.1.2 吸入式末端執(zhí)行器

美國Abundant Robotics 公司[13]研發(fā)設(shè)計蘋果采摘機器人如圖 3所示，該采摘機器人通過真空抽吸系統(tǒng)將果實吸入內(nèi)部，采摘效率比較高[14-15]。日本久保田[16]研究了一款理發(fā)推子形狀的柑橘采摘末端執(zhí)行器如圖 4所示，它通過氣動吸盤吸取柑橘到梳狀罩中，并使理發(fā)推子刀片旋轉(zhuǎn)切斷果梗，該方法可以減小對果實的損傷。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)劉蘇瑤[17]設(shè)計了褐菇采摘機器人，該機構(gòu)在工作時，進、出氣口同時開啟，通過控制單片機STM模塊，對吸盤進行控制，實現(xiàn)對褐菇的采摘。

圖3 蘋果采摘機器人

圖4 柑橘采摘末端執(zhí)行器

由此可見，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展進步和對果蔬采摘問題自動化、智能化需求的增加，果蔬采摘末端執(zhí)行器相較于過去已經(jīng)取得了一定的進步，但目前仍存在諸多問題，如：

王曉楠等[18]設(shè)計的番茄采摘機器人如圖 5所示，通過負(fù)壓吸力將番茄吸入到套筒內(nèi)，然后氣囊將其夾緊，最后套筒在旋轉(zhuǎn)電機帶動下實現(xiàn)果實與果柄分離。Baeten等[19]設(shè)計的蘋果采摘末端執(zhí)行器如圖 6所示，當(dāng)夾持器接近蘋果過程中，蘋果就被吸到夾持器處，通過旋轉(zhuǎn)使果實與果柄分離[20]。Peter P Ling和Reza Ehsani等[21]設(shè)計的西紅柿采摘機器人，真空吸盤將果實吸住，夾持裝置由電機帶動線纜進行夾持。Kanae[22]研制的櫻桃采摘末端執(zhí)行器，采摘時首先通過吸附裝置吸取，果實果柄通過兩只對稱手指加緊對其進行折斷。

(5)存在漏采現(xiàn)象。有些果實受到葉片、枝條遮擋不易被發(fā)現(xiàn)會存在漏采現(xiàn)象，對于成熟的果實，如不及時采摘會造成損失。

圖5 番茄采摘機器人末端執(zhí)行器

圖6 漏斗狀真空蘋果夾持器

1.2 果蔬采摘方式

水果采摘末端執(zhí)行器采摘方式有兩種類型，一類是外加分離裝置采用剪刀、刀片、圓鋸片、激光等，此方式適用于果梗與果實接觸力較大的果實：另一類是通過扭、擰、拉等方式對果實進行采摘，該方式適用于果梗與果實接觸力比較小的果實。

1.2.1 外加分離裝置

江蘇大學(xué)Zhao De-an等[23]研制了蘋果采摘末端執(zhí)行器，通過電機驅(qū)動夾持機構(gòu)穩(wěn)固果實，再通過旋轉(zhuǎn)的刀片對果柄進行切斷。江蘇大學(xué)劉繼展等[24]設(shè)計了番茄采摘機器人如圖 7所示，該機器人剪切方式為通過非接觸式的激光進行剪切，減少植株之間病菌的傳染和果實的水分流失等問題。意大利卡塔尼亞大學(xué)的G.Muscato等[25]開發(fā)的柔性三指夾持柑橘的末端執(zhí)行器如圖 8所示，在視覺的識別定位下柔性三指末端執(zhí)行器靠近并夾住果實，利用圓鋸片對果柄進行剪切[26-27]。2021年秦雪靜[28]設(shè)計柑橘采摘末端執(zhí)行器。該機構(gòu)由負(fù)壓吸盤吸取果實，穩(wěn)固后通過單個氣缸驅(qū)動一對刀片咬合，對果柄進行剪切。

圖7 番茄采摘末端執(zhí)行器

圖8 柑橘軟體采摘末端執(zhí)行器

管道的運行溫度為60 ℃，無保溫層且所處環(huán)境較溫和，查表5得碳鋼外部腐蝕速率為0.05 mm/a，在該腐蝕速率的基礎(chǔ)上，需要進一步考慮管道實際情況，修正腐蝕速率。綜合考慮管道無涂層、無支管、有管托和無界面補償，最終得到腐蝕速率Cr=0.05×1.0×2.0×1.0=0.1 mm/a，進而得到Art=0.03，最后得到

Henry A.M.Williams等[29]研制了一種自動識別的四自由度獼猴桃采摘機器人如圖 9所示，視覺系統(tǒng)安裝在移動小車上，末端執(zhí)行器在抓住果實時，將果實向上抬起一點再通過旋轉(zhuǎn)一定角度，將獼猴桃從果莖結(jié)合處折斷，將果實送入到滑槽中進入到收集裝置[30-32]。Bulanon等[33]設(shè)計的蘋果采摘末端執(zhí)行器，采用電機一驅(qū)動夾持裝置對果柄進行夾持，電機二驅(qū)動夾持器對果柄進行折斷。

葉曉曉還是猶豫不決。倒是攝影家很有經(jīng)驗，他叫來了女助手，讓女助手先脫了，擺出不同的姿勢拍了幾張，葉曉曉的緊張才得以緩解。女助手很自然地走過來，扯下了她身上的浴巾。

1.2.2 自身分離

圖9 獼猴桃采摘采摘末端執(zhí)行器

2 果蔬采摘末端執(zhí)行器的驅(qū)動方式

目前末端執(zhí)行器的動力驅(qū)動方式主要有電機驅(qū)動、氣缸驅(qū)動、混合驅(qū)動等方式。絕大多數(shù)水果采摘末端執(zhí)行器采用電機驅(qū)動，但電機驅(qū)動增加了采摘時間，近年來采用氣缸作為動力源的案例逐漸增加，氣缸驅(qū)動剪切可在一瞬間完成，提高了剪切效率，但氣缸驅(qū)動機構(gòu)運動行程較短，比較有局限性，采用混合驅(qū)動可以彌補以上兩種驅(qū)動方式的不足。

2.1 電機驅(qū)動的末端執(zhí)行器

西北農(nóng)林科技大學(xué)戎毫[34]設(shè)計了獼猴桃采摘末端執(zhí)行器，工作時三個步進電機分別負(fù)責(zé)驅(qū)動絲杠運動帶動V型手指夾持果實，帶動擬人夾指夾住果柄、通過絲杠螺母傳動帶動機架整體向前推進實現(xiàn)果實與果柄分離。重慶郵電大學(xué)魏博等[35]設(shè)計了柑橘采摘末端執(zhí)行器，抓握電機驅(qū)動手指彎曲對果實抓取，接著旋轉(zhuǎn)電機帶動整個手爪旋轉(zhuǎn)將果實擰下來，完成對果實的采摘。李國立[36]在2017年設(shè)計的桶狀末端執(zhí)行器如圖 10所示該桶狀末端執(zhí)行器用于對蘋果采摘，工作時計算機視覺定位使機械臂將采摘末端送入到接果器附近，刀片和攏果器在電機帶動下將果實進一步趕入攏果器中，位置傳感器檢測到果實完全進入攏果器當(dāng)中時機械臂停止運動；接著刀片與攏果器嚙合將果柄剪斷。

圖10 筒狀末端執(zhí)行器

2.2 氣缸驅(qū)動的末端執(zhí)行器

2019年重慶大學(xué)王毅[37]基于仿生學(xué)原理設(shè)計的仿蛇嘴的咬合式末端執(zhí)行器如圖 11所示，通過做實驗得出了最佳采摘姿態(tài)。剪切機構(gòu)使用了對稱的搖桿機構(gòu)，動力裝置采用氣缸，通過兩側(cè)氣缸的擺動實現(xiàn)刀片的咬合，對果柄進行剪切；提高了采摘效率。西北農(nóng)林大學(xué)張曼等[38]設(shè)計了草莓采摘末端執(zhí)行器，采用單氣缸驅(qū)動的方式，剪短果柄的同時夾住連接果實的果柄。

圖11 咬合式末端采摘執(zhí)行器

2.3 混合驅(qū)動的末端執(zhí)行器

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張帆等[39]設(shè)計的溫室黃瓜采摘機器人如圖 12所示，該手爪由軟體材料制成，工作時，雙目相機對果實定位，并引導(dǎo)末端執(zhí)行器運動到黃瓜附近，葉片推擋機構(gòu)將葉片推開，讓果柄外露，紅外傳感器對采摘點再次定位，柔性手指夾持黃瓜，用擺動的氣缸對果實進行剪切。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)徐麗明等[40]設(shè)計了臍橙采摘末端執(zhí)行器如圖 13所示，該末端執(zhí)行器由吸附裝置、夾持、剪切機構(gòu)組成，通過下氣缸為吸盤提供動力吸取果實，夾持機構(gòu)由電機帶動絲杠對果實進行夾持并進一步穩(wěn)固，剪切機構(gòu)動力由上氣缸提供，該末端執(zhí)行器采摘效率較高，但用于果柄較短的果實可能會導(dǎo)致采摘失敗。

圖12 黃瓜采摘機器人末端執(zhí)行器

圖13 臍橙采摘機器人末端執(zhí)行器

綜上所述，目前絕大多數(shù)末端執(zhí)行器還處于試驗階段，存在一定不足，未能真正投入到水果采摘方面。如表 1典型采摘末端執(zhí)行器及其參數(shù)對比，不同末端執(zhí)行器工作原理、驅(qū)動方式不同，致使末端執(zhí)行器在采摘效率方面差別很大，絕大多數(shù)夾持式采摘末端執(zhí)行器采用先夾持后剪切或者扭斷等方式，采摘時間較長，且對于表皮較薄的果實會有一定的損傷，不易儲存。非夾持式采摘末端執(zhí)行器如咬合式、真空泵吸入式等結(jié)構(gòu)，由于少了夾持環(huán)節(jié)提高了單果采摘效率。以電機作為動力源的采摘末端執(zhí)行器相比較于氣缸、真空泵等為動力源在水果采摘方面增加了采摘時間。

3 果蔬采摘末端執(zhí)行器發(fā)展趨勢及展望

1.1.3 吸持式末端執(zhí)行器

(3)采摘損傷大。有些水果皮薄易破，采摘下來的水果表面損傷，會導(dǎo)致果實存放不久，有時也會對葉肉、枝條有一定的損傷。

(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜不夠靈活，機械臂難以承受較重的末端執(zhí)行器，即使可以安裝在機械臂上，由于末端比較重，采摘過程會出現(xiàn)上下晃動，影響采摘效果，對于比較復(fù)雜末端執(zhí)行器，不僅剪切時間長而且制造成本較高，不適用于水果采摘。

(2)作業(yè)環(huán)境影響采摘效果。采摘過程中葉片遮擋水果不易識別，果實簇?fù)碇丿B，果梗較短，不易剪切，并且受天氣影響較大，天氣的變化會影響視覺系統(tǒng)的效果，進而影響剪切。

來自工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報研究所主任/工信部電子一所信息化研究與促進中心主任周劍先生做了“深入推進兩化融合，加快發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟”的報告，他指出，“現(xiàn)在概念非常多，信息化和工業(yè)化融合是歷史長河中研究歷史并軌發(fā)展規(guī)律的概念，和智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不在一個層面，如果一定要說關(guān)系，兩化融合是信息化、工業(yè)化兩個歷史進程的交匯點，是制造強國、網(wǎng)絡(luò)強國的起點。”

那一刻，我估計我是瘋了，要么就是不想活。我刺激他，希望他追上來打我。他雖然腿跛，但我年少，他打我還是沒問題的。他就是打不過，我也不能還手。我若還手，就是反上，要遭全村子人的唾棄。

我們在分析完林毅夫教授的“三歸納”法和我們課上講的關(guān)于資料分析加工的方法之后，我們可以看出，兩者在對事物進行研究的時候都同時采用了“橫向與縱向”的分析方法，說明這兩種研究方法非常重要，無論是在經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域還是在教育學(xué)領(lǐng)域，所以我們在以后的教育研究重要好找掌握這兩種研究方法，并且也要牢記老師在課上指出的注意事項，這樣才能讓這兩種研究方法發(fā)揮更好的作用。

(4)采摘效率低。目前水果采摘末端執(zhí)行器大多不能實現(xiàn)多果同時采摘，一般也不適用于采摘不同種類的水果，在實際采摘時對于采摘機器人來說，單果采摘耗時長，效率低。

由于ASOM和MDOS中都要求記錄儀器巡查情況,本軟件主要以提醒為主,沒有要求更詳細(xì)的記錄,只是記錄了簡單的巡查時間和巡查人,方便值班員留痕。

針對果蔬采摘末端執(zhí)行器在采摘過程中的不足，結(jié)合目前采摘末端執(zhí)行器分析，本文提取了近幾年149篇果蔬采摘相關(guān)期刊、論文，并對其中比較重要的關(guān)鍵詞進行歸納梳理如表1和表2所示。

表1 典型采摘末端執(zhí)行器及其參數(shù)對比

表2 果蔬采摘相關(guān)文獻中具有實質(zhì)意義的關(guān)鍵詞

結(jié)合目前果蔬采摘現(xiàn)狀，參考表2對關(guān)鍵詞的分析梳理后不難看出，當(dāng)前果蔬機械化采摘熱點仍是采摘機器人與末端執(zhí)行器。本文依據(jù)現(xiàn)有研究分析總結(jié)采摘機器人與末端執(zhí)行器的發(fā)展現(xiàn)狀并進一步提出果蔬采摘機械化發(fā)展方向：

(1)減輕末端執(zhí)行器質(zhì)量。末端執(zhí)行器需要實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速采摘，并且采摘時不破壞水果。因此在設(shè)計末端執(zhí)行器時結(jié)構(gòu)要簡單輕便，欠驅(qū)式是未來發(fā)展方向。

(2)增強抓取的自適應(yīng)性。水果的形狀各不相同，經(jīng)常出現(xiàn)不規(guī)則形狀。目前大多數(shù)采摘機器人的結(jié)構(gòu)均采用硬質(zhì)材料，它們的運動是確定的，柔性形狀自適應(yīng)抓手可以增加接觸面，降低損傷風(fēng)險，提供穩(wěn)定的抓手。

(3)提高采摘機器人的通用性。末端執(zhí)行器若能適用于物理特性相似的多種水果的采摘，將可以提高采摘效率，降低采摘成本。

(4)降低漏采率。針對葉片遮擋不易發(fā)現(xiàn)的果實等問題，設(shè)計撥葉裝置配合吸持裝置將葉片枝條撥開，配合視覺系統(tǒng)，吸附裝置將果實吸附出來，然后對果實進行剪切。

在線測量是在混合機機殼的特定位置安裝有水分在線檢測儀，以一定時間間隔自動檢測混合機內(nèi)物料的水分含量，并將檢測結(jié)果自動傳送給生產(chǎn)線水分添加系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)，經(jīng)與設(shè)定的目標(biāo)值比較后自動確定在混合機內(nèi)噴加的水分量和調(diào)質(zhì)過程中需要添加的水分（蒸汽）量及相關(guān)控制參數(shù)。目前已經(jīng)在飼料混合機上應(yīng)用的在線水分檢測儀有多用途近紅外檢測儀，激光在線水分測定儀以及微波在線水分檢測儀等。其中近紅外多用途檢測儀可以同時檢測水分、粗蛋白、粗脂肪等，有著更廣泛的用途。

(5)減少水果表面損傷、提高采摘效率。采用咬合式末端執(zhí)行器以避免夾持式末端執(zhí)行器對水果帶來損傷，減少采摘時間，提高采摘效率，同時也降低了對視覺方面的要求，結(jié)合不同的驅(qū)動方法，不同類型的材料，集剛性與柔性一體化的末端執(zhí)行器可減少對水果表面的損傷，采用混合驅(qū)動方式也可彌補單一的電機驅(qū)動方式存在采摘時間較長的不足。

(6)提高智能化。多傳感器、多自由度、智能的靈巧型采摘末端執(zhí)行器，在外形和運動范圍上都能與人工采摘效果相匹配，為水果采摘提供裝備支撐。

4 總結(jié)

本文對國內(nèi)外水果采摘末端執(zhí)行器現(xiàn)狀進行了綜合分析與梳理，我國對采摘末端執(zhí)行器的研究尚處于成長期，雖然國外對采摘機器人研究起步比較早，擁有較多不同類型的采摘末端執(zhí)行器，但采摘機器人的研究需要多學(xué)科、多領(lǐng)域共同協(xié)作，技術(shù)難度較大，致使目前絕大多數(shù)水果采摘機器人未端執(zhí)行器還處于試驗研究階段。許多果蔬采摘末端執(zhí)行器依然采用剛性夾持的采摘方式，存在著靈活性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通用性差等問題，這些制約了果蔬機械化采摘的發(fā)展，因此，研究結(jié)構(gòu)簡單、靈活方便、智能化的末端執(zhí)行器并集成移動平臺、收集裝置形成一體化的智能采摘裝備是未來發(fā)展的方向。近年來，隨著國家對智慧農(nóng)業(yè)裝備研究力度的逐漸增大，機器視覺、圖像處理、控制系統(tǒng)等智能化研究技術(shù)的不斷成熟，這些技術(shù)若能與果蔬采摘末端執(zhí)行器很好地結(jié)合，果蔬采摘機械化、智能化將會很快地成為現(xiàn)實。