果蔬采摘柔性手爪關鍵技術的研究

王景景

摘 要：現階段，在我國農業經濟快速發展的背景下，各種先進的技術在蔬果采摘中已經得到了有效應用。特別是柔性手爪在果蔬采摘中的應用，不僅能夠保證采摘的有效性，還能極大程度地減少果蔬在采摘過程的機械損傷，降低生產經營成本。因此，對現有果蔬采摘機械手爪的結構組成和分類進行了總結，并以常見的幾種果蔬為例，分析了其機械手爪的工作方式，闡述了現有機械手爪的優缺點和改進方法，并提出一種柔性手爪的構思，希望能夠為果蔬采摘工作提供更多的幫助。

關鍵詞：柔性；手爪；果蔬采摘

機器人的末端執行器有時被稱為執行器或者機械手爪，其功能相當于人的手，一般安裝在機械臂的前端執行各種作業。目前機械手爪在農作物，尤其是表面嬌嫩易破損果蔬的種植生產中應用不多[1]。在我國農業經濟不斷發展的背景下，蔬菜和水果的產量越來越高，勞動強度越來越大，時效性要求也比較高，果蔬采摘的工作成本也在不斷提高，如果不及時解決此問題，就會影響我國農業經濟的發展。果蔬采摘機器人是農業機器人中研究較多的一個分支，還未完全推廣應用[2]。

本文在總結現有農業機械手爪的基礎上，提出一種柔性手爪，以期為農業機器人，尤其是果蔬的高效收獲提供技術支持。

一、機械手爪結構組成及設計思路

（一）機械手爪結構組成。一般用于果蔬采摘的機械手爪主要由夾持機構、切斷機構、吸引機構和吸附機構等組成。夾持機構包括4類：（1）手指以支點為中心開閉型。（2）手指平行開閉型。（3）多指機械手。（4）形狀記憶合金利用型[3]。

（二）機械手爪設計思路。機械采摘手爪制作時，首先需要確定一些數據，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對生物特有的規律和差異，要具有處理不規則的、不定型的柔軟對象的能力。

二、機械手爪在果蔬采摘中的應用現狀

（一）草莓采摘機器人。調查發現，我國農業大學在2004年，已經對農業機器人進行了研究。部分學者在溫室中，栽培了草莓，并且設計3種采摘機器人，主要為橋架式、三自由度直角坐標式和四自由度龍門式。同時，還要通過末端的執行器，實現采摘。在對其中的四自由度龍門式機器人進行應用時，發現其不僅能夠解決較窄壟溝收獲草莓的問題，還能優化采摘的流程。相關的研究表明，此采摘機器人，能夠對草莓的成熟度進行準確判斷，并且其手爪抓取的成功率也是非常高的，所以此機器人在草莓采摘中已經得到了有效應用。

（二）茄子采摘機器人。如果在直方圖上，應用固定雙閾值法，對采摘流程進行分析。我們可以通過對圖像的分割，進而得到果實目標，然后建立二值圖像，在此基礎上對其進行邊緣提取。調查發現，該采摘機器人的抓取成功率比較高，大約為89%。

三、機械手爪存在的問題及解決思路

（一）機械手爪存在的問題

1、果蔬破損率高、靈敏度低。目前，大部分的機械手爪在果蔬采摘中采用開關量控制，需要預先抓取力，不能根據抓取的實際情況調整到合適的抓力，導致增大收獲作業時果蔬的破損率。此外，傳統機械手柔軟度低，易對果蔬嬌嫩的表面造成破壞，這無疑會拉低經濟效益。再進一步還會影響到機械臂移動時的慣性力和控制方法，造成靈敏度低。

2、成本高，通用性差。針對不同的果蔬，往往需要設計不同的機械結構和控制系統。往往一種機械手爪，只能針對某一特定的植物進行采摘，進而完成比較單一的任務，所以說不同采摘機械手之間并不存在通用性，設備的利用率也比較低，這會在一定程度上增加制造和維護的成本。

（二）解決思路

1、加強果蔬物理特性測試。在采摘手爪設計前，需要對待采摘果蔬的物理特性進行綜合分析，為采摘手爪夾持力的設定提供參考數據，以解決因夾持力過大導致的果蔬破碎率高等問題。

2、推廣植物工廠栽培。對以果蔬為對象的采摘手爪來說，栽培方式是影響其采摘效果的最主要的因素。據研究，植物工廠可實現作物的均一化，比如番茄的多層栽培技術，提高了作物從播種到收獲、包裝完全自動化以及收獲裝置通用性的可能性，因此可以加強植物工廠的推廣應用，為收獲手爪的高效工作奠定基礎。

四、新型柔性手爪設計

為了解決上述問題，提高果蔬采摘的效率，需要采取措施加強對手爪構型和材料的深入研究，在此基礎上研制出一款符合實際收獲的機型，保證柔性手爪應用的有效性和科學性。

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

（二）結構設計與優化仿真。在柔性手爪進行設計和完善時，應結合果蔬特性進行設計，保證手爪的合理性。此外，在滿足采摘作業要求上，對機械結構進行仿真優化，不斷強化柔性手爪的靈活性和通用性，從而進一步降低機械發生故障的概率。手爪設計流程圖見圖1。

五、柔性機械手爪的應用與展望

（一）應用。本研究設計的手爪采用軟體材料制作而成，其具有驅動簡單、自由度無限、可根據水果形狀貼合變形、自適應抓取等特點。該采摘手爪的手指是柔性的，即便目標果實周圍有其他果實和主莖等障礙，也可沿果實的表面前進。又因與果實的接觸面積較大，夾持力分散，可得到較大摩擦阻力以防止果實滑脫，可作為蘋果、番茄、蘑菇等多種農作物采摘機器人的末端執行器。

（二）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行器的某些部件就可對其他農作物進行作業的通用型手爪，檢測功能也會成為今后末端執行器的新功能。在此背景下，相關學者應用感器融合方法，實現了對軟體機械手爪的進一步開發。多感知柔性手爪是未來果蔬采摘的重要研究方向，也是果蔬采摘由自動化邁向智能化最重要的技術之一。

參考文獻：

[1] 陳昕，華超，朱銀龍，等 . 水果采摘機器人末端執行器的研 究進展 [J]. 林業機械與木工設備，2020，48（9）：4-10.

[2] 李秦川，胡挺，武傳宇，等 . 果蔬采摘機器人末端執行器研 究綜述 [J]. 農業機械學報，2008，39（3）：175-179，186.

[3] 劉燕德，王觀田，王均剛，等 . 水果無損采摘機械手工作空 間分析及參數確定 [J]. 農機化研究，2019，41（4）：12-17.

基金：本課題來源于2022年江西省科技廳科技課題，《采摘機器人柔性手爪的關鍵技術研究》課題編號：GJJ2203004