彭 艷，劉勇敢，楊 揚，楊 毅，劉 娜，孫 翊

（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072）

0 引 言

果蔬具有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，是人類生活中必不可少的食物[1]。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，從1994年起僅水果產(chǎn)量就已躍居世界首位[2]。根據(jù)2003年聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計，中國的果蔬年產(chǎn)量約為3.58億t，約占全世界果蔬年產(chǎn)量的28%[3]，截止2013年果蔬種植面積仍呈波動增長趨勢[4]。果蔬采摘是果蔬生產(chǎn)鏈中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)[5]，但目前果蔬采摘作業(yè)主要依靠人工完成，存在效率低、成本高、勞動量大等問題。近年來，由于人口老齡化問題導(dǎo)致人力資源嚴(yán)重匱乏，已成為許多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家共同面臨的問題[2]。人工采摘作業(yè)的成本在整個生產(chǎn)成本中所占比例高達(dá)33%～50%，因此實現(xiàn)果蔬采摘的自動化作業(yè)變得越來越迫切[6-7]。然而，果蔬的生長環(huán)境比較復(fù)雜，外皮大多較為脆弱，形狀也復(fù)雜多變[8]，在采摘過程中極易造成損傷，這將直接影響果蔬的儲存、加工和銷售，從而最終影響市場價格和經(jīng)濟(jì)效益[9]。因此，研究和開發(fā)能夠減小果蔬損傷率的機(jī)械手對于解放勞動力、提高生產(chǎn)效率以及保證果蔬品質(zhì)等具有重要意義。在保證穩(wěn)定抓取的前提下，有效避免機(jī)械手對果蔬的損傷、實現(xiàn)柔順作業(yè)，是果蔬采摘機(jī)器人技術(shù)的研究重點[1,6,8-10]。

近年來，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械手相關(guān)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，其使用不再嚴(yán)格局限于工業(yè)環(huán)境[11]，很多農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器直接使用工業(yè)用機(jī)械手，但存在體積大、靈活性差、成本高、采摘效率低[12-13]、通用性較差、與環(huán)境的相容性較低等問題，且構(gòu)造和控制較復(fù)雜、柔性差，難以實現(xiàn)無損采摘。果蔬采摘機(jī)械手的應(yīng)用需要具有以下特點：1）作業(yè)對象處于高度的非結(jié)構(gòu)化與不確定的未知可變環(huán)境中[14]。因此，果蔬采摘機(jī)械手要具有高度的操作對象適應(yīng)性，并且盡可能避免對周圍環(huán)境及果蔬造成破壞傷害。2）能夠應(yīng)對采摘對象的質(zhì)地脆弱易傷性及個體形狀差異性。3）結(jié)構(gòu)簡單、可控性好、普及性好、可靠性高、價格合理[15]。4）包裹性強(qiáng)。傳統(tǒng)機(jī)械手與果蔬的接觸面積通常較小甚至是點接觸，這種機(jī)械手一般難以改變他們的形狀以適應(yīng)多變的抓握對象[14,16-17]，難以與果蔬的形狀緊密匹配。針對果蔬采摘的特點，國內(nèi)外學(xué)者對果蔬采摘機(jī)械手進(jìn)行了大量的研究工作，研制出了自由度較多的末端執(zhí)行器，如Arima等[18]研制了6自由度黃瓜采摘手；以及靈活性與柔韌性較高的欠驅(qū)動末端執(zhí)行器和硬質(zhì)連續(xù)體執(zhí)行器，如美國俄亥俄大學(xué)的研究人員研制出了一種西紅柿采摘機(jī)械手[19]、國內(nèi)浙江大學(xué)金波等[20]研制了欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)的機(jī)械手等?？傮w來看，這些機(jī)械手大多由剛性鉸鏈或者桿件構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)物體精確的抓取操作，但是變形范圍小、自由度受限、剛性強(qiáng)、缺乏必要的感知能力以及柔順控制[21]，即使在剛性材料表面鑲嵌一層軟體材料，也難以針對被采摘果蔬的特點實現(xiàn)包裹性抓取和采摘。

軟體手出現(xiàn)后，因其優(yōu)越的性能引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[22-26]，迅速成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點。軟體手的設(shè)計靈感來源于自然界中的軟體動物觸角，如水母、章魚和海星等[27-29]，通常由柔軟材料制成，具有較大的變形能力和無限的自由度，可在較大范圍內(nèi)根據(jù)目標(biāo)物體的形狀改變自身的形狀和尺寸[30]。因此軟體手可通過變形實現(xiàn)與被抓取物體的形態(tài)匹配并最終實現(xiàn)穩(wěn)定的抓取動作。

1 軟體手的概念及發(fā)展現(xiàn)狀

新型軟體手的出現(xiàn)為解決剛性果蔬采摘機(jī)械手靈活度差、柔順性差、自由度受限、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性差等問題提供了新的思路和方法。以氣壓和線纜作為驅(qū)動，德國Festo和北京航空航天大學(xué)合作研制了象鼻+章魚觸手[31]（圖1a）和氣動肌肉[32-33]等。美國哈佛大學(xué)Whiteside課題組以彈性硅膠為材料，結(jié)合3D打印技術(shù)，設(shè)計制造了以氣動網(wǎng)絡(luò)為執(zhí)行器的軟體手[34-36]（圖1b），具有承壓小、變形大[37]、運動靈活，能夠與環(huán)境實現(xiàn)互容等特點；Ge等[38]提出了一種新的 4D打印技術(shù)可使軟體手具有可控的形狀記憶行為；日本東芝公司設(shè)計的Toshiba靈巧手[39]（圖1c），能夠?qū)崿F(xiàn)抓取、移動物體和擰螺釘?shù)葎幼?，具有較好的柔順性[40]；北航文力研究組研制的軟體手爪可以根據(jù)被抓取物體的大小形狀調(diào)整其有效長度[41]（圖1d）；Galloway等[42]設(shè)計了基于多氣腔結(jié)構(gòu)和纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的兩款海底生物采樣軟體手（圖 1e和 1f），可以靈活地實現(xiàn)對海底多種形狀生物體的采樣。智能材料的運用，可以直接將物理刺激轉(zhuǎn)化為位移，如介電彈性體（dielectric elastomer）[43-44]（圖 1g）、導(dǎo)電聚合物（electro active polymer，EAP）[45-46]、形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）[47]（圖1h）、形狀記憶聚合物（shape memory polymer，SMP）[48]等在軟體機(jī)器人上的應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。因此，將軟體手應(yīng)用于水果采摘作業(yè)將有望克服傳統(tǒng)剛性機(jī)械手的缺陷，減小對果蔬的傷害。表1對比了各種機(jī)械手的相關(guān)特性[30,49]，可以看出軟體手更適合于形狀多變的果蔬順應(yīng)抓取。

由于軟體手屬于近些年發(fā)展起來的新興技術(shù)，因此在果蔬采摘中的應(yīng)用也處于起步階段。如意大利研究者M(jìn)uscato等[50]采用螺旋排列橡膠片開發(fā)了柑橘軟體采摘手，該軟體手通過三個手指將柑橘抓緊后，機(jī)械臂后移拉緊以便于果梗進(jìn)入切割區(qū)域（圖 2a）；由 Cambridge Consultants公司研發(fā)的配有視覺系統(tǒng)的六指軟體采摘手，能夠識別果蔬類別和成熟度，并且軟體手能夠根據(jù)果蔬的形狀進(jìn)行柔順抓取[51]（圖2b）；Tortga AgTech公司投資設(shè)計的草莓采摘機(jī)器人，其末端執(zhí)行器采用柔軟的硅膠材料并制作成網(wǎng)格形狀，可實現(xiàn)草莓的定時柔順采摘[52]（圖2c）。由此可見，軟體手在形狀和大小不同、易碎的果蔬采摘中將會發(fā)揮更大的作用。

圖1 軟體手實例Fig.1 Examples of soft robotic gripper

表1 機(jī)械手相關(guān)特性比較Table 1 Comparison of relative characteristics of manipulators

圖2 軟體采摘手[50-52]Fig.2 Soft picking grippers[50-52]

2 果蔬采摘軟體手的驅(qū)動及應(yīng)用分析

執(zhí)行器是軟體手設(shè)計的關(guān)鍵，從根本上決定了軟體手的性能。軟體手是軟體機(jī)器人領(lǐng)域的一個分支，其驅(qū)動源的類型和結(jié)構(gòu)往往具有相通性[53]。目前較為常用的驅(qū)動源主要包括化學(xué)反應(yīng)、電荷刺激、加壓流體、彈性材料、形狀記憶合金等。與剛性機(jī)械手相比，軟體手的控制和結(jié)構(gòu)比較簡單，操作和安裝也很方便，而且具有高度的靈活性、適應(yīng)性和通用性，能夠與被抓取的果蔬形成很好的互容效果。軟體手的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)果蔬采摘機(jī)械手僵硬、環(huán)境適應(yīng)性差等缺陷，具有“一手多用”的功能。根據(jù)驅(qū)動方式的不同，軟體手在果蔬采摘作業(yè)中展現(xiàn)出了不同的特點。

2.1 氣動軟體手

氣壓驅(qū)動主要包括氣動人工肌肉[54-55]和超彈性氣動驅(qū)動[56-59]2種方式。氣動人工肌肉是目前較為成熟的執(zhí)行器，由外層編織套和內(nèi)層橡膠管組成，可通過驅(qū)動氣壓的改變產(chǎn)生伸縮運動[60-61]，其驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖3a所示。加壓時，氣動肌肉膨脹，從而產(chǎn)生軸向收縮力[62]；當(dāng)編織角θ0達(dá)到極限角θ時停止變形，因此可通過調(diào)節(jié)氣壓實現(xiàn)氣動人工肌肉的收縮運動。

利用超彈性材料制成的氣動執(zhí)行器是一種簡單有效的執(zhí)行器，在加壓或者受力時可以產(chǎn)生大變形，主要有加壓流體彈性硅膠執(zhí)行器[63-64]和纖維增強(qiáng)執(zhí)行器[65]2大類。其中通過加壓流體驅(qū)動的軟體手由于其質(zhì)量輕、功率高、成本低和制造容易等特點得到了較為廣泛的應(yīng)用，也是目前較為流行的軟體手驅(qū)動方式之一。這種材料具有非線性特性，其結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)嵌氣道的主體氣腔和限制層組成。如圖 3b所示，可通過調(diào)節(jié)氣室內(nèi)部氣壓△P使軟體手產(chǎn)生不同程度的彎曲變形[66-68]。另一種是通過纖維約束的思路設(shè)計的纖維增強(qiáng)型執(zhí)行器，由超彈性材料(如硅酮、軟玻璃、高密度聚乙烯纖維等)和不可伸展材料(編織物或纖維)[34,65]組合而成。當(dāng)加壓流體激活氣腔時，由于纖維約束的不對稱性會驅(qū)動空氣室延伸，實現(xiàn)彎曲變形如圖3c所示。通過改變纖維線的繞線方式和數(shù)量、增加氣室的數(shù)量均可以實現(xiàn)多種更為復(fù)雜的運動方式[69-70]。

當(dāng)氣壓逐漸增大時，氣動軟體手會產(chǎn)生變形，與要采摘的果蔬逐漸順應(yīng)互容，從而實現(xiàn)果蔬的包裹性采摘[70-72]，如圖 4所示。氣動軟體手具有制造方便、經(jīng)濟(jì)實用、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，并且適應(yīng)了果蔬采摘的特點，使果蔬的無損采摘變?yōu)榭赡?。此外，氣動軟體手對操作者的技能要求低，更容易普及，已經(jīng)有相關(guān)成果開始商業(yè)化；但缺點在于對裝配精度要求較高，且需要額外的氣源作為輔助機(jī)構(gòu)。

2.2 拉線軟體手

拉線是一種柔軟且在長度方向上有較高拉伸強(qiáng)度的組件，因此，能夠在軟體結(jié)構(gòu)中穿過復(fù)雜的路徑且承受較大的力而不改變自身的尺寸。拉線驅(qū)動的基本原理是在結(jié)構(gòu)上選取一些固定點，然后用線纜將其連接起來，并通過滑輪外連驅(qū)動電機(jī)，依靠驅(qū)動線的收放來驅(qū)動軟體手的動作[73]（圖5a）。這類拉線裝置具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)且需要控制系統(tǒng)[74]（圖5b），因此增大了使用難度。

圖3 氣動執(zhí)行器[67,70]Fig.3 Pneumatic actuators[67,70]

圖4 氣動軟體手的應(yīng)用[70-72]Fig.4 Application of pneumatic soft robotic grippers[70-72]

繩纜驅(qū)動軟體手由軟材料和欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)結(jié)合而成，通過對單根線纜張力的控制驅(qū)動手指運動，確保了對不同形狀物體的適應(yīng)能力。但是這種作動方式類似于欠驅(qū)動，相鄰指節(jié)間存在較大位移量，故在果蔬采摘時拉線手指只能形成簡單的弧面接觸，不能對形狀不規(guī)則的果蔬實現(xiàn)包裹式抓取，其應(yīng)用如圖5c、5d所示[75]?？梢钥闯?，拉線軟體手的抓取效果不如氣動軟體手。由于手指要承受線纜的拉力，因此制作拉線軟體手時一般選擇楊氏模量較大的軟材料，這也增加了拉線軟體手的抓握能力[76]，可以采摘和抓取相對大或重的果蔬。拉線軟體手制作容易、成本也較低，但是受限于龐大的驅(qū)動系統(tǒng)很難實現(xiàn)小型化和集成化[37]。

圖5 拉線軟體手[73-75]Fig.5 Pull soft robotic grippers[73-75]

2.3 SMA軟體手

形狀記憶合金 （shape memory alloy，SMA）是一種智能材料，受力易變形，表現(xiàn)出一定的被動柔性，且溫度變化時形狀也會發(fā)生變化（如圖6a），當(dāng)材料冷卻時可回復(fù)至原來的長度[77-78]，屬于一種線性驅(qū)動，有彎曲和扭轉(zhuǎn) 2種作動方式[79]，具有較高的質(zhì)量應(yīng)力比，被廣泛應(yīng)用于軟體手的驅(qū)動。

這種材料的變化特性源于材料本身的相變，可根據(jù)操作對象的形狀做出自適應(yīng)調(diào)整，而且SMA控制方便，無需外加輔助裝置（包括壓縮機(jī)、泵、閥門等）[80]，通過改變電流脈沖信號的形式可以控制SMA材料的變形。在果蔬采摘應(yīng)用中該作動方式可以實現(xiàn)柔順采摘果蔬作業(yè)并且能夠?qū)咝纬砂j(luò)保護(hù)。由于執(zhí)行器的剛度低、柔性好，不僅對于外皮精致的小型果蔬會有較好的采摘效果，而且可在狹小空間內(nèi)對抓取目標(biāo)進(jìn)行操作。不僅如此，智能材料本身作為執(zhí)行器可實現(xiàn)對軟體手的精確控制且具備感知能力，因此可根據(jù)外果皮的要求調(diào)整抓取力。但是該材料的響應(yīng)頻率有限，驅(qū)動速率比較低[81]，會對果蔬采摘的效率造成影響。此外這種軟體執(zhí)行器較為柔軟、承載能力較小，采摘果蔬時容易受到周圍障礙物的干擾，且抓取不穩(wěn)定。由于該執(zhí)行器的制造成本高、技術(shù)還不夠成熟，因此目前在果蔬采摘中的應(yīng)用率相對較低。圖6b、6c為其夾持作動圖[78]。

圖6 SMA軟體手[78-79]Fig.6 SMA soft robotic grippers[78-79]

2.4 EAP軟體手

電活性聚合物執(zhí)行器（electro active polymer,EAP）是一類易受電場影響而發(fā)生伸縮、彎曲、束緊或膨脹等形變的柔性智能材料[82-83]。根據(jù)電活性聚合物致動機(jī)理可以分為離子型（Ionic）和電子型（Dielectric）2大類[84]。在EAP薄膜兩側(cè)覆蓋柔順的電極，當(dāng)對其施加外在電場或電壓刺激時，EAP薄膜在電場的作用下會產(chǎn)生變形運動。由于其響應(yīng)速度快且變形量大，得到了廣泛的關(guān)注[85]，其電子型介電彈性執(zhí)行器的原理如圖7a所示[86]。

這種執(zhí)行器可以承受很大的變形，同時維持較大的輸出力[87]，而且完全電控，執(zhí)行作動時不需要額外的輔助機(jī)構(gòu)。在果蔬采摘中，可根據(jù)果蔬的形狀做出自適應(yīng)調(diào)整，對果蔬形成包裹抓取，并且采摘抓取比較穩(wěn)定，響應(yīng)速率快，如圖7b、7c所示[88-90]。但是離子型EAP軟體手機(jī)械強(qiáng)度較低，容易受到果蔬周圍障礙物的阻擋，而電子型EAP軟體手需要較大的電壓支撐。有研究表明，對于60 μm厚的硅膠膜的驅(qū)動電壓為3.5 kV[44]，因此，使用成本會比較高，而且EAP存在較多的失效形式，如應(yīng)力松弛、電擊穿、褶皺等[88]，從而將會對果蔬采摘造成一定的不利影響。因此目前在果蔬采摘中該執(zhí)行器應(yīng)用率也比較低，其主要原因與SMA執(zhí)行器類似，都屬于智能材料，具有很高的柔順性，但由于該技術(shù)也處于起步階段，不適合采摘質(zhì)量和形狀較大的果蔬。不同的是EAP執(zhí)行器驅(qū)動的軟體手能夠在 100 ms實現(xiàn)打開和關(guān)閉[89]，反應(yīng)速度快、效率非常高，因此在果蔬采摘中的應(yīng)用要強(qiáng)于SMA軟體手。

圖7 EAP軟體手[86,89-90]Fig.7 EAP soft robotic grippers[86,89-90]

3 果蔬采摘裝置的建模與控制

3.1 果蔬采摘裝置的建模

建模分析是機(jī)械手運動控制的基礎(chǔ)。通過分析末端執(zhí)行器、機(jī)械手各運動構(gòu)件的位置姿態(tài)與果蔬之間的關(guān)系，構(gòu)建果蔬采摘的運動學(xué)模型，是路徑規(guī)劃、實現(xiàn)穩(wěn)定抓取控制的基礎(chǔ)。運動學(xué)模型包括正運動學(xué)模型、逆運動學(xué)模型和微分運動學(xué)模型[91-92]，而對果蔬采摘機(jī)械手的運動學(xué)建模研究主要是正運動學(xué)建模。文獻(xiàn)[42]表明這種方法相對比較簡單，即在給定關(guān)節(jié)角度和速度的情況下可實現(xiàn)末端執(zhí)行器的有效抓取。

但對于軟體手物理模型的建立是一項極具有挑戰(zhàn)的工作。由于自身材料特性和連續(xù)的形變，無法像剛體運動學(xué)那樣利用桿件長度和夾角進(jìn)行求解[93]，即使最簡單的正運動學(xué)也無法直接套用公式進(jìn)行求解。根據(jù)軟體手以恒定曲率變形的特點，Jones等在常曲率假設(shè)的基礎(chǔ)上，運用改進(jìn)的D-H模型和幾何分析研究出一套分段常曲率（piecewise constant curvature，PPC）理論模型[94-95]，這種方法比較適合連續(xù)體機(jī)械臂和軟體手指等細(xì)長結(jié)構(gòu)，雖然大多數(shù)柔性細(xì)長體結(jié)構(gòu)彎曲時并不是完全由圓弧組成，但可作近似圓弧處理。Duriez等[96]提出了基于有限元分析的可變固體力學(xué)的實時建模方法，該方法既可以對軟體機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行仿真，也可對機(jī)器人進(jìn)行逆運動學(xué)控制。Polygerinos[16]提出了針對線性增強(qiáng)型氣壓執(zhí)行器的分析模型，該模型可用于基于超彈性材料的加壓流體執(zhí)行器，為軟體執(zhí)行器的設(shè)計提供了理論支持。拉線軟體執(zhí)行器有較多的建模方法[97]，這些方法允許曲率產(chǎn)生變化，如雅克比法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[53,98]等。

此外，根據(jù)軟體手具體的工作環(huán)境和操作對象的不同，也可利用材料本身的性質(zhì)與試驗數(shù)值分析方法建立執(zhí)行器的作動輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系。由于軟體材料的變形具有非線性、涉及多學(xué)科交叉等問題，因此對其進(jìn)行精確的建模還需要進(jìn)一步的嘗試。

3.2 果蔬采摘裝置的控制

裝置的靈活性對于果蔬采摘工作至關(guān)重要，而果蔬采摘機(jī)械手能夠像人手一樣靈活的抓取和采摘離不開控制系統(tǒng)[99]。果蔬采摘機(jī)械手的控制通?？梢苑?層：單手指控制層、多手指協(xié)調(diào)運動控制層和目標(biāo)軌跡跟蹤層[100]。

機(jī)械手對目標(biāo)果蔬進(jìn)行抓取時，其指尖的位置信息和力信息是控制系統(tǒng)必要的反饋信息。因此，基于剛性元件的控制系統(tǒng)，對于反饋信息的實時性和精確度有較高的要求，這就增加了控制系統(tǒng)的難度。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在軟體手的閉環(huán)控制相關(guān)研究方面進(jìn)行了很多探索，如Fei等[101]首次提出了由4個柔性傳感器組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，并在滾動軟體機(jī)器人中得到了應(yīng)用；Kang等[102]設(shè)計了利用慣導(dǎo) IMU（inertial measurement unit）監(jiān)控氣動肌肉動作的閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此，對于軟體手的運動控制，可利用微型或柔性傳感器反饋關(guān)節(jié)角度，結(jié)合自適應(yīng)控制率，實現(xiàn)軟體手適應(yīng)采摘果蔬大小和形狀的抓取作業(yè)。軟體手的柔順性允許其通過形變適應(yīng)形狀不同或不確定的采摘對象，降低了對末端執(zhí)行器輸出力控制的要求，簡化了軟體手的控制[103]。根據(jù)果蔬果皮特點的差異，所選擇的控制方式也不相同。開環(huán)控制方式可充分利用材料的柔順性降低輸出力的控制精度，適合操作像白菜、蘋果和梨等外皮有一定耐壓能力的果蔬；而像草莓、葡萄等外皮較為脆軟的果蔬選擇閉環(huán)控制更為安全。

軟體手的控制系統(tǒng)具有一定的開放性，可在不同的機(jī)器人本體上得到應(yīng)用和擴(kuò)展[104]。然而，軟體手具有無限的自由度與有限的執(zhí)行器，使得控制計算量比較大，無法實現(xiàn)精確和實時控制，因而還沒有適用于軟體機(jī)器人的通用控制理論[82]，因此還需對果蔬采摘中的控制算法進(jìn)行深入研究。

4 果蔬采摘裝置的發(fā)展趨勢

近年來國內(nèi)外學(xué)者圍繞果蔬采摘技術(shù)做了很多研究，研制出了多種果蔬采摘機(jī)械手，但大多數(shù)由于采摘專一性高、效率低、損壞率高、裝置復(fù)雜和造價昂貴等因素未能實現(xiàn)真正的商業(yè)化，缺少實用價值。因此，針對果蔬生長的特點，果蔬采摘裝置需要具備采摘效率高、損壞率低、結(jié)構(gòu)簡單和成本低等特性。采用軟體手作為果蔬采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器可較理想地滿足果蔬采摘的需求。但軟體手也需要剛性材料作為支撐完成采摘作動。因此，隨著研究的快速發(fā)展，基于單一材料的采摘裝置將會逐步受限，取而代之的將是結(jié)合智能材料、生物材料等多種材料的復(fù)合體[105]。同時要考慮到如果采摘手的柔順性過高，在遇到枝葉等稠密障礙物時，執(zhí)行器易發(fā)生彎曲從而造成抓取失敗，這意味著果蔬采摘裝置須具備良好的柔順性、較高的通用性和感知能力。因此，通過剛性和柔性材料融合的“共融技術(shù)”，利用信息融合理論建立果蔬采摘控制策略，實現(xiàn)柔順性采摘，是未來果蔬采摘裝置的主要發(fā)展趨勢。隨著微型傳感器和電子皮膚[106-107]等技術(shù)的發(fā)展，多技術(shù)融合的智能化果蔬采摘軟體手將是未來果蔬采摘機(jī)械手的發(fā)展方向。

此外，由于果實的隨機(jī)性和所處的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，自然生長的果實并不利于末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘作業(yè)。因此，為了提高生產(chǎn)效率，可通過改進(jìn)果實的栽植方式、對采摘的果樹進(jìn)行適當(dāng)?shù)男藜鬧6]以及搭建支架等方式以便于末端執(zhí)行器高效、準(zhǔn)確的對果實進(jìn)行采摘。

5 結(jié)論與展望

目前，大部分果蔬采摘機(jī)械手依然采用傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手或欠驅(qū)動機(jī)械手，控制精度要求高、操作難度大、通用性差，不能有效地實現(xiàn)對多種果蔬的無損采摘。新一代軟體操作手具有較高的靈活性和環(huán)境適應(yīng)性，在農(nóng)產(chǎn)品的抓取和采摘作業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。利用軟體手作為果蔬采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，為果蔬的無損采摘提供了新的解決方案，同時也有利于軟體機(jī)器人的發(fā)展。盡管在軟體手的建模、控制和應(yīng)用方面還有很多問題需要解決，但它已經(jīng)帶來了現(xiàn)代果蔬采摘機(jī)械手發(fā)展的新契機(jī)。

本文通過對幾種常見軟體手的結(jié)構(gòu)特點和作動方式的對比分析，發(fā)現(xiàn)氣動軟體手和介電彈性軟體手能夠更好地克服果蔬采摘的難點。氣動軟體手的作動特點較好地符合了理想果蔬采摘機(jī)械手的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對果蔬的包絡(luò)和無損采摘，并且具有控制簡單、操作容易、安全性高等特點。不僅如此，氣動軟體手簡單的結(jié)構(gòu)更容易讓果農(nóng)接受和使用，因此氣動軟體手有望更好地應(yīng)用于果蔬采摘作業(yè)中。

軟體手涉及材料、化學(xué)、機(jī)械等多學(xué)科交叉，對它的研究剛剛起步，尚需要對設(shè)計、控制和制造方法進(jìn)行進(jìn)一步研究。首先，軟體手的驅(qū)動方式還不夠完善，如氣動驅(qū)動和拉線驅(qū)動均要外接笨重的驅(qū)動源、SMA和EAP受自身材料特性的限制存在驅(qū)動力不足等問題?？衫眯滦偷闹悄懿牧?、生物材料研制出可適應(yīng)被抓取果蔬的變剛度軟體手。其次，對軟體手的設(shè)計方法并未實現(xiàn)統(tǒng)一，缺乏相關(guān)理論的指導(dǎo)。而且軟體結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)，雖然可通過三維計算機(jī)軟件輔助建模，然而對于復(fù)雜的軟體結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行分段或分層設(shè)計，或是提出新的設(shè)計方法。最后，研究適合軟體手的建模和控制方法是十分重要的一個環(huán)節(jié)。對于軟體結(jié)構(gòu)有限驅(qū)動器對應(yīng)無限自由度的特點，要實現(xiàn)精確的建模和控制是十分復(fù)雜的。現(xiàn)有的建模技術(shù)在實際中難以應(yīng)用，特別是軟體手的柔順性使得動力學(xué)建模很難滿足控制的要求。

面向果蔬采摘的軟體手是農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)與軟體機(jī)器人的交叉融合，說明農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)正朝著人-機(jī)器-環(huán)境共融的方向發(fā)展，因此軟體手在果蔬采摘中的應(yīng)用將使果蔬的無損采摘成為可能。

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