王景景

摘 要：現(xiàn)階段，在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，各種先進(jìn)的技術(shù)在蔬果采摘中已經(jīng)得到了有效應(yīng)用。特別是柔性手爪在果蔬采摘中的應(yīng)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(jī)械損傷，降低生產(chǎn)經(jīng)營成本。因此，對現(xiàn)有果蔬采摘機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)組成和分類進(jìn)行了總結(jié)，并以常見的幾種果蔬為例，分析了其機(jī)械手爪的工作方式，闡述了現(xiàn)有機(jī)械手爪的優(yōu)缺點(diǎn)和改進(jìn)方法，并提出一種柔性手爪的構(gòu)思，希望能夠?yàn)楣卟烧ぷ魈峁└嗟膸椭?/p>

關(guān)鍵詞：柔性；手爪；果蔬采摘

機(jī)器人的末端執(zhí)行器有時(shí)被稱為執(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)量越來越高，勞動(dòng)強(qiáng)度越來越大，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)解決此問題，就會(huì)影響我國農(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]。

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。

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

（一）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：（1）手指以支點(diǎn)為中心開閉型。（2）手指平行開閉型。（3）多指機(jī)械手。（4）形狀記憶合金利用型[3]。

（二）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、不定型的柔軟對象的能力。

二、機(jī)械手爪在果蔬采摘中的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）草莓采摘機(jī)器人。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國農(nóng)業(yè)大學(xué)在2004年，已經(jīng)對農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了研究。部分學(xué)者在溫室中，栽培了草莓，并且設(shè)計(jì)3種采摘機(jī)器人，主要為橋架式、三自由度直角坐標(biāo)式和四自由度龍門式。同時(shí)，還要通過末端的執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)采摘。在對其中的四自由度龍門式機(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。

（二）茄子采摘機(jī)器人。如果在直方圖上，應(yīng)用固定雙閾值法，對采摘流程進(jìn)行分析。我們可以通過對圖像的分割，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%。

三、機(jī)械手爪存在的問題及解決思路

（一）機(jī)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(jī)械手爪在果蔬采摘中采用開關(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，易對果蔬嬌嫩的表面造成破壞，這無疑會(huì)拉低經(jīng)濟(jì)效益。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。

2、成本高，通用性差。針對不同的果蔬，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。

（二）解決思路

1、加強(qiáng)果蔬物理特性測試。在采摘手爪設(shè)計(jì)前，需要對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)，以解決因夾持力過大導(dǎo)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(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)。

四、新型柔性手爪設(shè)計(jì)

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(qiáng)對手爪構(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。

（一）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。

（二）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。手爪設(shè)計(jì)流程圖見圖1。

五、柔性機(jī)械手爪的應(yīng)用與展望

（一）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)簡單、自由度無限、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)周圍有其他果實(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。

（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(zhí)行器的某些部件就可對其他農(nóng)作物進(jìn)行作業(yè)的通用型手爪，檢測功能也會(huì)成為今后末端執(zhí)行器的新功能。在此背景下，相關(guān)學(xué)者應(yīng)用感器融合方法，實(shí)現(xiàn)了對軟體機(jī)械手爪的進(jìn)一步開發(fā)。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(dòng)化邁向智能化最重要的技術(shù)之一。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳昕，華超，朱銀龍，等 . 水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的研 究進(jìn)展 [J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2020，48（9）：4-10.

[2] 李秦川，胡挺，武傳宇，等 . 果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研 究綜述 [J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（3）：175-179，186.

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