王凤云;刘继展;李萍萍
【摘 要】简述了国内外末端执行器的发展现状,对非夹持与夹持类的果实获取方式和拉、折、剪、热切割等不同分离方式进行了分析与比较,对吸盘、推杆、安全杆等附加机构的功能与配置方式进行了归纳,并介绍了末端执行器中视觉、距离、接近等传感器的集成应用情况,进而指出了末端执行器研究中仍存在的问题.同时,对采摘机器人末端执行器的发展进行了展望. 【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】商场柜台制作2011(033)011
【总页数】5页(P10-14)
【关键词】采摘机器人;末端执行器;发展现状
【作 者】王凤云;刘继展;李萍萍
伞齿轮设计
【作者单位】江苏大学农业工程研究院,江苏镇江212013;江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室,江苏镇江212013;江苏大学江苏省农业装备与智能化高技术研究重点实验室,江苏镇江212013;江苏大学农业工程研究院,江苏镇江212013;江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室,江苏镇江212013;江苏大学江苏省农业装备与智能化高技术研究重点实验室,江苏镇江212013;江苏大学农业工程研究院,江苏镇江212013;江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室,江苏镇江212013;江苏大学江苏省农业装备与智能化高技术研究重点实验室,江苏镇江212013
【正文语种】中 文
【中图分类】S225.99
0 引言
21世纪，农业劳动力将迅速向社会其它产业转移，世界各国面临着人口老化问题，劳动力不足将变为现实。目前，果蔬收获主要依靠人工采摘，收获作业劳动强度大，而收获机器人不仅能够实现果实适时采收，提高生产效率和产品质量，还可以改善劳动条件，因此研
究采摘机器人具有重要的意义。采摘机器人主要由机械手、末端执行器、视觉系统和行走装置等组成。机器人移动到目标位置之后，末端执行器最终完成采摘动作，并且多数果蔬的外表较为脆弱,形状及生长状况复杂,因此末端执行器的设计直接关系到能否准确高效地完成采摘。目前，国内外已经掀起了研究采摘机器人的热潮，特别是日本、美国、荷兰等发达国家一直走在采摘机器人研究的前列，先后开发了各种果蔬采摘机器人及其末端执行器。近年来，国内各类果蔬采摘机器人方面的研究也取得一定的成果，先后研制了茄子、草莓、番茄、苹果等采摘机器人和末端执行器。
1 采摘机器人末端执行器的研究现状
作为采摘机器人的执行装置，末端执行器的设计应根据不同果蔬果实的特点，以提高采摘的成功率并减小对果实的损伤为主要目标，其动作原理形式各异。末端执行器在动作上通常包括获取果实和果实与植株分离两部分。为了安全与高效地完成采摘动作，末端执行器还可能加入吸盘、推杆等附加机构以及各类传感器以完成准确采摘并减小损伤。
1.1 获取方式
采摘机器人末端执行器要达到采摘果实的目的，必须实现两大关键动作：获取和分离，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法将果实与果梗分离。根据获取果实的方式，可分为非夹持类和夹持类两大流派。 1.1.1 非夹持类
1)直接切断式。这类末端执行器直接剪断果梗，果实落地或落入事先放置的果箱，末端执行器本身无法实现果实的回收。日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器[1]、茄子采摘末端执行器[2]、番茄采摘末端执行器[3]、美国柑橘采摘末端执行器[4]均为此类结构，如图1～图4所示。这类末端执行器结构功能较简单，适用于植株冠层内枝叶较稀疏，且果实具有一定抗冲击能力的果蔬。对番茄而言，由于果梗较短，往往造成无法剪切或碰伤果实的现象，而复杂的冠层空间更使果实下落过程中容易被碰伤，且下落位置不可预知，影响果实的回收。
图1 甜椒采摘末端执行器[1] 图2 茄子采摘末端执行器[2]
图3 番茄采摘末端执行器[3] 图4 柑橘采摘末端执行器[4]人防系统
2)吸入切断式。日本冈山大学的柑橘采摘机器人末端执行器[5]，由真空吸盘吸持住果实向后拉动，同时末端执行器的弹性盖板前移，使果实进入笼体内，盖板收缩包住果实，随后一对割刀合拢切断果梗,如图5所示。该末端执行器对果实个体尺寸差异的适应能力较差，动作速度较慢，收获成功率仅有30%。日本N.Kondo开发的草莓采摘机器人末端执行器[6]，也采用了吸入切断模式，但临近的未成熟果实也容易被一同吸入和采摘下来,如图6所示。
图5 柑橘采摘末端执行器[5] 图6 草莓采摘末端执行器[6]
3)吸入+勾取切断式。日本开发的草莓采摘机器人末端执行器[7]，利用真空系统将草莓吸入吸头内，吸头转动切断果梗。为增加分离成功率，又增加了张合爪勾住果梗将之切断。对于果实娇嫩、果梗柔软细长的草莓等果实，吸持和勾取比夹持的获取方式更为可行,如图7所示。
4)吸持扭断式。比利时开发的苹果采摘机器人末端执行器[8]设计成漏斗的形状，摄像机置于漏斗内，当苹果进入手爪范围内时，真空吸引器打开吸入果实，再扭断果梗采摘下果实,如图8所示。英国开发的苹果采摘末端执行器[9]由一截管道两个内置环两个弹簧盖组成，
当接收到主机传来的苹果位置之后利用真空吸入果实，再扭断果梗采摘下苹果,如图9所示。
图7 草莓采摘末端执行器[7] 图8 苹果采摘末端执行器[8]
1.1.2 夹持类
夹持类末端执行器一般按照夹持、分离的动作顺序，其特征是夹持器抓住果实，再通过相应机构或动作将果实与果梗断开。
空气雾化喷头1)手指数目。采摘机器人末端执行器的手指数目有2指、3指和多指等不同型式，如日本冈山大学开发的番茄采摘机器人末端执行器[10]、黄瓜采摘机器人末端执行器[5、11]、中国农业大学开发的茄子采摘末端执行器[12](如图10所示)和荷兰瓦宁根大学开发的黄瓜采摘机器人末端执行器[13]等均用2个平行手指进行抓持；我国台湾国立中兴大学李芳繁等开发的柑橘采摘机器人末端执行器[14](如图11所示)、美国佛罗里达大学开发的柑橘采摘机器人末端执行器[15]具有3个手指抓持，如图12所示；日本国家蔬菜茶叶科学会的茄子采摘机器人末端执行器[16](如图13所示)和日本冈山大学开发的番茄采摘机器人末端执行器[11]等则具有4个手指。
图9 苹果采摘末端执行器[9] 图10 茄子采摘末端执行器[12]
图11 柑橘采摘末端执行器[14] 图12 柑橘采摘末端执行器[15]
手指数目越少，夹持的稳定性越差，多指末端执行器虽然夹持更为稳定可靠，但机构及控制的复杂性增加，同时在采摘空间中与果梗、枝叶的干涉现象也会随之增多。因此，一般形状较为规则，尺寸和质量不太大的果实，应采用较少手指抓持。
2)夹持位置。多数末端执行器直接抓住果实，但某些末端执行器则抓住果梗进行采摘。如日本北海道大学的苹果采摘机器人末端执行器[17](如图14所示)、日本冈山大学的葡萄采摘机器人末端执行器[11](如图15所示)等，直接抓住果实比较可靠，但容易造成果实的损伤，因此适用于具有一定尺寸和强度的果实；对于娇嫩、小巧和成串生长的果实，对其直接夹持非常困难，并可能造成果实的损伤，则可以采用夹持果梗的方式，但这一方式不适用于番茄等果实与梗之间连接力较弱的果蔬。
图13 茄子采摘末端执行器[16] 图14 苹果采摘末端执行器[17]
3)手指型式。多数采摘机器人末端执行器的手指为刚性结构，有些在手指内侧贴加橡胶层，
以增加缓冲减小夹持对果实的破坏。少数末端执行器采用了柔性手指结构，如日本Monta等开发的番茄采摘机器人末端执行器[11]，具有4个柔性手指，每个手指由4段相连的尼龙软管固定于尼龙支板上，一根缆绳穿过软管固定于指端。在缆绳施加拉力时，手指弯曲抓住果实,如图16所示。美国Peter P.Ling等开发的番茄采摘机器人末端执行器[18]，则用更硬的ABS塑料管代替了尼龙软管，以减小夹持时的侧向运动,如图17所示。
该类柔性手指弯曲曲线平滑，具有一定补偿能力，能够很好适应果实的大小差异。该柔性手指机构由1个动力驱动4个手指的所有关节，属于高度欠驱动机构，当有枝叶等障碍物时，柔性手指会发生弯曲，从而造成果实抓取的失败。
图15 葡萄采摘末端执行器[11] 图16 番茄采摘末端执行器[11]
图17 番茄采摘末端执行器[18]
1.2 分离方式
无论夹持类和非夹持类采摘机器人末端执行器，均需要通过一定的方式完成果梗的断开或果实与梗的分离，最终实现采摘。已有的采摘机器人末端执行器，多采用扭断、折断或剪
切分离方法，少数末端执行器利用新的原理进行了尝试。
1)扭断、折断、拉断。日本研制的番茄采摘机器人末端执行器先后采用了扭断[10]与折断[11]果梗的方式，但扭断方式需要多次往复扭转才能断开果梗，效率较低。无论扭断、折断或拉断，都只适用于果实被充分夹持的情况，其优点是无须附加另外的分离装置和动力，但要求末端执行器的夹持机构既要可靠夹持住果实提供充分的作用力，又不能造成果实的损伤，因而对于夹持器对果实的夹持力控制有较高要求；同时，还必须根据采摘对象的果梗力学特性来进行不同方式的选择与实施，否则难以达到预期效果。
2)剪切。相当部分的采摘机器人末端执行器安装了剪刀或切刀装置，以切断果梗实现果、梗分离，如以上茄子、黄瓜、草莓、葡萄采摘机器人等。剪切分离方式可适用于夹持类和非夹持类各种类型末端执行器，适用范围较广。但这种方式首先要求剪刀必须能够直接接触到果梗，对果梗的长度和操作空间提出了要求；同时其要求配置相应的传动、执行机构和动力，造成末端执行器装置的复杂、体积和质量的加大，这往往成为其走向实用化的一大障碍；而剪切还可能由于剪刀的重复使用而造成植株间病菌的相互传染[13]，切口还会导致果实水分的流失。
3)热切割。荷兰瓦宁根大学开发的黄瓜采摘机器人末端执行器[13]，改变了传统的果梗分离方法，采用两个相对的热电极，当两电极与果梗接触时产生高频电流，果梗的高含水率使之迅速产生高温而将果梗“切”断,如图18所示。中国农业大学研制的草莓收获机器人末端执行器[19]，机械爪夹住果梗闭合到位后，也采用了电热切割法切断果梗,如图19所示。
可控硅触发器这种方式避免了病菌的相互传染和水分流失问题，但是这种方式要求两电极必须与果梗可靠接触，同样受到果梗长度和植株冠层空间的限制，对于常规栽培方式和品种的番茄，这种方式同剪刀剪切方式都难以达到满意的效果。
1.3 附加机构
为提高采摘果实成功率，一些末端执行器会附加某类装置以实现准确分离目标果实、稳定夹持和安全保护等特定的辅助功能。这些附加机构有：
1)将目标果实与临近果实分离。如日本、美国开发的番茄采摘机器人末端执行器[10,11,18]增加了一个吸盘机构，真空吸盘由直流电机通过齿轮齿条机构带动，前伸吸住目标果实并将其拉离果束，可以增加手指夹持的成功率并避免在夹持过程中手指对其它果实的损伤；
日本开发的草莓采摘机器人末端执行器[6]，利用一个钩子勾住目标果实的梗并上提，分开目标果实和相邻果实，然后两指夹持住果梗并由切刀将之切断。
2)增强稳定性。日本冈山大学的葡萄采摘机器人末端执行器[11]，采用2指夹住果梗，由剪切器剪断果梗的方式采摘。为了保证末端执行器能够夹持较短的果梗，同时减少采摘后运送过程中梗的摆动，并在放开梗时更好地定向，增加了一个由直流电机带动的推杆机构；日本开发的茄子采摘机器人末端执行器[16]，使用了4个手指和2个吸盘，以可靠夹持形状不规则的茄子。
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