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果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究綜述???

李秦川1，胡挺1，武傳宇1，胡旭東1，應(yīng)義斌2

（1. 浙江理工大學(xué)機(jī)電研究所，杭州310018；2. 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州310027）

摘編自《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報》2008年3期：175~186頁，圖、表、參考文獻(xiàn)已省略。

由于果蔬的外表較為脆弱，而它的形狀及生長狀況復(fù)雜，因此末端執(zhí)行器的設(shè)計通常被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)之一[1]。在機(jī)器人采摘過程中果蔬外表發(fā)生損傷的主要原因有：① 果蔬位置識別或機(jī)械臂控制規(guī)劃有誤，導(dǎo)致末端執(zhí)行器劃傷或刺傷果蔬外表。② 末端執(zhí)行器放置果蔬時，新采摘的果蔬與已采摘的果蔬發(fā)生碰撞，外表發(fā)生擠壓傷。③ 末端執(zhí)行器抓取或夾持力過大，壓傷果蔬外表。④ 末端執(zhí)行器抓取不穩(wěn)定，果蔬掉落，與地面或其他堅硬物體接觸而碰傷外表。

原因①、② 主要與機(jī)械臂的控制規(guī)劃和圖像識別處理系統(tǒng)有關(guān)；原因③、④ 則與末端執(zhí)行器及其驅(qū)動方式、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的特性相關(guān)。對于原因③，不同的果蔬其外表特性不同，對于橙、柚等外表皮較厚且富彈性的果蔬，夾持力稍大也不致壓傷外表；對于番茄、草莓、茄子、蘋果等外表皮較薄較脆的果蔬，則對末端執(zhí)行器抓持力的控制要求很高，同時要求夾持系統(tǒng)具有一定柔性，可以補(bǔ)償部分力控制產(chǎn)生的誤差，避免夾持力過大壓傷外表或夾持力過小抓取失穩(wěn)，果蔬掉落。

針對以上原因，本文提出將欠驅(qū)動多指手作為果蔬采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，并分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，說明其可行性。

1　研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向

果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器可分為：純吸盤式、筒式、針式、多指式等幾類。Cho等[1]設(shè)計的生菜收獲機(jī)器人采用了兩指夾持器；圖1為Kutz等[2]研制的移栽機(jī)器人中的兩指平行夾持器；圖2為Ting等[3]開發(fā)的移栽機(jī)器人用兩指氣壓針式夾持器；圖3為Ryu 等[4]設(shè)計的兩指氣動夾持器。

Kondo等[5]設(shè)計的番茄采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器采用吸盤和兩指夾持器結(jié)合形式，如圖4所示，采摘的成功率達(dá)到85%；Monta 等[6]設(shè)計了番茄采摘四指手，由4個90°間隔分布的手指和一個吸引器組成，如圖5所示，每個手指由4節(jié)組成，通過纜繩驅(qū)動；Ling 等[7]設(shè)計了腱纜驅(qū)動的番茄采摘四指手，如圖6所示，手指用復(fù)合材料制成。Kitamura等[8]設(shè)計的甜椒采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器也使用兩指形式，如圖7所示。

浙江工業(yè)大學(xué)提出了一種基于氣動彎曲關(guān)節(jié)的三爪氣動機(jī)械手，通過控制各個彎曲關(guān)節(jié)腔體中的氣壓值來控制手指的彎曲，可用于抓取水果[9]。

Akishi等[10]發(fā)明的氣動兩指手，可用來進(jìn)行抓取橙子之類的水果，通過氣壓使具有多層褶皺結(jié)構(gòu)的手指彎曲，同時使用一個吸盤吸住和保持水果的位置。除了氣壓系統(tǒng)本身固有的不穩(wěn)定性外，手指的褶皺結(jié)構(gòu)層數(shù)太多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難，而且在溫室的濕熱環(huán)境下，由復(fù)合材料制成的褶皺結(jié)構(gòu)壽命會受到很大影響。

實際應(yīng)用中大多數(shù)末端執(zhí)行器是多指式。多指式末端執(zhí)行器屬于機(jī)器人學(xué)中的多指靈巧手研究領(lǐng)域，果實的采摘可以歸結(jié)為多指手對具有不同幾何形狀和外表特性的物體抓取問題。在設(shè)計果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器時必須考慮被采摘果實的生物、機(jī)械等特性以及栽培方式。目前大多數(shù)果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器為兩指，主要用于外形規(guī)則的小型果實；也有一些三指和四指的末端執(zhí)行器，用于外形不規(guī)則或較大的果實[5～11]。

在完成抓取動作后，末端執(zhí)行器還需要將果實與果柄分離。分離方式為切斷或擰斷。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用剪斷果柄而不是擰斷果柄的方式，避免擰斷時給果蔬表面造成傷口，導(dǎo)致病菌侵入使果實腐爛，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但對于某些束狀生長、果柄較短的果實，采用剪斷的方式比較困難[6]。

末端執(zhí)行器中手指和關(guān)節(jié)的數(shù)量與抓取效果密切相關(guān)，數(shù)量越多，末端執(zhí)行器的自由度就越多，抓取動作更為靈活，抓取效果更好。然而在傳統(tǒng)的多指手或末端執(zhí)行器中，驅(qū)動器數(shù)目和關(guān)節(jié)自由度數(shù)目相等，屬于全驅(qū)動機(jī)構(gòu)。因此手指和關(guān)節(jié)數(shù)量的增多意味著驅(qū)動器數(shù)目增加，不僅導(dǎo)致控制困難，還帶來傳動系統(tǒng)的復(fù)雜化，系統(tǒng)制造和維護(hù)成本增加，可靠性降低，能耗上升等負(fù)面影響。

目前果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器基本都是專用的[1～14]，采摘機(jī)器人只能對一種果實進(jìn)行收獲，是采摘機(jī)器人效率難以提高的主要原因，也是制約采摘機(jī)器人未來發(fā)展與應(yīng)用推廣的瓶頸。要突破這一瓶頸，就必須提高末端執(zhí)行器的通用性和靈活性。這就要求增加末端執(zhí)行器中手指和關(guān)節(jié)的數(shù)量，但同時又會帶來系統(tǒng)成本和使用成本大增等負(fù)面影響，這和多指靈巧手的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀也是一致的。盡管20多年來多指靈巧手的理論和實踐研究都取得了顯著進(jìn)步[14～15]，但大多數(shù)的靈巧手系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，通用性差，仍停留在實驗室階段，更難以運(yùn)用到農(nóng)業(yè)工程實踐之中。如何協(xié)調(diào)末端執(zhí)行器的通用性、靈活性和成本之間的矛盾，是果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究發(fā)展的方向。

2　欠驅(qū)動多指手的工作原理及特點(diǎn)

理想的果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：①通用性和靈活性強(qiáng)，無需更換或只需很少的調(diào)整就可以抓取不同類型的果蔬。②系統(tǒng)簡單、成本低、可控性好、易于操作和維護(hù)。③可以實現(xiàn)果蔬的無損采摘。這就要求必須對末端執(zhí)行器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，以結(jié)構(gòu)更為簡單、通用性強(qiáng)的末端執(zhí)行器來實現(xiàn)期望的抓取功能。現(xiàn)代空間機(jī)構(gòu)學(xué)和人手運(yùn)動機(jī)理研究的進(jìn)展為解決這一難題指出了新的方法：欠驅(qū)動多指手。

通常一般機(jī)構(gòu)正常工作的條件是驅(qū)動器數(shù)目等于機(jī)構(gòu)本身自由度，即所謂的全驅(qū)動方式，如常見的6自由度工業(yè)機(jī)器人都具有6個電動機(jī)。當(dāng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器數(shù)目少于機(jī)構(gòu)本身自由度數(shù)目，可依靠機(jī)構(gòu)自身的動力約束條件來正常工作[16]，稱這類機(jī)構(gòu)為欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)。多指手的手指通常有數(shù)個關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)數(shù)就等于該手指機(jī)構(gòu)的自由度，在全驅(qū)動方式下，手指上每個關(guān)節(jié)都必須加裝驅(qū)動器；而在欠驅(qū)動方式下，手指上可以只裝一個驅(qū)動器，依靠彈簧和機(jī)械限位裝置來實現(xiàn)機(jī)構(gòu)正常工作所需的動力約束條件。

以一個兩關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指為例，其工作原理如圖8所示[17]。雖然機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上具有2個自由度，但由于機(jī)構(gòu)設(shè)計中引入了動力約束條件（彈簧 + 機(jī)械限位裝置），使其正常工作時只需要一個自由度。一旦機(jī)構(gòu)運(yùn)動受阻，驅(qū)動力大于動力約束，就啟動另一個自由度。

圖9所示為作者設(shè)計的ZSTU欠驅(qū)動多指手CAD模型。欠驅(qū)動多指手具有2種抓取模式：精確捏取（圖9a，9b）和包絡(luò)抓?。▓D9c，9d）。仔細(xì)分析這2種抓取模式可以發(fā)現(xiàn)，精確捏取模式適用于捏緊果實近端果柄后再切斷遠(yuǎn)端果柄，如葡萄等束狀生長水果；包絡(luò)抓取模式適用于抓住果實后再切斷或擰斷果柄，如蘋果、橙、番茄等球形或類球形水果，以及茄子、黃瓜等長條形水果。這2種模式覆蓋了大多數(shù)常見果蔬的采摘方式。和一般的全驅(qū)動多指靈巧手相比，欠驅(qū)動多指手具有驅(qū)動器數(shù)目少、成本低、控制簡單、可靠性高、體積小而且可實現(xiàn)對物體形狀的自適應(yīng)抓取等特點(diǎn)。欠驅(qū)動多指手這種自適應(yīng)抓取的特點(diǎn)由機(jī)構(gòu)設(shè)計決定，不需要額外的控制。此外，由于欠驅(qū)動多指手手指機(jī)構(gòu)中存在作為動力約束的彈簧/扭簧，使多指手本身具有一定的柔性。通過調(diào)整彈簧剛度來改變整個多指手的柔性，再通過抓取穩(wěn)定性規(guī)劃算法，并與智能力控制方法結(jié)合，可以在不損傷果蔬外表的同時實現(xiàn)穩(wěn)定抓取，最終實現(xiàn)無損采摘。

3　欠驅(qū)動多指手國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前對欠驅(qū)動多指手研究大都集中于機(jī)械構(gòu)型設(shè)計及優(yōu)化方面。如國際上研究欠驅(qū)動多指手處于領(lǐng)先水平的加拿大Laval大學(xué)Gosselin研究組開發(fā)的10自由度欠驅(qū)動三指手[17～26]，只使用2個電動機(jī)驅(qū)動，一個電動機(jī)負(fù)責(zé)3個手指的抓取開合運(yùn)動，另一電動機(jī)完成手指的轉(zhuǎn)向。Laval大學(xué)的欠驅(qū)動多指手[24～26]用于太空操作機(jī)械臂，每個手指含有2組連桿機(jī)構(gòu)，一組用于驅(qū)動手指的開合，另一組機(jī)構(gòu)由2個平行四連桿機(jī)構(gòu)組成，用于保持手指末端的姿態(tài)，使其在與被抓物體發(fā)生接觸前都垂直于手掌，避免將被抓取物體擠出，從而可以增加精確捏取的穩(wěn)定性。而在進(jìn)行包絡(luò)抓取時，通過機(jī)械限制裝置使平行四連桿機(jī)構(gòu)失效，手指末端的姿態(tài)可適應(yīng)物體形狀。由于姿態(tài)保持機(jī)構(gòu)的存在，Laval多指手的整個機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，尺寸是人手的2倍，質(zhì)量為9 kg，最大負(fù)載70 kg，不適用于果蔬采摘。此外，Rodriguze等研制了一臺15自由度單電動機(jī)驅(qū)動的多指手，無需任何傳感器及反饋控制即可實現(xiàn)安全而可靠的抓取[27]；Giovanni等研制了一臺20自由度9個驅(qū)動電動機(jī)的多指手[28]。

國內(nèi)研究單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、合肥智能機(jī)械研究所等。張文增等提出利用手指抓取物體時與物體存在的相互運(yùn)動關(guān)系來設(shè)計欠驅(qū)動多指手[29]；劉宏等研制了四手指13自由度的DLR-HIT欠驅(qū)動多指手，所有驅(qū)動器都集成在手掌中，質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)緊湊，該手還集成了96個傳感器[30]，手指是根據(jù)欠驅(qū)動原理設(shè)計的，靠四連桿機(jī)構(gòu)推動。駱敏舟等研制了錐齒輪差動傳動的三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指并分析了抓取特性[31～32]。劉正士等設(shè)計了基于水下典型操作任務(wù)的欠驅(qū)動手爪[33]。

此外，Gosselin及其同事還對欠驅(qū)動多指手的運(yùn)動學(xué)、抓取穩(wěn)定性、抓取力分析、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計以及基于觸覺和位置傳感器信息的模糊控制等作了系統(tǒng)研究[17～26]。He等研究了欠驅(qū)動多指手的優(yōu)化近似控制[34]。

目前國內(nèi)外欠驅(qū)動多指手的應(yīng)用背景主要是人工假手（清華大學(xué)[29]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[30]、北京航空航天大學(xué)[34]）、海底探測（合肥工業(yè)大學(xué)[33]）、宇航器倉內(nèi)欠驅(qū)動手爪（合肥智能機(jī)械研究所[31～32]）及太空機(jī)器人的末端操作器（Laval University[24～26]）等，尚未見到欠驅(qū)動多指手用于果蔬采摘的報道。

4　結(jié)束語

末端執(zhí)行器的通用性與系統(tǒng)成本、使用成本之間的矛盾是制約采摘機(jī)器人未來發(fā)展與應(yīng)用推廣的關(guān)鍵難題，目前國內(nèi)外對此無論在基礎(chǔ)研究還是在應(yīng)用研究上尚無十分有效的解決思路和方案。采用欠驅(qū)動多指手作為果蔬采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，為突破這一瓶頸提供了新的思路。從系統(tǒng)成本、通用性以及抓取能力各方面綜合考慮，欠驅(qū)動多指手是一種理想的果蔬采摘機(jī)器人通用末端執(zhí)行器。面向果蔬采摘的欠驅(qū)動多指手是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)與現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)的交叉融合，體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)向精細(xì)化、智能化方向的發(fā)展趨勢。目前，果蔬采摘欠驅(qū)動多指手尚無成熟的工程應(yīng)用實踐，及時開展這方面的深入研究具有重要意義。