果蔬采摘机器人末端执行器研究综述‡‡‡



果蔬采摘机器人末端执行器研究综述‡‡‡

李秦川1，胡挺1，武传宇1，胡旭东1，应义斌2

（1. 浙江理工大学机电研究所，杭州310018；2. 浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州310027）

摘编自《农业机械学报》2008年3期：175~186页，图、表、参考文献已省略。

由于果蔬的外表较为脆弱，而它的形状及生长状况复杂，因此末端执行器的设计通常被认为是农业机器人的核心技术之一[1]。在机器人采摘过程中果蔬外表发生损伤的主要原因有：① 果蔬位置识别或机械臂控制规划有误，导致末端执行器划伤或刺伤果蔬外表。② 末端执行器放置果蔬时，新采摘的果蔬与已采摘的果蔬发生碰撞，外表发生挤压伤。③ 末端执行器抓取或夹持力过大，压伤果蔬外表。④ 末端执行器抓取不稳定，果蔬掉落，与地面或其他坚硬物体接触而碰伤外表。

原因①、② 主要与机械臂的控制规划和图像识别处理系统有关；原因③、④ 则与末端执行器及其驱动方式、传动系统和控制系统的特性相关。对于原因③，不同的果蔬其外表特性不同，对于橙、柚等外表皮较厚且富弹性的果蔬，夹持力稍大也不致压伤外表；对于番茄、草莓、茄子、苹果等外表皮较薄较脆的果蔬，则对末端执行器抓持力的控制要求很高，同时要求夹持系统具有一定柔性，可以补偿部分力控制产生的误差，避免夹持力过大压伤外表或夹持力过小抓取失稳，果蔬掉落。

针对以上原因，本文提出将欠驱动多指手作为果蔬采摘机器人的末端执行器，并分析国内外研究现状，说明其可行性。

1　研究现状与发展方向

果蔬采摘机器人末端执行器可分为：纯吸盘式、筒式、针式、多指式等几类。Cho等[1]设计的生菜收获机器人采用了两指夹持器；图1为Kutz等[2]研制的移栽机器人中的两指平行夹持器；图2为Ting等[3]开发的移栽机器人用两指气压针式夹持器；图3为Ryu 等[4]设计的两指气动夹持器。

Kondo等[5]设计的番茄采摘机器人的末端执行器采用吸盘和两指夹持器结合形式，如图4所示，采摘的成功率达到85%；Monta 等[6]设计了番茄采摘四指手，由4个90°间隔分布的手指和一个吸引器组成，如图5所示，每个手指由4节组成，通过缆绳驱动；Ling 等[7]设计了腱缆驱动的番茄采摘四指手，如图6所示，手指用复合材料制成。Kitamura等[8]设计的甜椒采摘机器人的末端执行器也使用两指形式，如图7所示。

浙江工业大学提出了一种基于气动弯曲关节的三爪气动机械手，通过控制各个弯曲关节腔体中的气压值来控制手指的弯曲，可用于抓取水果[9]。

Akishi等[10]发明的气动两指手，可用来进行抓取橙子之类的水果，通过气压使具有多层褶皱结构的手指弯曲，同时使用一个吸盘吸住和保持水果的位置。除了气压系统本身固有的不稳定性外，手指的褶皱结构层数太多，结构复杂，控制困难，而且在温室的湿热环境下，由复合材料制成的褶皱结构寿命会受到很大影响。

实际应用中大多数末端执行器是多指式。多指式末端执行器属于机器人学中的多指灵巧手研究领域，果实的采摘可以归结为多指手对具有不同几何形状和外表特性的物体抓取问题。在设计果蔬采摘机器人末端执行器时必须考虑被采摘果实的生物、机械等特性以及栽培方式。目前大多数果蔬采摘机器人末端执行器为两指，主要用于外形规则的小型果实；也有一些三指和四指的末端执行器，用于外形不规则或较大的果实[5～11]。

在完成抓取动作后，末端执行器还需要将果实与果柄分离。分离方式为切断或拧断。在条件允许的情况下，应尽量采用剪断果柄而不是拧断果柄的方式，避免拧断时给果蔬表面造成伤口，导致病菌侵入使果实腐烂，例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但对于某些束状生长、果柄较短的果实，采用剪断的方式比较困难[6]。

末端执行器中手指和关节的数量与抓取效果密切相关，数量越多，末端执行器的自由度就越多，抓取动作更为灵活，抓取效果更好。然而在传统的多指手或末端执行器中，驱动器数目和关节自由度数目相等，属于全驱动机构。因此手指和关节数量的增多意味着驱动器数目增加，不仅导致控制困难，还带来传动系统的复杂化，系统制造和维护成本增加，可靠性降低，能耗上升等负面影响。

目前果蔬采摘机器人末端执行器基本都是专用的[1～14]，采摘机器人只能对一种果实进行收获，是采摘机器人效率难以提高的主要原因，也是制约采摘机器人未来发展与应用推广的瓶颈。要突破这一瓶颈，就必须提高末端执行器的通用性和灵活性。这就要求增加末端执行器中手指和关节的数量，但同时又会带来系统成本和使用成本大增等负面影响，这和多指灵巧手的研究和应用现状也是一致的。尽管20多年来多指灵巧手的理论和实践研究都取得了显著进步[14～15]，但大多数的灵巧手系统复杂，成本高，通用性差，仍停留在实验室阶段，更难以运用到农业工程实践之中。如何协调末端执行器的通用性、灵活性和成本之间的矛盾，是果蔬采摘机器人末端执行器研究发展的方向。

2　欠驱动多指手的工作原理及特点

理想的果蔬采摘机器人末端执行器应该具备以下特点：①通用性和灵活性强，无需更换或只需很少的调整就可以抓取不同类型的果蔬。②系统简单、成本低、可控性好、易于操作和维护。③可以实现果蔬的无损采摘。这就要求必须对末端执行器进行创新设计，以结构更为简单、通用性强的末端执行器来实现期望的抓取功能。现代空间机构学和人手运动机理研究的进展为解决这一难题指出了新的方法：欠驱动多指手。

通常一般机构正常工作的条件是驱动器数目等于机构本身自由度，即所谓的全驱动方式，如常见的6自由度工业机器人都具有6个电动机。当机构的驱动器数目少于机构本身自由度数目，可依靠机构自身的动力约束条件来正常工作[16]，称这类机构为欠驱动机构。多指手的手指通常有数个关节，关节数就等于该手指机构的自由度，在全驱动方式下，手指上每个关节都必须加装驱动器；而在欠驱动方式下，手指上可以只装一个驱动器，依靠弹簧和机械限位装置来实现机构正常工作所需的动力约束条件。

以一个两关节欠驱动手指为例，其工作原理如图8所示[17]。虽然机构结构上具有2个自由度，但由于机构设计中引入了动力约束条件（弹簧 + 机械限位装置），使其正常工作时只需要一个自由度。一旦机构运动受阻，驱动力大于动力约束，就启动另一个自由度。

图9所示为作者设计的ZSTU欠驱动多指手CAD模型。欠驱动多指手具有2种抓取模式：精确捏取（图9a，9b）和包络抓取（图9c，9d）。仔细分析这2种抓取模式可以发现，精确捏取模式适用于捏紧果实近端果柄后再切断远端果柄，如葡萄等束状生长水果；包络抓取模式适用于抓住果实后再切断或拧断果柄，如苹果、橙、番茄等球形或类球形水果，以及茄子、黄瓜等长条形水果。这2种模式覆盖了大多数常见果蔬的采摘方式。和一般的全驱动多指灵巧手相比，欠驱动多指手具有驱动器数目少、成本低、控制简单、可靠性高、体积小而且可实现对物体形状的自适应抓取等特点。欠驱动多指手这种自适应抓取的特点由机构设计决定，不需要额外的控制。此外，由于欠驱动多指手手指机构中存在作为动力约束的弹簧/扭簧，使多指手本身具有一定的柔性。通过调整弹簧刚度来改变整个多指手的柔性，再通过抓取稳定性规划算法，并与智能力控制方法结合，可以在不损伤果蔬外表的同时实现稳定抓取，最终实现无损采摘。

3　欠驱动多指手国内外研究现状

目前对欠驱动多指手研究大都集中于机械构型设计及优化方面。如国际上研究欠驱动多指手处于领先水平的加拿大Laval大学Gosselin研究组开发的10自由度欠驱动三指手[17～26]，只使用2个电动机驱动，一个电动机负责3个手指的抓取开合运动，另一电动机完成手指的转向。Laval大学的欠驱动多指手[24～26]用于太空操作机械臂，每个手指含有2组连杆机构，一组用于驱动手指的开合，另一组机构由2个平行四连杆机构组成，用于保持手指末端的姿态，使其在与被抓物体发生接触前都垂直于手掌，避免将被抓取物体挤出，从而可以增加精确捏取的稳定性。而在进行包络抓取时，通过机械限制装置使平行四连杆机构失效，手指末端的姿态可适应物体形状。由于姿态保持机构的存在，Laval多指手的整个机构较为复杂，尺寸是人手的2倍，质量为9 kg，最大负载70 kg，不适用于果蔬采摘。此外，Rodriguze等研制了一台15自由度单电动机驱动的多指手，无需任何传感器及反馈控制即可实现安全而可靠的抓取[27]；Giovanni等研制了一台20自由度9个驱动电动机的多指手[28]。

国内研究单位主要有哈尔滨工业大学、清华大学、北京航空航天大学、合肥智能机械研究所等。张文增等提出利用手指抓取物体时与物体存在的相互运动关系来设计欠驱动多指手[29]；刘宏等研制了四手指13自由度的DLR-HIT欠驱动多指手，所有驱动器都集成在手掌中，质量小，结构紧凑，该手还集成了96个传感器[30]，手指是根据欠驱动原理设计的，靠四连杆机构推动。骆敏舟等研制了锥齿轮差动传动的三关节欠驱动手指并分析了抓取特性[31～32]。刘正士等设计了基于水下典型操作任务的欠驱动手爪[33]。

此外，Gosselin及其同事还对欠驱动多指手的运动学、抓取稳定性、抓取力分析、参数优化设计以及基于触觉和位置传感器信息的模糊控制等作了系统研究[17～26]。He等研究了欠驱动多指手的优化近似控制[34]。

目前国内外欠驱动多指手的应用背景主要是人工假手（清华大学[29]、哈尔滨工业大学[30]、北京航空航天大学[34]）、海底探测（合肥工业大学[33]）、宇航器仓内欠驱动手爪（合肥智能机械研究所[31～32]）及太空机器人的末端操作器（Laval University[24～26]）等，尚未见到欠驱动多指手用于果蔬采摘的报道。

4　结束语

末端执行器的通用性与系统成本、使用成本之间的矛盾是制约采摘机器人未来发展与应用推广的关键难题，目前国内外对此无论在基础研究还是在应用研究上尚无十分有效的解决思路和方案。采用欠驱动多指手作为果蔬采摘机器人的末端执行器，为突破这一瓶颈提供了新的思路。从系统成本、通用性以及抓取能力各方面综合考虑，欠驱动多指手是一种理想的果蔬采摘机器人通用末端执行器。面向果蔬采摘的欠驱动多指手是传统农业装备技术与现代机器人学的交叉融合，体现了农业装备技术向精细化、智能化方向的发展趋势。目前，果蔬采摘欠驱动多指手尚无成熟的工程应用实践，及时开展这方面的深入研究具有重要意义。