果蔬采摘末端执行器的研究分析与发展趋势

张跃跃， 周佳良， 胡皓若， 王金鹏

(南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

近十年来，我国水果产量基本呈现稳步增长的状态，水果种植区域越来越规范化，截至2020年全国水果总产量2.87亿t，高居世界首位[1]。我国在水果产业取得了巨大发展，但仍然存在着科技含量低、人工成本高、采摘不够及时等一系列问题[2-3]。由于采摘机器人应用场景存在着复杂性和不确定性，导致与工业机器人相比研发难度更大。我国对采摘末端执行器的研究尚处于成长期，虽然国外对采摘机器人研究起步比较早，但采摘机器人的研究需要多学科、多领域共同协作，致使目前绝大多数水果采摘机器人未端执行器还处于试验研究阶段[4]。因此，研究适用于水果采摘的末端执行器以用于提高采摘采效率，降低水果采摘的成本具有重要意义[5]。

1 果蔬采摘末端执行器国内外研究现状

1.1 果蔬采摘末端执行器抓取方式分类

在采摘作业环节中，水果采摘末端执行器对果实抓取方式主要有夹持式、吸入式、吸持式[6]。夹持式的采摘末端执行器是通过夹持实现对果实的稳固，夹持式末端执行器有两指、三指、多指、筒状等类型，大多数夹持式为刚性夹持，对表皮较薄易损坏的水果采用柔性夹持，夹持式的通用性比较强，适用于绝大多数水果。采用吸入式的采摘末端执行器是通过吸盘等方式通过真空负压原理对果实进行吸取，实现对果实采摘，这种方式适用于果梗与果实接触力比较小的果实。采用吸持式的采摘末端执行器是夹持式与吸入式相结合，通过吸盘将果实吸住，然后通过夹持进一步稳固果实，此方式适用于簇拥生长的果实，避免了对其他果实以及叶片枝条的损伤。

1.1.1 夹持式末端执行器

德国Festo公司[7]设计了两指苹果采摘末端执行器如图1所示，由陶瓷球体的薄膜夹片构成的两指，当果实被夹住后，通过拉伸或者旋转将果实与果柄分离。2015 年瓦赫林根大学[8]设计了一款用于甜椒采摘的末端执行器，该末端执行器采用两对相对称的三角形柔性手指对果实进行夹持，使用柔性材料后的手指对甜椒表皮损伤较小。Davidson 等[9]设计的三指苹果采摘末端执行器如图 2所示，夹持机构内侧安装有橡胶垫，降低对果实的损伤，采用拉动线缆使手指弯曲夹持苹果，通过旋转将果梗扭断。Tortga AgTech 公司设计的草莓采摘机器人，其末端执行器是由柔软的材料制成，可实现对草莓的柔顺采摘[10-11]。华南农业大学陈燕[12]设计了荔枝末端执行器，采用夹剪一体式结构，采用单动力源，减少末端质量，夹持手指随刀片闭合夹持果梗。

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图1 苹果采摘末端执行器

图2 苹果采摘末端执行器

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1.1.2 吸入式末端执行器

美国Abundant Robotics 公司[13]研发设计苹果采摘机器人如图 3所示，该采摘机器人通过真空抽吸系统将果实吸入内部，采摘效率比较高[14-15]。日本久保田[16]研究了一款理发推子形状的柑橘采摘末端执行器如图 4所示，它通过气动吸盘吸取柑橘到梳状罩中，并使理发推子刀片旋转切断果梗，该方法可以减小对果实的损伤。南京农业大学刘苏瑶[17]设计了褐菇采摘机器人，该机构在工作时，进、出气口同时开启，通过控制单片机STM模块，对吸盘进行控制，实现对褐菇的采摘。

图3 苹果采摘机器人

图4 柑橘采摘末端执行器

由此可见，随着工业技术的发展进步和对果蔬采摘问题自动化、智能化需求的增加，果蔬采摘末端执行器相较于过去已经取得了一定的进步，但目前仍存在诸多问题，如：

王晓楠等[18]设计的番茄采摘机器人如图 5所示，通过负压吸力将番茄吸入到套筒内，然后气囊将其夹紧，最后套筒在旋转电机带动下实现果实与果柄分离。Baeten等[19]设计的苹果采摘末端执行器如图 6所示，当夹持器接近苹果过程中，苹果就被吸到夹持器处，通过旋转使果实与果柄分离[20]。Peter P Ling和Reza Ehsani等[21]设计的西红柿采摘机器人，真空吸盘将果实吸住，夹持装置由电机带动线缆进行夹持。Kanae[22]研制的樱桃采摘末端执行器，采摘时首先通过吸附装置吸取，果实果柄通过两只对称手指加紧对其进行折断。

(5)存在漏采现象。有些果实受到叶片、枝条遮挡不易被发现会存在漏采现象，对于成熟的果实，如不及时采摘会造成损失。

图5 番茄采摘机器人末端执行器

图6 漏斗状真空苹果夹持器

1.2 果蔬采摘方式

水果采摘末端执行器采摘方式有两种类型，一类是外加分离装置采用剪刀、刀片、圆锯片、激光等，此方式适用于果梗与果实接触力较大的果实：另一类是通过扭、拧、拉等方式对果实进行采摘，该方式适用于果梗与果实接触力比较小的果实。

1.2.1 外加分离装置

江苏大学Zhao De-an等[23]研制了苹果采摘末端执行器，通过电机驱动夹持机构稳固果实，再通过旋转的刀片对果柄进行切断。江苏大学刘继展等[24]设计了番茄采摘机器人如图 7所示，该机器人剪切方式为通过非接触式的激光进行剪切，减少植株之间病菌的传染和果实的水分流失等问题。意大利卡塔尼亚大学的G.Muscato等[25]开发的柔性三指夹持柑橘的末端执行器如图 8所示，在视觉的识别定位下柔性三指末端执行器靠近并夹住果实，利用圆锯片对果柄进行剪切[26-27]。2021年秦雪静[28]设计柑橘采摘末端执行器。该机构由负压吸盘吸取果实，稳固后通过单个气缸驱动一对刀片咬合，对果柄进行剪切。

图7 番茄采摘末端执行器

图8 柑橘软体采摘末端执行器

管道的运行温度为60 ℃，无保温层且所处环境较温和，查表5得碳钢外部腐蚀速率为0.05 mm/a，在该腐蚀速率的基础上，需要进一步考虑管道实际情况，修正腐蚀速率。综合考虑管道无涂层、无支管、有管托和无界面补偿，最终得到腐蚀速率Cr=0.05×1.0×2.0×1.0=0.1 mm/a，进而得到Art=0.03，最后得到

Henry A.M.Williams等[29]研制了一种自动识别的四自由度猕猴桃采摘机器人如图 9所示，视觉系统安装在移动小车上，末端执行器在抓住果实时，将果实向上抬起一点再通过旋转一定角度，将猕猴桃从果茎结合处折断，将果实送入到滑槽中进入到收集装置[30-32]。Bulanon等[33]设计的苹果采摘末端执行器，采用电机一驱动夹持装置对果柄进行夹持，电机二驱动夹持器对果柄进行折断。

叶晓晓还是犹豫不决。倒是摄影家很有经验，他叫来了女助手，让女助手先脱了，摆出不同的姿势拍了几张，叶晓晓的紧张才得以缓解。女助手很自然地走过来，扯下了她身上的浴巾。

1.2.2 自身分离

图9 猕猴桃采摘采摘末端执行器

2 果蔬采摘末端执行器的驱动方式

目前末端执行器的动力驱动方式主要有电机驱动、气缸驱动、混合驱动等方式。绝大多数水果采摘末端执行器采用电机驱动，但电机驱动增加了采摘时间，近年来采用气缸作为动力源的案例逐渐增加，气缸驱动剪切可在一瞬间完成，提高了剪切效率，但气缸驱动机构运动行程较短，比较有局限性，采用混合驱动可以弥补以上两种驱动方式的不足。

2.1 电机驱动的末端执行器

西北农林科技大学戎毫[34]设计了猕猴桃采摘末端执行器，工作时三个步进电机分别负责驱动丝杠运动带动V型手指夹持果实，带动拟人夹指夹住果柄、通过丝杠螺母传动带动机架整体向前推进实现果实与果柄分离。重庆邮电大学魏博等[35]设计了柑橘采摘末端执行器，抓握电机驱动手指弯曲对果实抓取，接着旋转电机带动整个手爪旋转将果实拧下来，完成对果实的采摘。李国立[36]在2017年设计的桶状末端执行器如图 10所示该桶状末端执行器用于对苹果采摘，工作时计算机视觉定位使机械臂将采摘末端送入到接果器附近，刀片和拢果器在电机带动下将果实进一步赶入拢果器中，位置传感器检测到果实完全进入拢果器当中时机械臂停止运动；接着刀片与拢果器啮合将果柄剪断。

图10 筒状末端执行器

2.2 气缸驱动的末端执行器

2019年重庆大学王毅[37]基于仿生学原理设计的仿蛇嘴的咬合式末端执行器如图 11所示，通过做实验得出了最佳采摘姿态。剪切机构使用了对称的摇杆机构，动力装置采用气缸，通过两侧气缸的摆动实现刀片的咬合，对果柄进行剪切；提高了采摘效率。西北农林大学张曼等[38]设计了草莓采摘末端执行器，采用单气缸驱动的方式，剪短果柄的同时夹住连接果实的果柄。

图11 咬合式末端采摘执行器

2.3 混合驱动的末端执行器

中国农业大学张帆等[39]设计的温室黄瓜采摘机器人如图 12所示，该手爪由软体材料制成，工作时，双目相机对果实定位，并引导末端执行器运动到黄瓜附近，叶片推挡机构将叶片推开，让果柄外露，红外传感器对采摘点再次定位，柔性手指夹持黄瓜，用摆动的气缸对果实进行剪切。中国农业大学徐丽明等[40]设计了脐橙采摘末端执行器如图 13所示，该末端执行器由吸附装置、夹持、剪切机构组成，通过下气缸为吸盘提供动力吸取果实，夹持机构由电机带动丝杠对果实进行夹持并进一步稳固，剪切机构动力由上气缸提供，该末端执行器采摘效率较高，但用于果柄较短的果实可能会导致采摘失败。

图12 黄瓜采摘机器人末端执行器

图13 脐橙采摘机器人末端执行器

综上所述，目前绝大多数末端执行器还处于试验阶段，存在一定不足，未能真正投入到水果采摘方面。如表 1典型采摘末端执行器及其参数对比，不同末端执行器工作原理、驱动方式不同，致使末端执行器在采摘效率方面差别很大，绝大多数夹持式采摘末端执行器采用先夹持后剪切或者扭断等方式，采摘时间较长，且对于表皮较薄的果实会有一定的损伤，不易储存。非夹持式采摘末端执行器如咬合式、真空泵吸入式等结构，由于少了夹持环节提高了单果采摘效率。以电机作为动力源的采摘末端执行器相比较于气缸、真空泵等为动力源在水果采摘方面增加了采摘时间。

3 果蔬采摘末端执行器发展趋势及展望

1.1.3 吸持式末端执行器

(3)采摘损伤大。有些水果皮薄易破，采摘下来的水果表面损伤，会导致果实存放不久，有时也会对叶肉、枝条有一定的损伤。

(1)结构复杂。目前采摘末端执行器结构比较复杂不够灵活，机械臂难以承受较重的末端执行器，即使可以安装在机械臂上，由于末端比较重，采摘过程会出现上下晃动，影响采摘效果，对于比较复杂末端执行器，不仅剪切时间长而且制造成本较高，不适用于水果采摘。

(2)作业环境影响采摘效果。采摘过程中叶片遮挡水果不易识别，果实簇拥重叠，果梗较短，不易剪切，并且受天气影响较大，天气的变化会影响视觉系统的效果，进而影响剪切。

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那一刻，我估计我是疯了，要么就是不想活。我刺激他，希望他追上来打我。他虽然腿跛，但我年少，他打我还是没问题的。他就是打不过，我也不能还手。我若还手，就是反上，要遭全村子人的唾弃。

我们在分析完林毅夫教授的“三归纳”法和我们课上讲的关于资料分析加工的方法之后，我们可以看出，两者在对事物进行研究的时候都同时采用了“横向与纵向”的分析方法，说明这两种研究方法非常重要，无论是在经济学领域还是在教育学领域，所以我们在以后的教育研究重要好找掌握这两种研究方法，并且也要牢记老师在课上指出的注意事项，这样才能让这两种研究方法发挥更好的作用。

(4)采摘效率低。目前水果采摘末端执行器大多不能实现多果同时采摘，一般也不适用于采摘不同种类的水果，在实际采摘时对于采摘机器人来说，单果采摘耗时长，效率低。

由于ASOM和MDOS中都要求记录仪器巡查情况,本软件主要以提醒为主,没有要求更详细的记录,只是记录了简单的巡查时间和巡查人,方便值班员留痕。

针对果蔬采摘末端执行器在采摘过程中的不足，结合目前采摘末端执行器分析，本文提取了近几年149篇果蔬采摘相关期刊、论文，并对其中比较重要的关键词进行归纳梳理如表1和表2所示。

表1 典型采摘末端执行器及其参数对比

表2 果蔬采摘相关文献中具有实质意义的关键词

结合目前果蔬采摘现状，参考表2对关键词的分析梳理后不难看出，当前果蔬机械化采摘热点仍是采摘机器人与末端执行器。本文依据现有研究分析总结采摘机器人与末端执行器的发展现状并进一步提出果蔬采摘机械化发展方向：

(1)减轻末端执行器质量。末端执行器需要实现准确、快速采摘，并且采摘时不破坏水果。因此在设计末端执行器时结构要简单轻便，欠驱式是未来发展方向。

(2)增强抓取的自适应性。水果的形状各不相同，经常出现不规则形状。目前大多数采摘机器人的结构均采用硬质材料，它们的运动是确定的，柔性形状自适应抓手可以增加接触面，降低损伤风险，提供稳定的抓手。

(3)提高采摘机器人的通用性。末端执行器若能适用于物理特性相似的多种水果的采摘，将可以提高采摘效率，降低采摘成本。

(4)降低漏采率。针对叶片遮挡不易发现的果实等问题，设计拨叶装置配合吸持装置将叶片枝条拨开，配合视觉系统，吸附装置将果实吸附出来，然后对果实进行剪切。

在线测量是在混合机机壳的特定位置安装有水分在线检测仪，以一定时间间隔自动检测混合机内物料的水分含量，并将检测结果自动传送给生产线水分添加系统的自动控制系统，经与设定的目标值比较后自动确定在混合机内喷加的水分量和调质过程中需要添加的水分（蒸汽）量及相关控制参数。目前已经在饲料混合机上应用的在线水分检测仪有多用途近红外检测仪，激光在线水分测定仪以及微波在线水分检测仪等。其中近红外多用途检测仪可以同时检测水分、粗蛋白、粗脂肪等，有着更广泛的用途。

(5)减少水果表面损伤、提高采摘效率。采用咬合式末端执行器以避免夹持式末端执行器对水果带来损伤，减少采摘时间，提高采摘效率，同时也降低了对视觉方面的要求，结合不同的驱动方法，不同类型的材料，集刚性与柔性一体化的末端执行器可减少对水果表面的损伤，采用混合驱动方式也可弥补单一的电机驱动方式存在采摘时间较长的不足。

(6)提高智能化。多传感器、多自由度、智能的灵巧型采摘末端执行器，在外形和运动范围上都能与人工采摘效果相匹配，为水果采摘提供装备支撑。

4 总结

本文对国内外水果采摘末端执行器现状进行了综合分析与梳理，我国对采摘末端执行器的研究尚处于成长期，虽然国外对采摘机器人研究起步比较早，拥有较多不同类型的采摘末端执行器，但采摘机器人的研究需要多学科、多领域共同协作，技术难度较大，致使目前绝大多数水果采摘机器人未端执行器还处于试验研究阶段。许多果蔬采摘末端执行器依然采用刚性夹持的采摘方式，存在着灵活性差，结构复杂、通用性差等问题，这些制约了果蔬机械化采摘的发展，因此，研究结构简单、灵活方便、智能化的末端执行器并集成移动平台、收集装置形成一体化的智能采摘装备是未来发展的方向。近年来，随着国家对智慧农业装备研究力度的逐渐增大，机器视觉、图像处理、控制系统等智能化研究技术的不断成熟，这些技术若能与果蔬采摘末端执行器很好地结合，果蔬采摘机械化、智能化将会很快地成为现实。