软体机械手爪在果蔬采摘中的应用研究进展

分类：论文范文 发表时间：2020-02-17 10:42

　　摘要：基于现有的果蔬采摘机械手大多是由刚性元件设计加工而成，存在质量大、柔顺性较差以及作业时容易对果蔬造成伤害等问题，而软体机械手爪（以下简称软体手）是一种由柔性材料制成，可以根据负载变化来改变自身形状和尺寸并且具有无限自由度的新型末端执行器。该文综述了果蔬采摘机械手应具备的特点以及传统采摘机械手的局限性、软体机械手爪的概念、发展现状、在果蔬采摘中的应用等相关问题，归纳了软体机械手爪在果蔬采摘作业中的先进性和优势，并分析了几种常见驱动方式的软体机械手爪在果蔬抓取作动过程中的优缺点，探讨了果蔬采摘装置的建模、控制等相关问题以及未来的发展趋势，可为果蔬无损采摘机械手的研制提供新的思路和方法。

　　关键词：农业机械；机器人；采摘；软体机械手爪；建模与控制

　　0引言

　　果蔬具有丰富的营养物质，是人类生活中必不可少的食物[1]。中国是一个农业大国，从1994年起仅水果产量就已跃居世界首位[2]。根据2003年联合国粮农组织的统计，中国的果蔬年产量约为3.58亿t，约占全世界果蔬年产量的28%[3]，截止2013年果蔬种植面积仍呈波动增长趋势[4]。果蔬采摘是果蔬生产链中最耗时、最费力的一个环节[5]，但目前果蔬采摘作业主要依靠人工完成，存在效率低、成本高、劳动量大等问题。近年来，由于人口老龄化问题导致人力资源严重匮乏，已成为许多发达国家和发展中国家共同面临的问题[2]。人工采摘作业的成本在整个生产成本中所占比例高达33%～50%，因此实现果蔬采摘的自动化作业变得越来越迫切[6-7]。然而，果蔬的生长环境比较复杂，外皮大多较为脆弱，形状也复杂多变[8]，在采摘过程中极易造成损伤，这将直接影响果蔬的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益[9]。因此，研究和开发能够减小果蔬损伤率的机械手对于解放劳动力、提高生产效率以及保证果蔬品质等具有重要意义。在保证稳定抓取的前提下，有效避免机械手对果蔬的损伤、实现柔顺作业，是果蔬采摘机器人技术的研究重点[1,6,8-10]。

　　1软体手的概念及发展现状

　　新型软体手的出现为解决刚性果蔬采摘机械手灵活度差、柔顺性差、自由度受限、复杂环境适应性差等问题提供了新的思路和方法。以气压和线缆作为驱动，德国Festo和北京航空航天大学合作研制了象鼻+章鱼触手[31]（图1a）和气动肌肉[32-33]等。美国哈佛大学Whiteside课题组以弹性硅胶为材料，结合3D打印技术，设计制造了以气动网络为执行器的软体手[34-36]（图1b），具有承压小、变形大[37]、运动灵活，能够与环境实现互容等特点；Ge等[38]提出了一种新的4D打印技术可使软体手具有可控的形状记忆行为；日本东芝公司设计的Toshiba灵巧手[39]（图1c），能够实现抓取、移动物体和拧螺钉等动作，具有较好的柔顺性[40]；北航文力研究组研制的软体手爪可以根据被抓取物体的大小形状调整其有效长度[41]（图1d）；Galloway等[42]设计了基于多气腔结构和纤维增强结构的两款海底生物采样软体手（图1e和1f），可以灵活地实现对海底多种形状生物体的采样。智能材料的运用，可以直接将物理刺激转化为位移，如介电弹性体（dielectricelastomer）[43-44]（图1g）、导电聚合物（electroactivepolymer，EAP）[45-46]、形状记忆合金（shapememoryalloy，SMA）[47]（图1h）、形状记忆聚合物（shapememorypolymer，SMP）[48]等在软体机器人上的应用，具有广阔的发展前景。因此，将软体手应用于水果采摘作业将有望克服传统刚性机械手的缺陷，减小对果蔬的伤害。表1对比了各种机械手的相关特性[30,49]，可以看出软体手更适合于形状多变的果蔬顺应抓取。

　　2果蔬采摘软体手的驱动及应用分析

　　执行器是软体手设计的关键，从根本上决定了软体手的性能。软体手是软体机器人领域的一个分支，其驱动源的类型和结构往往具有相通性[53]。目前较为常用的驱动源主要包括化学反应、电荷刺激、加压流体、弹性材料、形状记忆合金等。与刚性机械手相比，软体手的控制和结构比较简单，操作和安装也很方便，而且具有高度的灵活性、适应性和通用性，能够与被抓取的果蔬形成很好的互容效果。软体手的出现克服了传统果蔬采摘机械手僵硬、环境适应性差等缺陷，具有“一手多用”的功能。根据驱动方式的不同，软体手在果蔬采摘作业中展现出了不同的特点。

　　3果蔬采摘装置的建模与控制

　　3.1果蔬采摘装置的建模

　　建模分析是机械手运动控制的基础。通过分析末端执行器、机械手各运动构件的位置姿态与果蔬之间的关系，构建果蔬采摘的运动学模型，是路径规划、实现稳定抓取控制的基础。运动学模型包括正运动学模型、逆运动学模型和微分运动学模型[91-92]，而对果蔬采摘机械手的运动学建模研究主要是正运动学建模。文献[42]表明这种方法相对比较简单，即在给定关节角度和速度的情况下可实现末端执行器的有效抓取。但对于软体手物理模型的建立是一项极具有挑战的工作。由于自身材料特性和连续的形变，无法像刚体运动学那样利用杆件长度和夹角进行求解[93]，即使最简单的正运动学也无法直接套用公式进行求解。根据软体手以恒定曲率变形的特点，Jones等在常曲率假设的基础上，运用改进的D-H模型和几何分析研究出一套分段常曲率（piecewiseconstantcurvature，PPC）理论模型[94-95]，这种方法比较适合连续体机械臂和软体手指等细长结构，虽然大多数柔性细长体结构弯曲时并不是完全由圆弧组成，但可作近似圆弧处理。Duriez等[96]提出了基于有限元分析的可变固体力学的实时建模方法，该方法既可以对软体机器人的工作环境进行仿真，也可对机器人进行逆运动学控制。Polygerinos[16]提出了针对线性增强型气压执行器的分析模型，该模型可用于基于超弹性材料的加压流体执行器，为软体执行器的设计提供了理论支持。拉线软体执行器有较多的建模方法[97]，这些方法允许曲率产生变化，如雅克比法和神经网络法[53,98]等。此外，根据软体手具体的工作环境和操作对象的不同，也可利用材料本身的性质与试验数值分析方法建立执行器的作动输出与输入的函数关系。由于软体材料的变形具有非线性、涉及多学科交叉等问题，因此对其进行精确的建模还需要进一步的尝试。

　　3.2果蔬采摘装置的控制

　　装置的灵活性对于果蔬采摘工作至关重要，而果蔬采摘机械手能够像人手一样灵活的抓取和采摘离不开控制系统[99]。果蔬采摘机械手的控制通常可以分3层：单手指控制层、多手指协调运动控制层和目标轨迹跟踪层[100]。机械手对目标果蔬进行抓取时，其指尖的位置信息和力信息是控制系统必要的反馈信息。因此，基于刚性元件的控制系统，对于反馈信息的实时性和精确度有较高的要求，这就增加了控制系统的难度。近年来，国内外学者在软体手的闭环控制相关研究方面进行了很多探索，如Fei等[101]首次提出了由4个柔性传感器组成的闭环反馈控制系统，并在滚动软体机器人中得到了应用；Kang等[102]设计了利用惯导IMU（inertialmeasurementunit）监控气动肌肉动作的闭环控制系统。因此，对于软体手的运动控制，可利用微型或柔性传感器反馈关节角度，结合自适应控制率，实现软体手适应采摘果蔬大小和形状的抓取作业。软体手的柔顺性允许其通过形变适应形状不同或不确定的采摘对象，降低了对末端执行器输出力控制的要求，简化了软体手的控制[103]。根据果蔬果皮特点的差异，所选择的控制方式也不相同。开环控制方式可充分利用材料的柔顺性降低输出力的控制精度，适合操作像白菜、苹果和梨等外皮有一定耐压能力的果蔬；而像草莓、葡萄等外皮较为脆软的果蔬选择闭环控制更为安全。软体手的控制系统具有一定的开放性，可在不同的机器人本体上得到应用和扩展[104]。然而，软体手具有无限的自由度与有限的执行器，使得控制计算量比较大，无法实现精确和实时控制，因而还没有适用于软体机器人的通用控制理论[82]，因此还需对果蔬采摘中的控制算法进行深入研究。

　　4果蔬采摘装置的发展趋势

　　近年来国内外学者围绕果蔬采摘技术做了很多研究，研制出了多种果蔬采摘机械手，但大多数由于采摘专一性高、效率低、损坏率高、装置复杂和造价昂贵等因素未能实现真正的商业化，缺少实用价值。因此，针对果蔬生长的特点，果蔬采摘装置需要具备采摘效率高、损坏率低、结构简单和成本低等特性。采用软体手作为果蔬采摘机器人的末端执行器可较理想地满足果蔬采摘的需求。但软体手也需要刚性材料作为支撑完成采摘作动。因此，随着研究的快速发展，基于单一材料的采摘装置将会逐步受限，取而代之的将是结合智能材料、生物材料等多种材料的复合体[105]。同时要考虑到如果采摘手的柔顺性过高，在遇到枝叶等稠密障碍物时，执行器易发生弯曲从而造成抓取失败，这意味着果蔬采摘装置须具备良好的柔顺性、较高的通用性和感知能力。因此，通过刚性和柔性材料融合的“共融技术”，利用信息融合理论建立果蔬采摘控制策略，实现柔顺性采摘，是未来果蔬采摘装置的主要发展趋势。随着微型传感器和电子皮肤[106-107]等技术的发展，多技术融合的智能化果蔬采摘软体手将是未来果蔬采摘机械手的发展方向。此外，由于果实的随机性和所处的非结构环境，自然生长的果实并不利于末端执行器进行采摘作业。因此，为了提高生产效率，可通过改进果实的栽植方式、对采摘的果树进行适当的修剪[6]以及搭建支架等方式以便于末端执行器高效、准确的对果实进行采摘。

　　5结论与展望

　　目前，大部分果蔬采摘机械手依然采用传统的刚性机械手或欠驱动机械手，控制精度要求高、操作难度大、通用性差，不能有效地实现对多种果蔬的无损采摘。新一代软体操作手具有较高的灵活性和环境适应性，在农产品的抓取和采摘作业中具有广泛的应用前景。利用软体手作为果蔬采摘机器人的末端执行器，为果蔬的无损采摘提供了新的解决方案，同时也有利于软体机器人的发展。尽管在软体手的建模、控制和应用方面还有很多问题需要解决，但它已经带来了现代果蔬采摘机械手发展的新契机。本文通过对几种常见软体手的结构特点和作动方式的对比分析，发现气动软体手和介电弹性软体手能够更好地克服果蔬采摘的难点。气动软体手的作动特点较好地符合了理想果蔬采摘机械手的要求，能够实现对果蔬的包络和无损采摘，并且具有控制简单、操作容易、安全性高等特点。不仅如此，气动软体手简单的结构更容易让果农接受和使用，因此气动软体手有望更好地应用于果蔬采摘作业中。

　　面向果蔬采摘的软体手是农业装备技术与软体机器人的交叉融合，说明农业装备技术正朝着人-机器-环境共融的方向发展，因此软体手在果蔬采摘中的应用将使果蔬的无损采摘成为可能。

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