本文节选自：
吴剑桥, 范圣哲, 贡亮, 苑进, 周强, 刘成良. 果蔬采摘机器手系统设计与控制技术研究现状和发展趋势[J]. 智慧农业(中英文), 2020, 2(4): 17-40.
WU Jianqiao, FAN Shengzhe, GONG Liang, YUAN Jin, ZHOU Qiang, LIU Chengliang. Research statusand development direction of design and control technology of fruit andvegetable picking robot system[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 17-40.
采摘机械抓手
抓手结构的分类
机械抓手也称为末端执行器，用来完成与目标果实对接和果实采摘动作。目前主流的采摘抓手可以分为包裹型抓手和夹持型抓手。它们最大的区别是与作用对象的对接方式不同。本文将抓手与果实的对接方式称之为仿形结构。包裹型抓手的作用对象是果实的整个外表面，这种对接方式称之为面仿形，如图1（a）和图1（b）所示。而夹持型抓手的作用对象通常是果实母枝的某个采摘点，这种对接方式称之为点仿形，如图1（c）和图1（d）。
图 1 包裹型抓手和夹持型抓手
汇总两种仿形设计典型的抓手如下表1所示。
表 1 面仿形和点仿形两种仿形设计典型抓手汇总
夹持型抓手主要为切割式采摘，大多为刚性结构。例如为实现草莓的机械化采摘，史慧文等设计了一种草莓采摘机械手爪。该手爪上安装有摄像头，使用电机驱动，采用齿轮传动，并采用丝杠控制手指的闭合，具有简单可靠的特点。包裹型抓手主要是拟人手采摘，其形式非常多样。传统的包裹型抓手是刚性材料制成的，为避免对果实的损伤，部分抓手还会增加一些缓冲材料。为解决传统机械抓取草莓时极易损伤果实的问题，Dimeas等设计了一种草莓采摘抓手，对草莓进行了力学分析，并最终确定侧面夹取式为最佳方案。他还对采摘过程进行了运动学分析，确定了抓手的参数，并采用3D打印技术制造抓手进行试验，这种抓手在刚性材料的基础上增加了缓冲材料，能在一定程度上减少对果实的损伤。
除传统的刚性机械手外，还有许多软体抓手，软体抓手与刚性抓手最大的不同是施力部分完全采用软体材料。为实现苹果的机械化采摘并减少对果实的损伤，Setiawan等设计了一种气动控制的苹果采摘装置，该装置能在0.4 bar的气压下夹住苹果，且几乎不会对苹果造成损伤。但是严格而言这种装置是圆柱形的夹具，体积较大且笨重，与理想的末端执行器还有所差距。作为流体领域的先驱，德国的Festo公司曾设计过一种带有微小吸盘的仿章鱼触手，这种抓手能够适应各种形状的物体表面，在缠绕物体的同时吸附物体的表面，具有很好的自适应性和稳定性。国内方面，北京软体机器人有限公司与北京航空航天大学合作，曾设计了一款气动抓手，该抓手的手指由硅胶注塑而成，由气动控制弯曲程度，能够快速、准确地抓取苹果、巧克力球，以及手机零件等物体，具有良好的通用性。除上述软体抓手之外，近年来，科学家还探索了使用其他方式驱动的软体抓手。Pettersson等设计了一种磁流变机器人抓手并挑选了苹果、胡萝卜和草莓等多种目标进行试验，均没有发现明显损伤。2015年，Shintake等设计了一种静电软体抓持器，兼顾电吸附、电驱动和自感应功能，可无伤害地夹持水球、生鸡蛋，以及白纸等物品。Bogue总结了近年来拟人手和软体抓手的发展情况与趋势，指明未来将有越来越多的软体抓手投入商用。软体抓手将在水果采摘、产品包装，以及零件挑选等领域有重大应用价值。Liu等设计了一种3D打印的欠驱动水果抓取器，该装置制作方便且具有一定的适应性，能够有效抓取易碎易损伤的目标。
包裹型和夹持型两种抓手结构设计各有利弊：包裹型抓手的作用对象是水果本身，由于水果体积较大、颜色鲜艳，为识别和定位系统的设计带来了很大方便。但是由于部分果实质地柔软、容易瘀伤的特点，包裹型抓手需要对包裹力进行严格控制，无疑加大了设计的难度，因此这种抓手目前主要应用于较硬水果的采摘。夹持型抓手主要作用对象是果实的母枝，由于母枝具有纤细、易被遮挡的特点，其定位和识别具有比较高的挑战性。但由于其不直接作用于果实本身，这种抓手不易对果实造成损伤。
传统包裹型抓手采用刚性材料，很难对包裹力进行控制，且抓手的形状固定，缺乏足够的自适应能力。近几年软体机器人的不断发展为解决这一问题带来了可能性。然而，目前软体机器人的设计和控制仍是机械领域的一项前沿课题，这一领域的不断发展将会为水果采摘机械的末端执行器带来更优异的性能。
刚性抓手的设计流程
高质量机械手设计过程应当遵从标准的基于环境的设计范式。总体而言，刚性抓手的设计流程需要经历需求分析、目标力学特性分析、仿形结构设计、切割方案设计、构型综合、尺寸综合、力学综合、虚拟仿真、材料选择和样机制作几个阶段。下面对各个阶段分别进行简要介绍。
为保证机械手能够满足设计需要，应当在设计初期进行需求分析。需求分析指的是通过市场调研的方式确定采摘的对象。通常需要考虑市场经济需求和设计难度等因素。
为给机械手的结构设计、切割方案和力学综合提供足够的数据引导，需要进行目标力学特征分析。目标力学特性分析指的是对需要采摘对象的抗压力、抗剪力、抗扭力、表面摩擦力以及果梗的抗拉力、抗剪力、抗扭力进行全面的实验。由于目前对于生物材料的理论研究仍缺乏系统性研究，该阶段目前仅能通过设计实验完成。
在力学测试完成后，需要确定机械手操作的部位，即仿形结构的设计。当果梗的强度较低时，应当选择果梗为工作对象，即选择点仿形。当果实较大且颜色鲜艳便于识别时，应当选择果实为工作对象，即选择面仿形。
仿形结构设计完成后，需要对果实的切割方案进行设计。当果梗的强度较高而果实的强度较低时，应当使用刀片切割。当果梗的强度较低而果实的强度较高时，应选用拟人手切割。
切割方案确定后，需要对机械手的结构进行设计，即构型综合。构型综合包括自由度的选取、驱动器和驱动方式选择、传动链的设计，应当依照操作对象的大小和形状具体分析和设计。除此之外，当果实表面易伤时，应当选用软体材料或缓冲材料。
为确定机械手具体的尺寸，需要对其进行尺寸综合。尺寸综合的方法主要是图解法、解析法和实验法。具体要考虑到机械手的工作范围、灵敏性和大小的合适性。
为保证设计的机械手满足力学要求，需要利用末端动力学方法对机械手进行力学综合。主要需要考虑机构的传动角、对目标的作用力和表面的摩擦力等。需要保证既满足工作力需要求，又不能对目标水果造成伤害。力学综合可以采用解析法和实验法。对于形状结构复杂的机械手，单纯使用解析法求解已经不太现实，多采用虚拟样机或实体样机实验求解。
机械手的仿真完成后，需要根据仿真结果和有限元计算结果确定机械手的材料，在保证材料强度的情况下，尽可能减小机械手的重量。
选择材料后，需要进行机械手的样机制作，以进行实际实验。
刘成良 教授
刘成良，男，博士生导师，上海交通大学机械与动力工程学院教授，国家重点研发计划“智能农机装备”重点专项专家组成员，上海市领军人才，上海市优秀学科带头人、《智慧农业（中英文）》期刊编委。主要从事农业装备智能控制、农业机器人技术等方面的研究。获国家科技进步二等奖2项、教育部科技进步一等奖2项、中国机械工业科学技术特等奖、一等奖各1项。发明专利授权80余件，SCI/EI论文110余篇。
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