采摘机器人末端执行器研究现状与展望

机 器 人 末端 执 行器 安 装 了超声 距 离 传感 器 ， 于 末 用
刚性结构 的现状 ， 以柔性设 计为 目标 ， 将柔性 控制应 用 于系统中， 实现采摘过程 的精确控制并减少对果实
的损 伤 。 ２ 增 强 复 杂环 境 的适 应 能 力 ： 变 果 蔬 的传 统 栽 ） 改 培模 式 ， 更 好 的栽 培 方 式 分 开 果 实 与 茎 叶 ， 用 以利 于 机 器人 的采 摘 ； 强设 备 的感 知 能 力 ， 增 改进 动 作 原 理 ， 加 强新 型 附 件 的 应 用 研 究 来 提 高 对 复 杂 环 境 的适 应 能力。
１ １ １ 非夹 持类 ．． １ 直接 切 断式 。这类 末 端 执 行 器直 接 剪 断果 梗 ， ）
人 主要 由机 械 手 、 端 执 行 器 、 觉 系 统 和 行 走 装 置 末 视 等组 成 。机 器 人 移动 到 目标 位 置 之后 ， 端 执 行 器 最 末 终完 成 采摘 动作 ， 且 多 数 果 蔬 的 外 表 较 为 脆 弱 ， 并 形 状及 生 长状 况 复 杂 ， 因此 末 端 执 行 器 的设 计 直 接 关 系 到能 否 准确 高 效 地完 成 采 摘 。 目前 ， 内外 已经 掀 起 国 了研 究 采摘 机 器 人 的热 潮 ， 别 是 日本 、 国 、 兰 等 特 美 荷 发达 国家 一直 走 在采 摘 机 器 人 研 究 的前 列 ， 后 开 发 先 了各 种 果蔬 采 摘 机器 人 及 其 末 端 执 行 器 。 近 年来 ， 国 内各 类 果 蔬 采 摘 机 器 人 方 面 的研 究 也 取 得 一 定 的 成 果 ， 后研 制 了茄 子 、 莓 、 茄 、 果 等 采 摘 机 器 人 先 草 番 苹
３ 扩展设备的通用性 ： ） 开发可 以采摘形状相 近果 实的末端执行器 ， 如可以采摘苹果 、 、 橙 番茄等球形 或 类球形水果 和茄子 、 黄瓜等长条 形水果 ， 在小范 围内
实 现设 备 的通 用性 。
参 考文献 ：
端执行器与对象间的距离探测 。
空 间更 使 果 实下 落过 程 中容 易 被 碰 伤 ， 下 落 位 置 不 且
可预 知 ， 响果 实 的 回收 。 影
应根据不 同果蔬果实的特点 ， 以提高采摘 的成 功率并
收 稿 日期 ：２ １ ０ — ５ ０１ — ２ ２
基 金项 目：国家 自然科 学 基金 项 目（ ０ ０ ０ ６） 江 苏省 教 育厅 项 目 ５９５７ ；
执行器 ， ］柑橘采摘机器人末端执行 器 Ｊ 番茄采 、 、 摘机器人末端执行器 ， ， 比利时开发 的苹果 采摘末 端执行器 以及美 国佛 罗里达大学 的柑 橘采摘机器 人末端执行器 等都 在末端执行器上 安装 了小 型摄 像头 ， 形成“ 眼在手上 ” 的视觉伺服模式。 ２ 距离与接 近传感 器 。 日本 的草莓采 摘机器人 ） 末 端 执 行 器 ＿ 、 子 采 摘 机 器 人 末 端 执 行 器 、 ２ 茄 黄 瓜采摘机器人末端执行器 ｊ柑橘采摘机器人末端执 、 行器 都采用了光电传感器进行距离 和接近觉 的检 测 ； 本 的番茄采摘机器人末端执行器＿ ， 日 ｌ 在吸盘前 端安装了一个机械式接触传感器 ； 日本的茄子采摘机 器人末端执行器 与美 国佛罗里达 大学 的柑橘采 摘
件， 因此 研 究采 摘 机 器 人具 有 重要 的意 义 。采 摘 机 器
及各类传感器以完成准确采摘并减小损伤。
１ １ 获取 方式 ．
采摘 机 器人 末 端执 行 器 要 达 到 采 摘 果 实 的 目的 ，
必须 实 现两 大 关 键 动 作 ： 取 和 分 离 ， 首 先 通 过 抓 获 即 取、 吸入 、 取 等 一 定 方 式 获 取 果 实 ， 通 过 扭 断 、 勾 再 剪 切 等不 同 方 法 将 果 实 与 果 梗 分 离 。根 据 获 取 果 实 的 方式 ， 可分 为 非夹 持类 和 夹持 类 两大 流 派 。
１ 视 觉 系统 。 日本 开 发 的 茄 子 采 摘 机 器 人 末 端 ）
执行器的研究现状以及存在 的问题可 以看出 ， 目前仍
不 具 有 足够 的智 能 和柔 性适 应 实 际农 业 生 产 的需 要 ， 因此 未来 可 以从 几 个发 展 方 向进 行改 进 。 １ 提 高设 备 的柔顺 性 ： 变 目前 末 端 执行 器 多 为 ） 改
在 放 开梗 时 更好 地 定 向 ， 加 了一 个 由 直流 电机 带 动 增
器＿ 、 ３ 黄瓜采摘 机器人末 端执行器ｌ 等都安装 了电 ｊ ５
位 计 ， 以检 测执 行机 构 的位 移 或转 动角 度 。 用 ４ 限位 开 关 。 日本 的番 茄 采 摘 机 器 人 末 端 执 行 ）
器¨’ 、 。 草莓采摘机器人末端执行器 、 江苏大学开
发 的苹果 采 摘 机器 人 末 端 执 行器 还 安装 了 限位 开
的推杆机构 ； 日本开 发 的茄子采 摘 机 器人末 端 执行 器¨ ， 使用 了 ４个手指和 ２个吸盘 ， 以可靠夹持形状
不 规则 的茄 子 。
关， 以阻止执行机构冲出行程 ， 对末端执行器 、 植株和 操作者造成不必要的破坏或伤害。
简 单 ， 用于 植 株 冠 层 内枝 叶较 稀 疏 ， 果 实 具 有 一 适 且
１ 采摘机器人末端执行器 的研究现状
作 为 采摘 机 器人 的执 行 装 置 ， 端 执 行 器 的设 计 末
定 抗 冲击 能 力 的 果 蔬 。 对 番 茄 而 言 ， 于 果 梗 较 短 ， 由
往 往造 成 无法 剪 切或 碰 伤 果 实 的 现 象 ， 复 杂 的冠 层 而
差 ， 业 生产 成 本过 大 。 农
图 １ 草莓采摘末端执行器 ｌ ９ １
１ ４ 传 感器 ．
３ 展 望
由以上 综 述 的 国 内 外 各 类 果 蔬 采 摘 机 器 人 末 端
为减少采摘过程中对果实的损伤 ， 精确完成采摘 动作 ， 末端执行 器 的研究 中加入 了 电位计 、 限位开关 及多类传感器以实现感知能力的检测。
通 讯作者 ：刘 继展 （ ９ ６一） 男 ， 北 衡 水 人 ， １７ ， 河 副研 究 员 ， 士 ， Ｅ— 博 （
ｍａ ）ｉ ｉ ａ ＠ １ ３ （ｍ。 ｉ ｌｊ ｈｎ ６ ．ｔ ｌ ｕｚ ｏ
一 一
图 １ 甜椒采摘末端执行器［］ 图 ２ 茄子采摘末端执行 器
２１ ０ １年 １ １月
与植株分离 两部分。为 了安全 与高效地完 成采摘动
作， 末端 执 行 器 还 可 能 加 入 吸 盘 、 杆 等 附 加 机 构 以 推
为现实。 目前 ， 果蔬收获 主要依靠 人工采摘 ， 收获作
业 劳 动 强度 大 ， 收获 机 器 人 不 仅 能 够 实 现 果 实适 时 而 采收 ， 提高 生 产 效 率 和产 品 质 量 ， 可 以 改 善 劳 动 条 还
图 ｌ 黄瓜采摘末端执行器 ［ ８ ”
与果实的姿态存在偏差 ， 对复杂的非 结构环境适应能
力差 。
３ 通 用性 差 。 由 于 不 同果 实 的 形 状 、 性 不 同 ， ） 特
以上末端执行器 的设 计均为针对某 一特定果实 而设 计， 而果蔬采 摘季节性强 ， 这就 造成了设备 的通 用性
３ 安 全 保 护 。 日本 草 莓 采 摘 机 器 人 末 端 执 行 ）
器 设置了安全杆 ， 以防止采摘 时末端执行器垂直地
面 向下运 动 接 近果 实 时 ， 端 执 行 器与 地 面相 撞 。 末
２ 采摘机器人末端执行器研究存在的 问题
１ 柔顺性差 。以上末端执行 器 的设计多 为刚性 ）
（ ９ Ｊ ２ ０ ０ ） 江 苏 高 校优 势学 科 建 设 工 程 资 助 项 目 ０ Ｋ Ｄ １０ ２ ； （ 苏财教 ［２ ｌ ０ １］８号 ）
作 者简介 ：王风 云 （ ９ ６ ， ， １８ 一） 女 江苏徐 州人 ， 士研究 生 ， Ｅ— ｉ） 硕 （ ｍａ ｌ
ｗａ ｇｅ ｇ ｕ ２ ｎ ｆ ｎ ｙ ｎ１ ６＠ ｓｎ ． ｏ ｌ ｉａ ｃ ｎ。
农 机 化 研 究
第 １ １期
２ 增 强 稳 定 性 。 日本 冈 山 大 学 的 葡 萄 采 摘 机 器 ）
３ 位 移 检 测 。 日本 的番 茄 采 摘 机 器 人 末 端 执 行 ）
人末端执行器… 采用 ２指夹住果梗 ， ， 由剪切器剪 断 果梗的方式 采摘。为 了保证 末端执 行器能 够夹持较 短 的果梗 ， 同时减少采 摘后运送 过程 中梗 的摆 动 ， 并
２１ ０ １年 １ １月
农 机 化 研 究
第 １ １期
采 摘 机 器 人 末 端 执 行 器 研 究 现 状 与 展 望
王 凤 云 ，刘 继 展 ，李 萍 萍
（ 苏 大学 ａ 农 业 工 程 研究 院 ；ｂ 现 代 农业 装 备 与 技 术 省 部 共 建 教 育 部 重 点 实 验 室 ；ｃ 江 苏 省 农 业 装 备 与智 江 ． ． ．
能 化 高技 术 研 究 重点 实 验 室 ，江苏 镇 江
摘
２２ １ ） １ ０ ３
要 ： 简 述 了 国 内外 末 端执 行 器 的 发展 现 状 ， 非夹 持 与 夹 持 类 的 果 实 获 取 方 式 和 拉 、 、 、 切 割 等 不 同 对 折 剪 热
分 离 方 式进 行 了分 析与 比较 ， 吸 盘 、 对 推杆 、 全 杆 等 附 加 机 构 的功 能 与配 置方 式 进 行 了 归 纳 ， 介 绍 了末 端 执 安 并 行 器 中 视觉 、 离 、 近 等 传感 器 的集 成应 用 情 况 ， 而 指 出 了末 端 执 行 器 研 究 中仍 存 在 的 问题 。 同时 ， 采 摘 距 接 进 对 机 器 人 末端 执 行 器 的发 展 进 行 了展 望 。 关键词 ：采摘 机器人 ；末端 执行 器 ；发展 现状 中图分类 号 ：￥ ２ ． ９ ２５ ９ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ — ８ Ｘ（ ０ １ １ — ０ ０ ０ ０ ３ １８ ２ １ ）１ ０ １ — ５