張秋菊，張 進(jìn)，孫沂琳

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)(2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

我國(guó)是世界食品、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)大國(guó)。食品工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中增長(zhǎng)速度最快、最具活力的支柱產(chǎn)業(yè)之一。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)[1]。作為傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集行業(yè)，在人口紅利逐漸消失、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)已成為中國(guó)食品工業(yè)降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件、提高生產(chǎn)效率、保證食品安全、提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平的必然選擇[2]。與其他行業(yè)相比，食品行業(yè)所面對(duì)的操作對(duì)象具有極大的特殊性：質(zhì)地大多具有柔軟(如面包、蛋糕)、酥脆(如餅干)、易損(如水蜜桃、雞蛋)等特點(diǎn)；形狀大多不規(guī)則，近似為片狀(如餅干、蔬果切片)、橢圓形(如芒果)、柱形(如黃瓜、火腿腸)和復(fù)雜形狀(魚(yú)肉類)等；尺寸大小不一、質(zhì)量各異。像汽車(chē)零件這種固體、堅(jiān)硬、外觀一致的東西很容易用機(jī)器人來(lái)移動(dòng)，但是要移動(dòng)像肉、水果、蔬菜和糕點(diǎn)這種精細(xì)、有彈性、天然外觀多種多樣的物體，就需要更加復(fù)雜的傳感系統(tǒng)和操作系統(tǒng)。此外，食品行業(yè)對(duì)機(jī)器人的操作要求也極具特點(diǎn)：食品無(wú)破損、衛(wèi)生安全、工作效率高、穩(wěn)定性好，其中食品衛(wèi)生安全是首要和必須滿足的要求[3]。

機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人機(jī)械臂前端直接作用于操作對(duì)象的執(zhí)行部件，其性能直接影響操作任務(wù)的執(zhí)行效果以及工作效率，因此長(zhǎng)期以來(lái)一直是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[4-5]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外先后研究開(kāi)發(fā)了多種機(jī)器人末端執(zhí)行器。食品材料為非剛性材料，其質(zhì)地、形狀和尺寸等差異很大，針對(duì)不同的食品，食品行業(yè)使用的機(jī)器人末端執(zhí)行器基本都是專用的，且絕大部分由非食品末端執(zhí)行器演化而來(lái)。對(duì)于各種柔、脆、不規(guī)則形狀食品的靈巧、柔順抓取，一直是食品機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)[6]。

食品材料為非剛性材料，種類繁多，差異很大。食品機(jī)器人末端執(zhí)行器受食品形狀、質(zhì)量、表面特性、干燥度、黏性和硬度等多種因素的影響，成為食品機(jī)器人推廣應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。筆者在定義食品機(jī)器人的基礎(chǔ)上對(duì)食品機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行分類，分析了食品機(jī)器人末端執(zhí)行器研究中仍存在的問(wèn)題，旨在指出食品機(jī)器人末端執(zhí)行器的研究方向與發(fā)展趨勢(shì)。

1 食品機(jī)器人的定義

食品機(jī)械是把食品原料加工成食品(或半成品)過(guò)程中所使用的機(jī)械設(shè)備和裝置。作為食品工業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，先進(jìn)的食品機(jī)械裝備是提高生產(chǎn)效率、降低能源消耗、保持食品營(yíng)養(yǎng)成分和風(fēng)味、減少環(huán)境污染的重要保障[7]。食品機(jī)械的種類十分繁雜，發(fā)達(dá)國(guó)家食品機(jī)械的品種多達(dá)3 000種以上；我國(guó)大約有1 800種。按照食品的種類和行業(yè)的不同，食品機(jī)械可分為食品加工機(jī)械和食品包裝機(jī)械兩大類。食品加工機(jī)械包括糧油加工設(shè)備、果蔬保鮮與加工設(shè)備、畜禽產(chǎn)品加工設(shè)備、水產(chǎn)品加工設(shè)備、方便食品加工設(shè)備、飲料加工設(shè)備和食品加工中廢棄物綜合利用設(shè)備等。食品包裝機(jī)械是指能完成全部或部分產(chǎn)品的食品包裝過(guò)程的機(jī)械[8]。包裝過(guò)程包括充填、裹包、封口等主要工序，以及與其相關(guān)的前后工序，如清洗、堆碼和拆卸等。此外，包裝還包括計(jì)量或在包裝件上蓋印等工序。典型的食品包裝機(jī)械有啤酒、飲料灌裝機(jī)械，封口機(jī)械，裹包機(jī)械，真空包裝機(jī)械，袋成型充填包裝機(jī)械，捆扎包裝機(jī)械，袋充填封口包裝機(jī)械等。

在食品加工與包裝行業(yè)中應(yīng)用機(jī)器人的目的是為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件、提高生產(chǎn)效率、保證食品安全。目前食品機(jī)器人尚無(wú)嚴(yán)格的定義與分類。本文定義的食品機(jī)器人專指應(yīng)用于食品加工與包裝過(guò)程，直接對(duì)食品物料進(jìn)行操作，改變其形態(tài)或空間位置的工業(yè)機(jī)器人。因此，對(duì)于那些應(yīng)用于食品加工與包裝行業(yè)，主要從事體積大而笨重的食品包裝箱的搬運(yùn)、裝卸和碼垛操作的工業(yè)機(jī)器人，從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)不屬于食品機(jī)器人。常見(jiàn)的食品機(jī)器人，包括做分級(jí)、分揀、清洗、稱重等預(yù)處理加工的機(jī)器人，以及肉類加工、剪羊毛、魚(yú)類去骨、削面、切菜、烹調(diào)、品味機(jī)器人等。對(duì)于食品機(jī)器人，由于操作對(duì)象多樣化(形態(tài)、特質(zhì)隨食品種類而各異)，操作要求個(gè)性化(例如切割牛肉、去魚(yú)骨)，因而動(dòng)作復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度較大。應(yīng)用于大規(guī)模食品工業(yè)生產(chǎn)的食品機(jī)器人，由于生產(chǎn)線工作速度快、大批量的連續(xù)化生產(chǎn)，對(duì)食品機(jī)器人的速度、生產(chǎn)率、穩(wěn)定性以及可靠性要求很高。

由于食品與人們的安全息息相關(guān)，所以食品機(jī)器人還要具有高度安全性。在機(jī)器人本體及關(guān)鍵部件的材料、潤(rùn)滑、防護(hù)等方面，都有很高的衛(wèi)生要求。以潤(rùn)滑油為例，普通的機(jī)械潤(rùn)滑油是由原油提煉而成的基礎(chǔ)油和添加劑組成，對(duì)人體有極大的危害，這樣在食品加工機(jī)械中使用普通的潤(rùn)滑油就為食品安全埋下了隱患[9]。不少食品企業(yè)采用食品用油做潤(rùn)滑劑，雖然可以保證安全，但若不加強(qiáng)防護(hù)任由潤(rùn)滑油滴落到食品中，會(huì)影響食品的口感和外觀，同樣無(wú)法通過(guò)食品最終檢驗(yàn)。因此，需要采用專門(mén)針對(duì)食品機(jī)械的工作環(huán)境(如高/低溫、高濕度等)設(shè)計(jì)配方的食品級(jí)潤(rùn)滑油，這些潤(rùn)滑油通常具有非常好的抗氧化、耐高低溫和抗乳化性能。另外，機(jī)器人在防護(hù)上也需要采用全封閉式的結(jié)構(gòu)。

2 食品機(jī)器人末端執(zhí)行器的要求與分類

食品機(jī)器人抓取物料時(shí)，末端執(zhí)行器先接近食品，并在食品附近定位；末端執(zhí)行器與食品接觸，在允許的范圍內(nèi)增大抓取力，達(dá)到閾值后停止，保證末端執(zhí)行器能夠穩(wěn)定抓取食品且不損傷食品；末端執(zhí)行器將食品搬運(yùn)到指定位置，按照一定的方向釋放食品。因此抓取過(guò)程包括了定位、抓取、移動(dòng)、定向和放置等環(huán)節(jié)。為了保證末端執(zhí)行器抓取食品的可靠性，各類傳感器被用來(lái)檢測(cè)和監(jiān)控食品抓取的全過(guò)程[10]。

食品機(jī)器人通過(guò)末端執(zhí)行器對(duì)食品物料進(jìn)行操作，直接與食品接觸，因此食品機(jī)器人末端執(zhí)行器必須適合食品處理，其衛(wèi)生要求是絕對(duì)且首要的挑戰(zhàn)，在處理未包裝的食品時(shí)尤為重要。機(jī)器人末端執(zhí)行器可能會(huì)受到任何未知污染源的侵襲，在食品中有3種污染必須避免[11]：有毒污染、細(xì)菌污染和變色。大部分污染源會(huì)經(jīng)被處理的食品殘留在末端執(zhí)行器上，如果不及時(shí)清理，這些殘留物將導(dǎo)致細(xì)菌或霉菌滋生。尤其是直接抓取肉類食品時(shí)，油漬或微粒會(huì)很容易在末端執(zhí)行器的空洞、溝槽和內(nèi)壁處聚集。此外，由于食品機(jī)器人所面對(duì)的操作對(duì)象具有極大的特殊性，食品材料質(zhì)地大多具有柔軟、酥脆、易損等特點(diǎn)，在可靠抓取食品物料的同時(shí)，必須避免損傷食品物料。食品可能出現(xiàn)的損傷類型包括擦傷、撕裂、斷裂和變形等[12]。

因此，食品機(jī)器人對(duì)末端執(zhí)行器的功能要求有：1)準(zhǔn)確、可靠抓??；2)不損傷食品；3)衛(wèi)生安全，不允許出現(xiàn)任何污染；4)抓取速度盡可能快；5)通用性、適應(yīng)性盡可能好；6)易于清潔；7)成本盡可能低，結(jié)構(gòu)不宜過(guò)于復(fù)雜。

針對(duì)不同的食品物料，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相繼設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多種食品機(jī)器人末端執(zhí)行器。根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同，可大致分為以下類型：1)吸附類，利用真空負(fù)壓或伯努利原理吸取物料；2)夾持類，通過(guò)剛性或柔性?shī)A爪直接夾持物料；3)其他食品專用類，如針刺式、凍結(jié)式等。抓取不同特征的物件需要有著不同類型的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)源，表1給出了常見(jiàn)的食品機(jī)器人末端執(zhí)行器分類和特點(diǎn)對(duì)比[4,12]。

表1 食品機(jī)器人末端執(zhí)行器分類和特點(diǎn)對(duì)比

在實(shí)際應(yīng)用中，食品機(jī)器人的末端執(zhí)行器不只局限于單一的結(jié)構(gòu)類型和抓取策略，復(fù)合型末端執(zhí)行器是食品機(jī)器人的研究方向之一。食品機(jī)器人末端執(zhí)行器可以結(jié)合多種策略和方法，增加抓取時(shí)食品與末端執(zhí)行器的耦合度，從而形成有效的抓取系統(tǒng)。

3 食品機(jī)器人末端執(zhí)行器研究進(jìn)展

3.1 吸附類末端執(zhí)行器

吸附類末端執(zhí)行器最常見(jiàn)的是真空吸盤(pán)。食品機(jī)器人在抓取食品時(shí)真空吸盤(pán)與食品表面接觸，利用真空在食品兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，從而穩(wěn)定地抓取食品，且對(duì)食品的損傷較小[13]?；诓煌瑥椥圆牧系恼婵瘴P(pán)已形成標(biāo)準(zhǔn)，其控制方法簡(jiǎn)單，在食品行業(yè)中廣泛使用。

吸盤(pán)系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是可以方便地與抓取機(jī)械兼容，形成吸盤(pán)復(fù)合型末端執(zhí)行器，從而有效減少損傷。在設(shè)計(jì)蔬果采摘機(jī)器人時(shí)，許多研究者使用了配有真空吸盤(pán)的爪型末端執(zhí)行器抓取蔬果。LING等[14]開(kāi)發(fā)的一款番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器如圖1(a)所示，在夾爪的掌心位置設(shè)有1個(gè)真空吸盤(pán)用于吸附果實(shí)；其4根手指均由腱繩驅(qū)動(dòng)，用于穩(wěn)定抓取和限制側(cè)滑。該復(fù)合型末端執(zhí)行器具備抓取不同形狀果實(shí)的功能，但4根手指為剛性材料制成，雖然手指與食品接觸部分裝有彈性材料和壓力傳感器，但仍避免不了對(duì)食品表面的損傷。劍橋咨詢公司(Cambridge Consultants)研發(fā)的新型末端執(zhí)行器如圖1(b)所示，將剛性爪指換成真空吸盤(pán)，通過(guò)聯(lián)合氣動(dòng)控制，以適應(yīng)各類水果的形狀和紋理，并配合視覺(jué)系統(tǒng)，區(qū)分并選擇性地挑選不同品種、形狀、大小和顏色的水果，在不破壞水果的情況下實(shí)現(xiàn)抓取[15]。

圖1 吸盤(pán)復(fù)合型末端執(zhí)行器

吸盤(pán)式食品機(jī)器人末端執(zhí)行器需要注意清潔衛(wèi)生問(wèn)題。真空吸盤(pán)工作時(shí)，其內(nèi)表面與食品接觸，在抓取食品的同時(shí)，也會(huì)將食品表面的油、水以及殘?jiān)任胝婵障到y(tǒng)，由于吸盤(pán)、管壁等難以清理，易導(dǎo)致細(xì)菌滋生。針對(duì)此不足，基于伯努利原理的新型吸附式末端執(zhí)行器被研究開(kāi)發(fā)出來(lái)，并在食品行業(yè)得到應(yīng)用[16]。

伯努利效應(yīng)表明流體速度加快時(shí)，物體與流體接觸的界面上的壓力會(huì)減小，反之壓力會(huì)增大。因此，伯努利原理可以應(yīng)用于物體提升。如圖2(a)所示，壓縮空氣(A)從伯努利吸盤(pán)中通過(guò)時(shí)，由于物體的阻擋，空氣在物體的上表面橫向流動(dòng)(B)，從而使物體上方的氣壓降低。伯努利吸盤(pán)與物體接近，相同體積的空氣從伯努利吸盤(pán)中流出，空氣的流速加快，物體上下表面壓差增大，提升力FL增大。最終，提升力FL克服物體重力和氣流沖擊力，實(shí)現(xiàn)抓取功能[17-20]。

圖2 各種伯努利吸盤(pán)

伯努利吸盤(pán)為非接觸式吸盤(pán)，其空氣系統(tǒng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的過(guò)濾，能夠有效地避免普通真空吸盤(pán)易污染、難清理的缺陷，但伯努利吸盤(pán)對(duì)物體的提升力小，更適合切片狀食物的抓取[17]。德國(guó)機(jī)器人自動(dòng)化供應(yīng)商Br?hmig公司利用AVENTICS公司生產(chǎn)的伯努利吸盤(pán)抓取2D脆性餅干，該款吸盤(pán)提升力為2.0 N，如圖2(b)所示[18]。在三明治加工中，對(duì)黃瓜和西紅柿切片的抓取與擺放有一定的要求，人工參與生產(chǎn)勞動(dòng)成本高，衛(wèi)生不能保障，DAVIS等[19]基于伯努利原理開(kāi)發(fā)出衛(wèi)生的非接觸式吸盤(pán)，滿足了生產(chǎn)線要求，如圖2(c)所示。PETTERSON等[20]對(duì)傳統(tǒng)的伯努利吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將伯努利吸盤(pán)微元化，微元吸盤(pán)陣列排列，以相互平行的兩塊支撐板上的孔為導(dǎo)向，可獨(dú)立地沿垂直軸線移動(dòng)且不受限制。整體吸盤(pán)的吸附表面可適應(yīng)3D蔬果的形狀，實(shí)現(xiàn)抓取功能，如圖2(d)所示。然而，用于3D食品抓取的伯努利吸盤(pán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，目前仍未在生產(chǎn)線上得到推廣。

3.2 夾持類末端執(zhí)行器

夾持類末端執(zhí)行器是機(jī)器人末端執(zhí)行器中非常重要的一類，本文簡(jiǎn)稱為抓手。抓手是一種接觸式夾持機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)抓取功能時(shí)，在夾持機(jī)構(gòu)的爪指和物體之間會(huì)產(chǎn)生夾持力，物體在靜摩擦力的作用下被提升。抓手種類很多，可以是滿足特定任務(wù)的專用夾持器，也可以是多用途的多指抓手。專用夾持器通常針對(duì)特定形狀、材質(zhì)的抓取對(duì)象，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、負(fù)載能力強(qiáng)、可靠性高。多指抓手的自適應(yīng)能力強(qiáng)，但往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難、負(fù)載能力差、可靠性低。因此，在食品行業(yè)中，針對(duì)不同食品材質(zhì)選擇合適的末端執(zhí)行器至關(guān)重要，需要綜合考慮抓手張開(kāi)范圍(從張開(kāi)到閉合的距離)、最大抓取力、運(yùn)動(dòng)類型、驅(qū)動(dòng)方式(氣動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、磁力驅(qū)動(dòng)等)、手爪或手指的形狀以及抓取方式(外部抓取或內(nèi)部抓取)等[21]。

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本文僅根據(jù)爪指材料將抓手分為采用硬質(zhì)材料的抓手和基于軟體材料的抓手兩大類進(jìn)行闡述。

3.2.1基于硬質(zhì)材料的抓手

采用硬質(zhì)材料的抓手結(jié)構(gòu)和爪指數(shù)量與被夾持物體的形狀、材質(zhì)、質(zhì)量有關(guān)。通常情況下，爪指的構(gòu)型與物體的輪廓基本一致，爪指數(shù)量越多夾持越牢固，但機(jī)構(gòu)及控制的復(fù)雜性增加。因此對(duì)形狀較為規(guī)則，尺寸和質(zhì)量一般不太大的抓取對(duì)象，通常采取較少的爪指抓持。對(duì)損傷要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，抓手的柔順性尤為重要。即使是采用硬質(zhì)材料的抓手，為避免或減小食品損傷，也往往通過(guò)在爪指上貼覆彈性材料以增強(qiáng)對(duì)不同物體表面的適應(yīng)能力，或者在爪指關(guān)節(jié)增加柔性以緩解抓取時(shí)的硬性接觸[22]。

圖3(a)為L(zhǎng)acquey公司[23]開(kāi)發(fā)的一種抓取卷芯菜的剛性抓手，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以方便地引入力、加速度和位置等傳感器，構(gòu)成閉環(huán)控制。這類抓手適合大而重的食品，但剛性接觸容易引起敏感性食品損傷。近年來(lái)新的仿生機(jī)理、新材料、新結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用，有力推動(dòng)了機(jī)器人抓手向高柔性、高適應(yīng)性、高靈敏和高可靠性方向發(fā)展。為了提高機(jī)器人抓手的柔順性，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)始嘗試不用電機(jī)而選擇氣壓、人工肌肉和新型功能材料等作為機(jī)械抓手的驅(qū)動(dòng)方式。圖3(b)所示為德國(guó)Festo公司采用選擇性激光燒結(jié)工藝制造的仿生機(jī)械抓手[24]，該抓手由輕質(zhì)塑料制成，通過(guò)氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，輕柔靈活有如人類的手指，可針對(duì)不同物體形狀自動(dòng)調(diào)節(jié)，快速安全地處理水果、球莖和其他易碎食品。

圖3 硬質(zhì)材料抓手

3.2.2基于軟體材料的抓手

受自然界象鼻、章魚(yú)觸角等生物器官運(yùn)動(dòng)形式的啟發(fā)，一些研究者另辟蹊徑，提出了“軟體機(jī)器人”的概念[25-29]。機(jī)器人技術(shù)中常用材料(金屬或硬質(zhì)塑料)的楊氏模量范圍為1×109～1×1012Pa。圖4給出了常見(jiàn)材料的楊氏模量范圍[25]。軟體機(jī)器人主要由楊氏模量與軟體生物材料(肌肉、皮膚、軟骨等)相當(dāng)?shù)牟牧蠘?gòu)成，或者使用楊氏模量小于1GPa的軟體材料。于是基于軟體材料的接觸式軟體抓手應(yīng)運(yùn)而生[26]，常用的軟體材料為硅橡膠，其楊氏模量小于1.0MPa。

圖4 工程和生物領(lǐng)域常用材料楊氏模量的近似值[25]

如圖5(a)所示，軟體抓手在彈性體內(nèi)設(shè)置氣動(dòng)通道，并以有限變形層作為手指的一個(gè)側(cè)面。外界氣源驅(qū)動(dòng)時(shí)，通道內(nèi)部壓力增加，手指會(huì)像氣球一樣膨脹，氣動(dòng)通道薄壁處迅速膨脹，并沿有限變形層側(cè)向內(nèi)彎曲。外界氣源關(guān)閉后，通道內(nèi)壓力減小，手指恢復(fù)到原始位置[27]。對(duì)軟體手指進(jìn)行氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，手指腔內(nèi)的氣壓越高，手指彎曲越明顯[28]，如圖5(b)所示。

圖5 軟體材料驅(qū)動(dòng)原理

根據(jù)軟體材料的控制機(jī)理，美國(guó)哈佛大學(xué)ILIEVSKI等[29]研制出軟體機(jī)器人抓手。如圖6所示，該抓手完全由軟體材料制成，每根手指均由軟硬軟三層材料組成，軟體材料內(nèi)有氣動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)用以驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)塑料軟管伸入抓手中心部位，為抓手提供驅(qū)動(dòng)所需的壓縮氣體；一根線懸于抓手的上方，幫助提升物體。

圖6 軟體抓手抓取雞蛋[29]

為了實(shí)現(xiàn)軟體抓手與機(jī)器人的集成，研究者提出如圖7(a)所示的剛-軟耦合抓手[30]。手指采用軟體材料澆注而成，內(nèi)部設(shè)計(jì)有如圖5(a)所示的氣動(dòng)通道，整體呈現(xiàn)出足夠的柔性，其中手指與被抓物體接觸的部分植入弱彈性材料。軟體手指與剛性元件耦合，剛性元件可安裝在機(jī)器人末端。塑料軟管與手指連接，通過(guò)外接氣源驅(qū)動(dòng)手指彎曲。多指軟體抓手可實(shí)現(xiàn)各個(gè)軟體手指的獨(dú)立控制。

由于對(duì)壓力的低阻抗，軟體抓手可通過(guò)柔順變形的方式與接觸物體相容，從而大幅度降低接觸力，使其在抓取松軟、脆性和形狀復(fù)雜的食品方面具有很好的應(yīng)用潛力。目前，軟體抓手已實(shí)現(xiàn)商用化。圖7(b)為德國(guó)Fraunhofer IVV研究所[30-31]研發(fā)的軟體抓手，采用單氣動(dòng)通道。為提高抓取力的穩(wěn)定性，北京軟體機(jī)器人科技有限公司[32]研發(fā)的軟體抓手采用雙氣動(dòng)通道結(jié)構(gòu)。為增大抓取物體時(shí)與物體之間的摩擦力，手指與食品接觸部分設(shè)置有多個(gè)波浪形凸起[33](如圖7(c)所示)。此外，英國(guó)的Soft Robotics公司[34]和瑞士自動(dòng)化科技集團(tuán)ABB[35]等也開(kāi)發(fā)出類似的多指軟體抓手。上述軟體抓手均采用完全封閉的設(shè)計(jì)，抓手抓取食品的部分與內(nèi)部工作部分安全分離；抓手清理簡(jiǎn)單，手指表面沒(méi)有空洞和縫隙存在，避免了殘余聚集，且無(wú)需卸載手指進(jìn)行清理和防污處理。

圖7 剛-軟耦合抓手

目前國(guó)內(nèi)有多所高校開(kāi)展了軟體抓手的研究工作：北京航空航天大學(xué)的王田苗團(tuán)隊(duì)研制了一種氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器并制作了一種有很強(qiáng)適應(yīng)性的軟體抓手[36]；南京理工大學(xué)的李小寧團(tuán)隊(duì)研制了一款三觸手柔性手爪[37]；浙江工業(yè)大學(xué)的楊慶華團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多款氣動(dòng)機(jī)器人多指靈巧手[38-39]?；谲涹w抓手的優(yōu)點(diǎn)，研究者正嘗試除氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)外的其他驅(qū)動(dòng)方式。圖8所示為一種欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)軟體抓手[40]。如圖8(a)所示，利用欠驅(qū)動(dòng)機(jī)制，在軟體手指中植入線纜，利用線纜回路系統(tǒng)，在減少控制參數(shù)的形式下驅(qū)動(dòng)、控制軟體手指彎曲。在圖8(b)中，將欠驅(qū)動(dòng)軟體抓手安裝于機(jī)器人末端，采用一個(gè)同步驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)手指關(guān)節(jié)。抓手的抓取速度和抓持能力穩(wěn)定，可抓取不同形狀、尺寸和材料的目標(biāo)物體。

圖8 基于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)制的機(jī)器人軟體抓手[40]

此外，有研究者采用形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)軟體抓手[41]。對(duì)SMA施加電流，SMA會(huì)產(chǎn)生彎曲；撤銷(xiāo)電流，SMA恢復(fù)成原來(lái)的形狀。還有研究者將SMA線制成SMA彈簧，并植入硅橡膠中，制成軟體手指，手指與剛性手掌耦合形成多指抓手[42]。所設(shè)計(jì)的軟體抓手能實(shí)現(xiàn)多種類型物體的抓取，并且隨著SMA上施加電流的增大，軟體抓手上的抓取力也不斷增大，從而能夠有效地控制抓取力。

介電高彈性體(DE)(如聚丙烯酸類材料)是一種典型的電致變形智能軟體材料(電子型)。如圖9(a)所示，在介電高彈性體薄膜的兩側(cè)覆蓋柔性電極，并施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，介電高彈性體薄膜在電場(chǎng)力的作用下產(chǎn)生變形，導(dǎo)致厚度減小，面積擴(kuò)張[43]。介電高彈性體具有彈性模量低、質(zhì)輕、能量密度大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[44]。SHINTAKE等[45]采用介電高彈性體制備出智能軟體抓手，通過(guò)簡(jiǎn)單的輸入控制，實(shí)現(xiàn)了雞蛋、草莓等食品的抓取，如圖9(b)所示。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小(約1.5g)、動(dòng)作迅速(手指閉合時(shí)間約100ms)以及靈活性高的智能軟體抓手在食品行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖9 基于智能軟體材料的抓手[45]

3.3 其他類型的食品機(jī)器人末端執(zhí)行器

食品生產(chǎn)線中，魚(yú)、肉類食品的處理是必要的。魚(yú)、肉類產(chǎn)品屬于柔軟、有彈性且尺寸不固定的產(chǎn)品，容易產(chǎn)生油漬，且對(duì)損傷要求不高。最簡(jiǎn)易的方法如圖10(a)所示，采用不銹鋼夾爪直接夾持此類食品[46]。

針刺式末端執(zhí)行器適用于許多處理食品的場(chǎng)合，尤其是柔軟的食品。如圖10(b)所示，這類末端執(zhí)行器依靠一系列針刺進(jìn)食品表面或內(nèi)部，抓取牢靠；針和食品機(jī)械互鎖，精確定位，在有限的空間里可以輕易地抓取和傳送[46]。但是，針刺入食品會(huì)在物體表面留有孔洞，這些細(xì)孔會(huì)降低食品的外觀質(zhì)量，在絕大多數(shù)場(chǎng)合是無(wú)法接受的。此外，從針上引入的細(xì)菌和其他污染，難以清理。

凍結(jié)式末端執(zhí)行器以制冷元件(Peltier元件)為核心，在末端執(zhí)行器的表面產(chǎn)生低溫。制冷元件為半導(dǎo)體器件，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生熱流；改變電流的方向，熱流方向隨之改變，制冷元件由加熱狀態(tài)改為降溫狀態(tài)。基于這種特性的凍結(jié)式末端執(zhí)行器非常有效。電流以一個(gè)方向通過(guò)制冷元件，實(shí)現(xiàn)凍結(jié)抓??；逆向的電流可以使抓取的冰融化[47]。圖10(c)為凍結(jié)式末端執(zhí)行器的示意圖。凍結(jié)式末端執(zhí)行器需要一個(gè)內(nèi)部流體腔充當(dāng)制冷元件的溫度參考，流體以冷水為最佳。末端執(zhí)行器工作時(shí)，冷水需要連續(xù)、循環(huán)通過(guò)其內(nèi)部，帶走制冷元件一側(cè)的熱量。凍結(jié)式末端執(zhí)行器適用于冷凍食品的抓取，清潔可靠，沒(méi)有機(jī)械接觸部分。

圖10 其他專用末端執(zhí)行器

4 食品機(jī)器人末端執(zhí)行器存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

目前，市場(chǎng)上已有多種類型的機(jī)器人末端執(zhí)行器在食品自動(dòng)化生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用。然而受食品形狀、質(zhì)量、表面特性、干燥度、黏性和硬度等多種因素的影響，機(jī)器人末端執(zhí)行器在食品自動(dòng)化生產(chǎn)中仍面臨挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：

1)柔順性。

對(duì)于各種柔、脆、不規(guī)則形狀食品的靈巧、柔順抓取，一直是食品機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。為減少食品損傷，一方面要求末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)有良好的適應(yīng)性，另一方面要求食品的抓取過(guò)程有很好的柔順性。

2)清潔衛(wèi)生性。

雖然食品機(jī)器人末端執(zhí)行器絕大部分由非食品末端執(zhí)行器演化而來(lái)，但并不是所有的都適合食品這一類敏感性產(chǎn)品。一方面要求末端執(zhí)行器材料本身要符合食品安全要求，另一方面在結(jié)構(gòu)上還要便于保潔清洗，防止二次污染。

3)抓取速度與可靠性。

末端執(zhí)行器的抓取速度與其結(jié)構(gòu)特性、抓取策略、驅(qū)動(dòng)方式、控制系統(tǒng)以及食品特性等因素有關(guān)。對(duì)于大批量生產(chǎn)的食品行業(yè)，生產(chǎn)效率是一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)。末端執(zhí)行器的工作效率和可靠性是制約食品機(jī)器人未來(lái)發(fā)展和推廣應(yīng)用的一個(gè)重要因素。

4)通用性。

由于食品的形狀、材質(zhì)、質(zhì)量、特性等千差萬(wàn)別，食品行業(yè)使用的機(jī)器人末端執(zhí)行器基本都是專用的，造成設(shè)備的通用性差，提高了使用成本。食品機(jī)器人末端執(zhí)行器的通用性與系統(tǒng)成本、使用成本之間的矛盾是影響其實(shí)用性的難題之一。

對(duì)于現(xiàn)有的多種類型的食品機(jī)器人末端執(zhí)行器而言，基于硬質(zhì)材料的機(jī)械抓手往往柔順性不足，缺乏力覺(jué)、滑覺(jué)等信息的感知能力，受抓取力的限制，夾持抓取會(huì)使食品損傷，但其在抓取質(zhì)量較重的食品時(shí)有一定的優(yōu)勢(shì)；真空吸盤(pán)式末端執(zhí)行器易將液體或雜物吸入系統(tǒng)，存在潛在的污染；其他一些末端執(zhí)行器專用性比較強(qiáng)，如伯努利吸盤(pán)適合輕而薄的片狀食品，凍結(jié)式末端執(zhí)行器適合冷凍食品。

軟體抓手在食品處理中具有很高的靈活性和柔順性，可以適應(yīng)物體的輪廓，并且由于抓取力均勻分布而避免食品損傷，但在抓取質(zhì)量較大或薄片狀食品時(shí)受到限制，抓取速度慢也使之無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化的大批量、高效率的食品生產(chǎn)要求。目前，各種形式和驅(qū)動(dòng)方式的軟體抓手絕大部分尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

5 結(jié)束語(yǔ)

食品機(jī)器人在食品自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)過(guò)程中舉足輕重，是有效提高生產(chǎn)率、排除人為風(fēng)險(xiǎn)和污染等因素的重要保障。目前，食品機(jī)器人末端執(zhí)行器在柔順性與防損傷、抓取效率與可靠性、通用性與實(shí)用性等方面仍存在欠缺與不足，成為食品機(jī)器人推廣應(yīng)用的制約與障礙。隨著科技的發(fā)展和智能化程度的不斷提高，對(duì)食品機(jī)器人末端執(zhí)行器的要求也越來(lái)越高，必須從創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)控制，提高柔順性、抓取效率、可靠性、通用性和智能性等方面開(kāi)展進(jìn)一步研究。

軟體抓手將成為食品機(jī)器人末端執(zhí)行器的主流，在抓持松軟、脆性和形狀復(fù)雜的食品時(shí)具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，且易于清理，滿足衛(wèi)生要求，并可利用注模技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本制造。對(duì)其更多的研究將從驅(qū)動(dòng)方式、控制抓取力和衛(wèi)生方面入手，以擴(kuò)大這類抓手的應(yīng)用范圍。對(duì)于蔬果切片類食品或模內(nèi)食品的抓取，非接觸式的伯努利吸盤(pán)仍然占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)，只是需要重點(diǎn)解決這類吸盤(pán)帶來(lái)的脫水問(wèn)題，另外降低壓縮空氣對(duì)食品的沖擊破壞也是研究的重點(diǎn)；大而重的食品抓取還需要?jiǎng)傂圆牧系闹С?，同時(shí)通過(guò)軟體材料的輔助避免食品的表面損傷。其他類型的末端執(zhí)行器將在特定的食品行業(yè)發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

可以預(yù)期，未來(lái)食品機(jī)器人末端執(zhí)行器的柔順性會(huì)越來(lái)越好，能夠自適應(yīng)各種食品的輪廓，實(shí)現(xiàn)食品的無(wú)損、穩(wěn)定抓取；末端執(zhí)行器的智能化程度會(huì)越來(lái)越高，通過(guò)裝載多種傳感器，實(shí)現(xiàn)多傳感信息融合和抓取過(guò)程智能控制，能夠根據(jù)食品的大小、形狀和質(zhì)地，靈敏快速地調(diào)節(jié)位姿與抓持力，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的抓?。荒┒藞?zhí)行器的通用性和靈活性會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，無(wú)需更換或只需很少的調(diào)整就可以抓取不同類型的食品；末端執(zhí)行器的系統(tǒng)愈加簡(jiǎn)單,制作成本低,可控性好,易于操作、清理和維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)敏感性食品的無(wú)損抓取。

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