粟生強(qiáng) ， 羅 強(qiáng) ， 王劍英 ， 唐 熙 ， 鄭 涵

（1.重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 404100；2.智能山地農(nóng)機(jī)技術(shù)研發(fā)中心，重慶 404100）

0 引言

水果作為我國丘陵山區(qū)優(yōu)勢經(jīng)濟(jì)作物，其種植面積很大。柑橘在我國種植歷史悠久，其產(chǎn)量極高，是備受人們喜愛的水果之一。但其在生產(chǎn)收獲過程中基本靠人工采摘，花費(fèi)的時(shí)間約占整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)的40%，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效率低、果皮損傷等問題也未得到解決[1]。隨著人口老齡化加劇與城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，農(nóng)村勞動(dòng)力大量流失，柑橘收獲面臨著成本上升而所用時(shí)間卻未縮短的困境[2]。為解決柑橘類水果的收獲問題，許多團(tuán)隊(duì)致力于研究采摘機(jī)器人并且成果頗豐，但大部分都處于實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)用且普遍適應(yīng)丘陵果園的采摘機(jī)器人極度稀缺[3]。

當(dāng)前采摘機(jī)器人不適用于丘陵地區(qū)的原因除了受地形影響外，還因其存在通用性不足及對果皮傷害大等缺點(diǎn)。排除控制算法與識別的因素，末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)存在缺陷是造成此現(xiàn)象的一個(gè)重要原因。末端執(zhí)行器是采摘機(jī)器人的核心部件之一，其設(shè)計(jì)的實(shí)用性影響著柑橘經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為此，課題組對末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的影響因素及發(fā)展進(jìn)行了思考，旨在為柑橘收獲方面的研究提供參考思路。

1 末端執(zhí)行器原理及分析

1.1 末端執(zhí)行器的原理

末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)是為了取代人的手指，將果實(shí)與果梗分離且不傷害果皮，從而達(dá)到采摘的目的。發(fā)展至今，國內(nèi)外各團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同的原理設(shè)計(jì)了形狀各異的末端執(zhí)行器，綜合當(dāng)前的文獻(xiàn)及專利資料，廣泛運(yùn)用的原理有以下兩種：一為模仿人的五指動(dòng)作而設(shè)計(jì)的雙指及多指式果實(shí)采摘機(jī)構(gòu)，二為模擬生物吞食咬合動(dòng)作而設(shè)計(jì)的吸盤式采摘機(jī)構(gòu)。

水果種類繁多，其采摘需求并非全然一致，需要根據(jù)其特性選擇適宜的果梗分離裝置。當(dāng)前的分離裝置原理主要有以下兩類：一為物理式的剪切，可分為剪刀式及旋轉(zhuǎn)刀片等；二為高溫式的切割，可分為電熱絲切割及激光切割等[4]。

1.2 末端執(zhí)行器的分析

在將人工采摘進(jìn)行機(jī)械化與智能化的領(lǐng)域中，各研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過思考設(shè)計(jì)出了各類采摘機(jī)器人，這些機(jī)器人擁有自己的針對目標(biāo)，大多數(shù)在實(shí)驗(yàn)過程中基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。其中，末端執(zhí)行器作為與果實(shí)直接接觸的機(jī)構(gòu)受到了極大重視，其設(shè)計(jì)原理主要來源于生物吞食的模擬與人的五指運(yùn)動(dòng)。

模擬生物吞食如吸盤式等原理的設(shè)計(jì)經(jīng)過不斷改良完善及創(chuàng)新，有了極大的進(jìn)步與提升。東南大學(xué)的盧偉等設(shè)計(jì)了一款以吸盤吸附果實(shí)并用旋轉(zhuǎn)刀片鋸斷果柄的末端執(zhí)行器[5]，在趕果環(huán)將果柄趕至旋轉(zhuǎn)刀片并鋸斷后，果實(shí)受自身重力影響下落，經(jīng)收集囊到達(dá)果籃。此設(shè)計(jì)切割果梗的效率高，減去了末端執(zhí)行器帶著果實(shí)回果籃的步驟從而節(jié)省了移動(dòng)時(shí)間。重慶大學(xué)的王毅等在仿生學(xué)理念上[6]，結(jié)合蛇吞咽與上顎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了先吸入果實(shí)再將果柄咬斷的柑橘采摘末端執(zhí)行器。此外，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的徐麗明等及日本的九保田株式會(huì)社等團(tuán)隊(duì)也在吸盤原理上進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)[2,7]。分析此類型的設(shè)計(jì)，可發(fā)現(xiàn)其在自然果園采摘中會(huì)面臨以下問題：第一，果實(shí)在收集囊或果籃中會(huì)不可避免地發(fā)生滾動(dòng)摩擦及碰撞而對果皮造成損傷，這影響了果實(shí)的存儲(chǔ)時(shí)間；第二，吸附果實(shí)時(shí)會(huì)將近處的果葉一并吸入氣管通道，這會(huì)造成堵塞或吸附力不足，降低采摘效率。

以人的五指運(yùn)動(dòng)原理為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)在果實(shí)采摘及物品抓取領(lǐng)域中運(yùn)用最為廣泛，其發(fā)展快且種類繁多，影響深遠(yuǎn)。在采摘研究中，北華航天工業(yè)學(xué)院的韓書葵等研發(fā)了帶有自定心特點(diǎn)的三指式結(jié)構(gòu)末端執(zhí)行器[8]，其在到達(dá)果實(shí)附近特定位置后，三指閉合抓住果實(shí)且剪刀機(jī)構(gòu)剪切果柄，此設(shè)計(jì)可以由一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)完成果實(shí)抓取和果柄剪斷，且其自定心的結(jié)構(gòu)可使不同大小果實(shí)始終處于中心位置從而方便分離果梗。意大利卡塔尼亞大學(xué)的G.Muscato與美國佛羅里達(dá)大學(xué)的Michael W.Harman等研究團(tuán)隊(duì)對此類型末端執(zhí)行器也進(jìn)行了深入研究。國內(nèi)外研究者的不斷改進(jìn)與鉆研是仿五指果實(shí)采摘機(jī)構(gòu)進(jìn)步的主要因素，但分析采摘情況可知，此類設(shè)計(jì)需要以特定的方式抓取果實(shí)才能使剪刀機(jī)構(gòu)方便快捷地找到果梗，在果葉茂密且果實(shí)堆積的情況下，采摘會(huì)受到極大的影響。

2 末端執(zhí)行器的影響因素探究

水果采摘作業(yè)需要在特定的季節(jié)與特定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行，以保證水果能擁有最佳的口感與品質(zhì)，這使采摘末端的設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵。雖然各團(tuán)隊(duì)致力于研究并設(shè)計(jì)了各具特色的采摘末端，但當(dāng)前丘陵地區(qū)的柑橘采摘并未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，普遍適用的采摘末端也未出現(xiàn)在柑橘果園。為提高柑橘采摘的機(jī)械化水平，同時(shí)做到柑橘采摘的無損傷與高效率，課題組通過調(diào)研分析與思考有了以下發(fā)現(xiàn)：第一，丘陵地形決定果園只能使用小型機(jī)械設(shè)備，且限制了采摘機(jī)器人的靈活移動(dòng)；第二，陽光強(qiáng)弱與位置及果實(shí)果葉相互遮蓋等情況影響了機(jī)器視覺的判斷和末端的抓取動(dòng)作[9]；第三，末端執(zhí)行器自身設(shè)計(jì)包括形狀大小、抓取及剪切方式存在缺陷。

2.1 外在因素

2.1.1 丘陵地形

末端執(zhí)行器在一位置的采摘完成后需及時(shí)換位，而丘陵果園地面凹凸起伏不定且道路窄而坡度大，采摘機(jī)器人在其中的移動(dòng)缺乏靈活性，移動(dòng)的不便利增加了換位時(shí)間，且整個(gè)采摘過程需換位次數(shù)極多，這使柑橘采摘耗時(shí)增加。

2.1.2 陽光

在尋求德福的同一性方面，佛教最獨(dú)特的貢獻(xiàn)在于:通過善惡業(yè)報(bào)規(guī)律來保證二者的完全一致。此規(guī)律的客觀效力在于使善業(yè)與樂報(bào)、惡業(yè)與苦報(bào)達(dá)到完全一致，由此德福同一性的圓滿實(shí)現(xiàn)不以有情眾生的今生今世為限度，而以此規(guī)律將自身的必然性力量完全釋放為終極前提;而且善惡業(yè)報(bào)規(guī)律包含著嚴(yán)格的獎(jiǎng)懲效力，有情眾生若行善便可以進(jìn)入善道，繼而超出六道輪回而升入極樂世界，成菩薩成佛，若作惡就墮入惡道，成鬼成畜生，遭受各種苦痛折磨。所以，佛教以善惡業(yè)報(bào)規(guī)律、超人生超人身的“主體”、輪回流轉(zhuǎn)的獎(jiǎng)懲機(jī)制為理論核心，開創(chuàng)性地思考、解釋并從學(xué)理上解決了德福的同一性難題。

末端執(zhí)行器在抓取柑橘的過程中需要有精確的定位，這依賴于機(jī)器視覺系統(tǒng)的精準(zhǔn)識別與判斷。自然環(huán)境下的陽光與大棚里的光線極為不同，其強(qiáng)弱及照射位置隨時(shí)間變化，而機(jī)器視覺的識別與判斷會(huì)受陽光的影響，這給末端定位帶來了困擾。

2.1.3 柑橘生長姿態(tài)

末端執(zhí)行器采摘時(shí)將面對柑橘的以下生長情況：一為堆積現(xiàn)象，即兩個(gè)及以上數(shù)量的柑橘靠近生長；二為葉遮果，即果葉將果實(shí)大部分或全部遮蓋；三為內(nèi)部生長，即柑橘的位置處于果樹的中上部且受枝與葉的遮擋。此外，柑橘果皮的厚薄程度及果實(shí)大小不同，對拉拽力的承受范圍也不同。果梗并非個(gè)個(gè)垂直存在，而需要對柑橘進(jìn)行一定力度的拉拽以便于剪切，然而柑橘果皮與果梗生長緊密，不可通過拉拽分離二者，唯有以切割果梗的相似方式采摘。

2.2 內(nèi)在因素

末端執(zhí)行器代替人工采摘柑橘要做到的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是柑橘無損傷且采摘效率高。因此，要使設(shè)計(jì)達(dá)到要求應(yīng)在創(chuàng)新與完善中做好以下三點(diǎn)。

2.2.1 抓取結(jié)構(gòu)外形

柑橘數(shù)量多而大小不一，其形狀雖似橢圓但不規(guī)則，故此末端的抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無論是使用手爪式還是吸盤式，都應(yīng)趨近柑橘的外形，使其在抓取過程中能夠運(yùn)用適中的力度快速握牢不同大小的柑橘，且不產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象，減輕摩擦造成的果皮損傷。

2.2.2 整體尺寸及力反饋

末端抓取的范圍應(yīng)包含果園中不同品種的柑橘，且末端整體尺寸不能過大，力反饋傳感器安放位置和數(shù)量應(yīng)合理，使末端的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到小巧靈活地穿梭于柑橘樹枝中、力反應(yīng)快速而握力適中的目的。

柑橘的采摘方式與蘋果不同，在抓取到柑橘果實(shí)的同時(shí)需將果梗分離才能將柑橘完整地從樹上摘下。因此，抓取機(jī)構(gòu)與剪切機(jī)構(gòu)的相互配合必不可少。如何將抓取與剪切兩大功能完美地融合，在不影響末端靈活性的情況下，達(dá)到果實(shí)摘取迅速且適用于不同大小柑橘的目的，這是設(shè)計(jì)過程中亟待解決的問題。

3 問題解決的思路

增加保鮮時(shí)長及降低現(xiàn)有成本是使用末端執(zhí)行器機(jī)械化采摘柑橘的根本目的，而高效率與無損傷則是直接目的。當(dāng)前柑橘采摘末端執(zhí)行器的研究正處在瓶頸期，從研究階段到丘陵柑橘果園的通用階段還有很長的距離。根據(jù)末端設(shè)計(jì)的相關(guān)影響因素，課題組提出了以下幾點(diǎn)解決思路。

3.1 拆裝便攜

丘陵山地坡度大而起伏不定，溝坎相連且道路狹窄，機(jī)械設(shè)備難行，柑橘果園處于此種環(huán)境中要實(shí)現(xiàn)末端機(jī)械化采摘，就要求整個(gè)采摘機(jī)器人具備搬運(yùn)便捷性[10]。根據(jù)此情況可將采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)為由一定數(shù)量的部件組成，經(jīng)兩人合力就能搬運(yùn)，且各部件拆卸與組裝步驟簡單易上手的設(shè)備。拆裝便攜特點(diǎn)的設(shè)計(jì)是解決丘陵山地地形問題的一個(gè)思路。

3.2 優(yōu)化算法及科學(xué)剪枝落果

末端的精準(zhǔn)定位依賴于算法及識別，為減弱光照的影響，應(yīng)優(yōu)化算法、合理設(shè)計(jì)相機(jī)的安裝位置。同時(shí)，在柑橘樹未掛果時(shí)，以科學(xué)的方法修剪掉枝丫使果樹呈現(xiàn)一定形狀及疏密度，配合機(jī)械手臂及末端的運(yùn)動(dòng)；在柑橘生長期間將茂密扎堆的果實(shí)摘去一部分，一方面保障營養(yǎng)而提高柑橘品質(zhì)，另一方面可為識別與摘取提供便利。

3.3 合理選用材料及構(gòu)件的配合

末端的自身設(shè)計(jì)是采摘的關(guān)鍵，作為與果實(shí)直接接觸的抓取機(jī)構(gòu)，末端執(zhí)行器應(yīng)使用具有一定彈性的柔性材料，其余構(gòu)件在達(dá)到要求的情況下應(yīng)盡量使用輕型材料。除材料的選用以外，各構(gòu)件的組裝配合應(yīng)合理且緊湊，重點(diǎn)在于抓取剪切及力反饋的配合研究。

4 展望

各類柑橘采摘末端執(zhí)行器在解決問題中不斷被改進(jìn)，外形與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)各異但目的相同，末端的發(fā)展方向不一但最終的功能與所具特點(diǎn)相似，課題組在此處闡明對末端的未來展望。

1）合理配合使用柔性材料與剛性材料[11]。在與果皮直接接觸的部分，應(yīng)使用具有一定彈性的柔性材料，避免因零件配合誤差導(dǎo)致的力反應(yīng)遲滯而造成果皮損傷；在運(yùn)動(dòng)及受力的關(guān)鍵部分，應(yīng)使用具有一定硬度的剛性材料，因磨損及受力不均變形等帶來的問題將得到緩解。整個(gè)末端的實(shí)用性及使用壽命可得到一定提升。

2）質(zhì)量輕且小巧靈活的外形設(shè)計(jì)。整體設(shè)計(jì)的輕巧將極大地提高末端的靈活性，相應(yīng)地減弱受枝葉阻擋的困擾，可一定程度地提升采摘效率，其實(shí)用性也將得到增強(qiáng)。

3）單動(dòng)力源的便捷使用。要使末端的整體尺寸減小且重量減輕，就應(yīng)從各零件的結(jié)構(gòu)與使用來考慮，動(dòng)力源的使用是其中之一。完成抓取與剪切的動(dòng)作皆需提供動(dòng)力，然而兩個(gè)及以上數(shù)量的動(dòng)力源難以解決尺寸與重量的問題，其靈活性與便捷性不足。因此，將抓取與剪切兩個(gè)動(dòng)作相結(jié)合，以單動(dòng)力源提供動(dòng)力可為發(fā)展方向之一。

5 總結(jié)

末端執(zhí)行器的研究雖然處于瓶頸期，無損傷及高效率的目標(biāo)還未完全實(shí)現(xiàn)，但在加大研發(fā)力度與不斷改進(jìn)創(chuàng)新的情況下終將獲得成功。要設(shè)計(jì)實(shí)用性強(qiáng)與具有普遍適應(yīng)性的末端，應(yīng)對其影響因素及工作環(huán)境進(jìn)行深入研究，還要細(xì)致探究果皮的彈性范圍、受一定拉拽的損傷范圍以及果梗的切斷應(yīng)力等。