基于番茄果實特性的柔性抓手設計

摘要：提出一種基于番茄果實特性的柔性抓手設計，以期解決傳統(tǒng)剛性抓手在處理番茄等脆弱果實時容易引起損傷的問題。首先，對番茄果實的特性進行詳細分析，包括柔軟性、易碎性及變形性；接著，提出一種基于柔性材料和傳感器的抓手設計方案，該抓手采用柔性材料制成，具有較高的可變形性和適應性，可根據番茄果實的形狀和大小進行調整，同時在抓手的關鍵部位嵌入傳感器，以用于實時監(jiān)測果實的變形情況；最后進行一系列試驗來驗證該柔性抓手設計的性能。試驗結果表明，該抓手能夠有效地抓取和操縱番茄果實，并且在抓取過程中能夠減輕果實的損傷程度。

關鍵詞：柔性抓手；番茄果實；設計

中圖分類號：TP242 " " "文獻標識碼：A " "文章編號：1674-1161（2024）01-0041-03

作為農業(yè)大國，中國番茄年總產量達7 000萬t[1-2]，但采摘市場勞動力嚴重不足。隨著農業(yè)機械化的發(fā)展，智能采摘系統(tǒng)得到迅速普及，其既可大幅降低人工成本、增強農產品在市場的競爭力，又可提高農業(yè)收入[3]。目前，采摘番茄機械手設計已有很多研究成果，如Ling P P. 等[4]設計了1種傳感單元和機械手單元，其可與商業(yè)機器人集成，共同用于自動化番茄采摘任務中；Li Z等[5]為機器人番茄采摘末端執(zhí)行器的類人設計提供了指導和啟示；Ling X等[6]使用雙目視覺傳感器為番茄采摘機器人開發(fā)了一種雙臂協(xié)作方法；Liu X等[7]在考慮機器人工作特性和番茄生長方式的基礎上，設計了1種用于番茄采摘的采摘機器人。在考慮番茄果實特性基礎上設計的柔性抓手，可有效提高番茄采摘效率。

1 番茄果實生物學特性分析

褐變是食品中經常出現的變色現象，特別是在加工、儲存或損壞之后，新鮮蔬菜和水果會出現色澤加深或出現暗色斑點的現象[8]。研究以新摘的40個番茄為例，在自然室內環(huán)境下通過觀察果實的褐變狀態(tài)來了解其生物學特性。番茄果實隨天數增加的褐變率變化如圖1所示。

通過觀察和研究番茄果實的褐變率，可以得到成熟番茄隨天數增加的外觀變化。由圖1可知，新鮮番茄果實的外表顏色鮮艷有光澤，摸起來光滑且較硬，但隨著天數的增加，番茄果實逐漸脫水，表皮變皺，開始出現灰暗顏色，摸起來較軟，有些表面開始出現褐色斑點。由于新鮮番茄和不新鮮番茄的果實特性差距很大，采摘時應以新鮮番茄的果實特性作為參考依據。

2 番茄果實物理參數及力學特性分析

2.1 番茄果實物理參數的測定

大多數番茄果實呈橢球形，其大小用縱向直徑a、大直徑b和小直徑c來描述，如圖2所示。用游標卡尺測量20個番茄樣品果實的縱向直徑a、大直徑b和小直徑c，每個數據重復采集3次。用公式（1）計算番茄果實的球度，用數字電子秤稱量番茄果實的質量m。計算完測量值后，將平均值作為最終結果。

[?=a×b×c3a] （1）

將測得的番茄果實的各項數據進行整理，整理結果見表1。

2.2 番茄壓縮特性試驗

為了更好地研究機械抓手采摘番茄果實時所施加力的大小，對番茄果實進行了硬度和表面摩擦特性試驗[9]。

2.2.1 番茄硬度試驗 番茄樣品為20個新摘的成熟番茄，果實直徑從70～110 mm不等。試驗儀器選用WDGY-4硬度計，其壓頭直徑3.2 cm，對番茄果實的施壓面積為8 cm2，這也是模擬執(zhí)行末端單個手指與番茄果實的接觸面積。由于手指在夾緊過程中速度較慢，可視為靜載荷。采用圓柱形平壓頭對水果表面施加壓力，模擬末端執(zhí)行器的運行速度為20 mm/min。記錄從開始施壓到番茄果實開裂的整個過程，番茄果實的壓縮形變載荷關系如圖2所示。

由圖2可知，番茄果實可變壓縮量達到0.3 cm之前的這一個時期，曲線呈現出快速升高的狀態(tài)，且其曲線升高速率在持續(xù)增大，此時番茄果實沒有受到損害。同時，在番茄可變壓縮量超過0.3 cm之前，曲線出現接近于10 N的峰值，之后曲線所對應的數值開始下降，這表明番茄表面遭受一些損壞，表皮產生了破裂。隨著壓縮量的持續(xù)增加，曲線出現一系列振動，主因在于此時番茄果實的內部結構遭到一些破壞，其內部各組織被壓到一定位置，但內部組織還未被破壞，故番茄果實呈現出具有一定抗壓能力的狀態(tài)。在0.4～0.5 cm壓縮量時，負荷以不規(guī)則的形式增加，這個階段番茄內部的各組織及細胞被完全破壞。

機械臂的執(zhí)行末端在實際作業(yè)時會直接接觸番茄果實表面，所以根據測試數據可觀察到番茄的彈性形變極限，其中，番茄所能承受的最大載荷小于10 N。經過大量番茄果實壓縮試驗后，可得出大部分番茄果實所能承受的最大載荷在9～10 N之間，也就是說，當番茄表面負荷低于9 N時，番茄果實不會遭到損壞。

2.2.2 番茄果實表面的摩擦特性試驗 在番茄采摘機械臂末端執(zhí)行器的設計中，通常會采用硅膠材料來作為末端執(zhí)行器與番茄果實所接觸處的材料，所以要進行硅膠材料與番茄果實表面的摩擦試驗。首先，將番茄放在預先準備好的硅膠材料塊上面，通過放置砝碼在番茄正上方施加壓力，同時拉動番茄作水平運動，這時可在拉力計上直觀地看到施加拉力的大小，根據式（2）可計算出靜摩擦系數。

[μ=F（GC+GW）] （2）

式中：F為水平拉力；Gc為番茄果實與平板的質量之和；Gw為砝碼質量，計算單位為g。計算結果見表2。

取各組試驗得到的靜摩擦系數平均值，可近似得到番茄彈性形變中的平均靜摩擦系數μ=0.42。

在實際情況下，末端執(zhí)行器采摘番茄時應考慮番茄果實受到的重力作用，故：

Ff = F·μ gt; G

按單個番茄果實最大質量180 g計算，手爪抓取力的大小為：

[Fgt;Gμ]

即F gt; 4.29 N，也就是說采摘時抓取力應該大于4.3 N。

經番茄果實的硬度試驗分析可確定，采摘機械臂手爪設計的抓取力在小于9 N時可保證不對番茄果實造成損壞，并且由番茄果實的表面摩擦特性試驗可知，按照單個番茄果實最大質量180 g計算，機械手的抓取力應該大于4.3 N，即安全可靠的抓取力范圍應為4.3～9 N。

3 抓手設計

基于上述番茄果實的特性分析試驗結果，設計選擇購買市面上一款由舵機驅動的三指柔性機械爪，該柔性手爪的材質為橡膠且與番茄果實相接觸的部位為硅膠，更加柔軟，可避免硬性機械給番茄造成的損壞。抓取頻率小于60次/min，可夾取的直徑范圍是15～85 mm，相鄰的兩個柔性手指的間距H1為8～100 mm，柔性手爪的總長H2為153 mm，其中舵機的部分長H3為53 mm。手爪結構圖如圖3所示。

選用市面上常見的柔性薄膜壓力傳感器，并將其貼附于手爪的柔性手指與番茄果實相接觸的部位。它是根據電阻值隨著作用在檢測區(qū)域壓力的增加而減小的原理來檢測抓取番茄果實的力的大小。其厚度為0.35 mm，壓力感應范圍為20 g～10 kg，響應時間小于10 ms，這能夠滿足番茄果實采摘過程中的壓力監(jiān)測。

4 試驗與分析

經過試驗與研究，確定了手爪在進行采摘作業(yè)時對番茄果實施加的力的范圍，并且對番茄果實的特性做了試驗與分析，結合試驗結果分析得出手爪手指部分的壓力閾值范圍是4.3～9 N。接著針對試驗結果和番茄植株形態(tài)等方面的特征對末端執(zhí)行器進行了設計，同時為了檢驗手爪的工作性能與可行性，進行了番茄果實的模擬采摘試驗。通過試驗整理了采摘結果數據，模擬番茄采摘試驗數據見表3。

試驗共進行了50組模擬采摘，采摘次數50，成功采摘的次數43，采摘成功率為86%，所有采摘的番茄果實均未受到末端執(zhí)行器的損壞。觀察試驗過程發(fā)現，機械手在大多數情況下都能到達所設定的位置并成功采下番茄，未能成功采摘的情況大多是因為果實的果梗過粗，手爪旋轉未能使果梗斷裂，從而導致番茄果實不能與果梗完全分離。此外，經試驗可知，所有的采摘結果顯示每次采摘夾取果實的力的大小都能通過薄膜壓力傳感器測出，并且一旦達到設定的閾值，舵機便會停止轉動。由試驗結果可知，試驗設計的番茄采摘機械臂能夠完成番茄果實的實際采摘。采摘過程如圖4所示。

5 總結

試驗設計了一種基于番茄果實特性的柔性抓手設計，其能有效解決剛性抓手在處理番茄等脆弱果實時容易引起損傷的問題。此外，還對番茄果實的特性進行了詳細分析，包括柔軟性、易碎性及變形性，并在此基礎上提出了一種基于柔性材料和傳感器的抓手設計方案，最后通過試驗驗證了該設計的有效性。

參考文獻

[1] 劉繼展，溫室采摘機器人技術研究進展分析[J].農業(yè)機械學報，2017，48（12）：1-18.

[2] 林歡，許林云.中國農業(yè)機器人發(fā)展及應用現狀[J].浙江農業(yè)學報，2015，27（5）：865-871.

[3] 胡桂仙，于勇，王俊.農業(yè)機器人的開發(fā)與應用[J].試驗與研究，2002（2）：45-47.

[4] LING P P ， EHSANI R ， TING K C ，et al.Sensing and End-Effector for a Robotic Tomato Harvester[C]//2004， Ottawa， Canada August 1-4， 2004.

[5] LI Z， MIAO F， YANG Z， et al.An anthropometric study for the anthropomorphic design of tomato harvesting robots[J].Computers and Electronics in Agriculture， 2019（163）：163.

[6] LING X， ZHAO Y， GONG L，et al.Dual-arm cooperation and implementing for robotic harvesting tomato using binocular vision[J].Robotics and Autonomous Systems， 2019.

[7] LIU X， XU H， CHEN F. Research on vision and trajectory planning system for tomato picking robots[C]//2020 5th International Conference on Mechanical， Control and Computer Engineering （ICMCCE），2020.

[8] 于豐華，周傳琦，楊鑫，等.日光溫室番茄采摘機器人設計與試驗[J].農業(yè)機械學報，2022，53（1）：41-49.

[9] 劉繼展，李萍萍，李智國.番茄采摘機器人末端執(zhí)行器的硬件設計[J].農業(yè)機械學報，2008，39（3）：109-112.

Design of Flexible Claw Based on Tomato Fruit Characteristics

LYU Xia1，2

（1.Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China; 2.Key Laboratory of Remanufacture and Innovation of Agricultural Machinery and Equipment in Liaoning Province， Shenyang 110161， China）

Abstract： A flexible claw design based on tomato fruit characteristics is proposed to solve the problem that the traditional rigid claw is easy to cause damage when dealing with tomatoes and other fragile fruits. Firstly， the characteristics of tomato fruit were analyzed in detail， including softness， fragility and deformation; Then， a claw design scheme based on flexible materials and sensors is proposed. The claw is made of flexible materials and has high deformability and adaptability. It can be adjusted according to the shape and size of the tomato fruit; Finally， a series of experiments are carried out to verify the performance of the flexible claw design. The experimental results show that the claw can grasp and manipulate the tomato fruit effectively， and reduce the damage degree of the fruit during the grasping process.

Key words： " flexible claw; tomato fruit; design