果蔬采摘機器人末端執行器研究現狀

摘要：

目前果蔬采摘大多以人工采摘為主，存在效率低、采摘成本大等缺點，同時隨著人口老齡化問題的日益嚴重，勞動力緊缺，制約農業的快速發展。末端執行器作為果蔬采摘機器人的關鍵部件，在很大程度上影響著采摘機器人的采摘率和損傷率，對末端執行器的研究具有至關重要的意義。充分闡述當前國內外果蔬采摘機器人的研究現狀。根據采摘方式和驅動方式的不同對采摘末端執行器進行歸納，總結出采摘過程中致損原因。通過列舉典型采摘末端執行器，分析末端執行器在采摘過程中果實致損的原因；通過對現有采摘機器人末端執行器方案的具體參數對比梳理，提出存在識別定位不準、采摘效率低等問題，并從損傷率、采摘效率等方面對未來末端執行器進行展望。

關鍵詞：果蔬采摘；末端執行器；機器人；果實致損；智能化；機械化

中圖分類號：S225； TP242

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0231-06

收稿日期：2022年9月17日" 修回日期：2023年1月9日

基金項目：江蘇省重點計劃（產業前瞻與關鍵核心技術）重點項目（BE2021016—2）；江蘇省現代農機裝備與技術推廣項目（NJ2021—18）；江蘇省農業科技自主創新資金項目（CX（22）3099）

第一作者：胡皓若，男，1997年生，南京人，碩士研究生；研究方向為水果采摘機器人設計。E-mail： 1113949361@qq.com

通訊作者：王金鵬，男，1979年生，河南商丘人，博士，副教授；研究方向為農林機械及其自動化。E-mail： jpwang@njfu.edu.cn

Research status and analysis of end-effector of fruit and vegetable picking robot

Hu Haoruo， Zhang Yueyue， Zhou Jialiang， Chen Qing， Wang Jinpeng

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing，210037， China）

Abstract：

At present， most of the fruit and vegetable picking is mainly based on manual picking， which has disadvantages such as low efficiency and large picking cost， while the problem of labor shortage restricts the rapid development of agriculture as the population aging problem becomes more and more serious. The end-effector， as a key component of fruit and vegetable picking robot， largely affects the picking rate and damage rate of the picking robot， and the research on the end-effector is of vital significance. The current research status of fruit and vegetable picking robots at home and abroad is fully described. The end-effectors of picking are summarized according to the different picking and driving methods， and the causes of damage in the picking process are summarized. By citing typical end-effectors of picking， we analyze the causes of fruit damage during the picking process. By comparing the specific parameters of existing picking robot end-effector solutions， the problems of inaccurate identification and positioning， low picking efficiency， etc. are presented， and the future end-effectors are prospected in terms of damage rate and picking efficiency.

Keywords：

fruit and vegetable picking; end effector; robot; damage to fruit; intelligent; mechanization

0 引言

近十年來，我國果蔬業持續蓬勃發展，現代化農業基地和智慧農業的發展帶動水果種植區域規范化，截至2021年全國水果總產量高達2.997×108t，位列世界第一［1］。隨著果蔬產業效益越來越明顯，由于果蔬人工采摘存在成本費用高、采摘效率低等問題，果蔬產業的快速發展和農業勞動力短缺的矛盾日益顯現［2］。果蔬采摘機器人能夠提高采摘效率、降低成本，實現果蔬業的機械化自動化生產［3］。因此，果蔬采摘機器人的研究與發展對整個果蔬業有著深遠影響［4］。

我國相比于發達國家對果蔬采摘機器人末端執行器的研究較晚，加上農業機器人采摘時環境的特殊性、復雜性以及對采摘精度、成功率、損傷率的要求，就導致我國果蔬采摘末端執行器研究尚處于實驗室試驗階段［5， 6］。因此，研究適用于果蔬采摘方面的末端執行器用于提高采摘效率、降低果蔬損傷率和降低人工成本具有重要意義［7］。

1 采摘方式

目前適用于果蔬選擇性采摘的末端執行器，從動作采摘原理上可分為三類：直接分離、先夾持再分離、先吸持再夾持后分離［8］。

1.1 直接分離式末端執行器

直接分離式采摘末端執行器是通過振動或剪切等方式直接將目標果實振落或剪切分離枝干，落入果實收集軟管進行回收。

直接分離式末端執行器對視覺方面要求比較低，對控制系統的要求也就隨之降低，但直接分離式末端執行器少了夾持的采摘環節，對果實的穩固性不佳，采摘時易造成果實損傷，且直接分離式末端執行器存在單果采摘效率低等問題。

Kamata等［9］研發了南瓜擬人手采摘末端執行器，視覺系統檢測到物體并將機械臂移動到南瓜的所需位置后，通過伺服電機驅動五個手指進行抓取并快速旋轉，置于手指兩側的刀片將果莖切斷實現南瓜采摘。

王毅［10］模仿蛇類咬合動作原理研發柑橘采摘機器人，通過手指氣缸為對稱鉸鏈四桿機構提供剪切動力，實現刀片的咬合。Peterson等［11］設計了蘋果收獲機器人，在汽油發動機三輪式底盤上安裝傾斜移動框架以及水平滑軌，帶動液壓缸式振動頭振動，將蘋果從果柄上振落并收集。

大多數果蔬都易損傷，直接分離式末端執行器由于缺乏用于穩定果實的夾持機構，提高了易將果實損傷的風險，為降低過果實損傷率的問題，大多末端執行器會在結構連接處增添柔性結構或采取減震裝置等方式來降低果蔬的損傷率。搖振直接分離式末端執行器一般用于干果這類不易損傷果實的采收［12］。

1.2 夾持分離式末端執行器

夾持再分離式采摘末端執行器是先通過夾持機構實現目標果實的穩固，再由對應的剪切分離機構將目標果實與果柄分離。

Arad等［13］設計了甜椒采摘末端執行器，該末端的執行器先通過RGB-D攝像機進行甜椒圖像定位，操縱器隨后移向甜椒，并確定莖稈相對于甜椒的位置，然后旋轉末端執行器使莖位于水果后面，接著使用視覺伺服系統向目標移動。當到達甜椒時，安裝在末端執行器上的夾持裝置夾持住甜椒，啟動末端執行器上的振動刀，垂直于夾持方向移動以切割甜椒梗。

Davidson等［14］設計了三指蘋果夾持分離式末端執行器，以輪式電動車搭載7自由度并聯式機械臂裝有三指夾持分離式末端執行器，夾持機構內側安裝有橡膠墊以降低對果實的損傷，采用拉動線纜使手指彎曲夾持蘋果，通過旋轉將果梗扭斷。由于采摘過程中未綁定枝干上的果實，夾持果實扭斷的方式不易將目標果實扭下，所以需通過進一步優化末端執行器的力傳感器和果—柄定位來提高采摘效率。陳燕等［15］設計了荔枝采摘末端執行器，采用夾剪一體式結構，夾持手指隨刀片閉合對果梗進行剪切，采用夾剪一體化將目標果實與果柄分離，降低了對果柄定位的要求，提高了采摘效率。

徐麗明等［16］設計了臍橙采摘末端執行器，該末端執行器由吸附裝置、夾持、剪切機構組成，通過下氣缸為吸盤提供動力吸取果實，夾持機構由電機帶動絲杠對果實進行夾持對果實進一步穩固，剪切機構動力由上氣缸提供，該末端執行器采摘效率較高，但對果柄較短的果實可能會導致采摘失敗。

夾持分離式末端執行器相比于直接分離式末端執行器對果實的穩固性更好，并且為降低果實損傷率，其夾持機構的材料一般選用柔性材料。由于多了夾持穩固果實的采收環節，對目標果實的定位要求也隨之變高。

1.3 吸持夾持分離式末端執行器

先吸持再夾持后分離式采摘末端執行器是先通過真空吸盤的輔助吸持作用將目標果實穩定，再由夾持裝置進行夾持，最后通過擰、折、拽等動作將目標果實與果柄分離。

Setiawan等［17］設計了蘋果采摘機器人，其末端執行器由兩個裝有氣囊的圓杯構成，當果實進入圓杯內時，氣囊開始充氣夾持住目標果實，從而避免果實的損傷。Baeten等［18］設計了蘋果采摘末端執行器，當末端執行器接近蘋果過程中，蘋果就被吸到末端執行器處，通過旋轉使果實與果柄分離。Ling等［19］設計的西紅柿采摘機器人，真空吸盤將果實吸住并將目標果實拉離果束，再由四指夾持手爪包絡果實扭轉完成采摘。Tanigaki等［20］設計的櫻桃采摘末端執行器，采摘首先通過吸持裝置吸住果實并將果實拉離果束，再通過夾持手爪夾持穩固目標果實，最后旋轉電機驅動手爪將果實與果柄分離。Van等［21， 22］針對黃瓜的吊蔓栽培設計了采摘機器人，利用加裝了吸盤的氣動夾持器對黃瓜進行夾持固定，接著用熱切割裝置對黃瓜果梗進行切割，試驗表明采摘率達74.5%，采摘率不高的原因主要是由于末端執行器無法對有樹葉遮擋的果梗進行精確定位從而無法完成熱切割。

由于吸持夾持式末端執行器一般采用真空吸持或者氣囊的形式，將目標果實吸持穩定住，大大降低了果實的損傷率，同時由于少了夾持環節，所以多果采摘效率較低，單果采摘效率相對較高。

2 果蔬采摘末端執行器的驅動方式

根據驅動類型，機器人末端執行器可分為真空末端執行器、磁性末端執行器、液壓末端執行器、氣動末端執行器和電動末端執行器［23］。真空末端執行器是根據伯努利原理工作，在夾持板和物體表面之間產生高速氣流，從而產生真空［24］。氣動末端執行器和電動末端執行器是最常用的末端執行器。氣動末端執行器可提供高夾持力，電動末端執行器可輕松精確控制。由于液壓系統中輔助結構的要求，液壓末端執行器提供了強大的抓取能力，同時也存在體重過大的缺點，所以一般用液壓驅動的末端執行器很少。

2.1 電機驅動末端執行器

采用電機驅動方式可以實現采摘末端執行器的精準控制、靈敏度和精度較高、信號傳輸速度快、便于集中控制。

為了實現電機控制手指精準抓取目標果實，魏博等［25］研發了柑橘采摘末端執行器示，電機控制手指實現目標果實抓取動作，再由旋轉電機帶動整個手爪旋轉將果實擰下來，完成對果實的采摘。Zhao等［26］設計了兩指蘋果采摘末端執行器，兩指內面貼有力傳感器用于感應夾持力，電機驅動兩指進行開合，但由于整個采摘過程需要低電壓和低速完成，導致采摘效率低下，采摘總耗時過長。李國立［27］設計了桶狀蘋果末端執行器，電機控制刀片和攏果器將果實包絡起來，位置傳感器檢測到目標果實完全進入末端執行器后，刀片配合攏果器將目標果實果柄剪斷。

2.2 磁性末端執行器

磁性末端執行器是使用改良磁流變液或磁性材料進行抓取的末端執行器。磁流變液可能在磁場激活期間產生應力，磁流變液末端執行器通過黏附磁流變液末端執行器的特性來抓取物體［28］。磁流變液末端執行器可以避免硬接觸，柔順表面也有助于處理各種形狀和易碎物體。

為克服傳統末端執行器的硬接觸，減少擦傷和目標果實破損的風險，Pettersson等［29］研究了一種具有順應性可變形的磁流變液式末端執行器；磁流變液可以在磁場激活期間產生應力，末端執行器通過黏附磁流變液末端執行器的特性來抓取物體，MR沖液袋中的磁流液體在磁場的變化下變成牛頓液體對目標果實輪廓包裹，在單元驅動器的驅動下完成果實的采摘。

Tsugami等［30］在原先的磁流變液式末端執行器的基礎之上，利用電磁鐵和永磁體研究出一種新的磁流變液末端執行器，抓取末端執行器壓在目標物體上并用彈性膜覆蓋，抓取器繼續下降，直到永磁體吸附電磁鐵，彈性膜固定到物體的形狀，隨后物體和彈性膜之間的接觸面上產生的摩擦力使末端執行器能夠提起目標物體。但磁流變液末端執行器存在抓取力取決于磁流變液的黏度和密度，抓取過程時間過長，以及磁流變液在農業應用中費用較昂貴等問題。

2.3 混合驅動末端執行器

大多數類型的末端夾持器通常由一種驅動控制，混合驅動末端執行器整合了不同驅動方法的優點，以實現高性能；還可以將軟材料和剛性材料結合在一起，制成混合末端執行器。

Chiu等［31］結合不同驅動方法的優點研發番茄欠驅動四指采摘末端執行器，各個手指由四個彈性關節組成，指面附有彈性泡沫橡膠，手爪中心位置裝有吸嘴，水果被吸盤吸住，雙軸氣缸就會收縮真空吸盤噴嘴，將水果拉入吸盤，隨后開合板閉合，螺線管拉動導線，使四個手指同時彎曲和夾緊，從而抓取目標果實，最后通過旋轉電機旋轉將果實扭轉下。

紀超等［32］設計了溫室黃瓜采摘機器人，雙目相機、近紅外濾光片等對目標果實識別定位，當末端執行器靠近黃瓜時微動開關啟動，隨后柔性手爪夾持黃瓜，手爪上裝有壓力反饋接收裝置，壓力到達設定反饋值后驅動刀片旋轉180°切割果梗完成采摘。

2.4 氣動末端執行器

氣動末端執行器的驅動是通過外部安裝的氣缸實現。Muscato等［33］研究了一種氣動柔性三指夾持柑橘的末端執行器，通過視覺系統定位目標果實，柔性三指末端執行器靠近果實并包絡住果實，激活氣動實現的手指的抓取動作，隨著壓力的增加手指閉合，從而確保在移動時牢牢抓住，最后利用圓鋸片對果柄進行剪切。Kondo等［34， 35］研發的高架草莓氣動采摘機器人，該末端執行器的吸持裝置提供真空氣動，采摘時，先由吸持裝置吸持住草莓，再由末端執行器夾住并切斷果梗完成采摘。

綜上所述，不同方式驅動的采摘末端執行器都存在一定的不足，不同末端執行器的工作原理、驅動方式的不同也致使采摘末端執行器在采摘效率、損傷率等方面差別很大，直接分離式末端執行器對于視覺方面要求比較低，對控制系統的要求也就隨之降低，但直接分離式末端執行器少了夾持的采摘環節，對果實的穩固性不佳。絕大多數夾持式采摘末端執行器是通過先夾持固定住目標果實后用剪切或扭斷等方式完成采摘，這種采摘方式采摘效率低，且對于表皮薄的果實會有一定的損傷。非夾持式采摘末端執行器如真空泵吸入式，少了夾持環節單果采摘效率相對較高，以氣缸為驅動的采摘末端執行器可以提供高抓取速度和強大的夾持力，且價格低、易于控制，廣泛應用于采摘末端執行器當中。液壓驅動的采摘末端執行器由于質量過大，會造成采摘效率低等問題，一般采用的較少。

3 存在問題

在過去的幾十年里，各種果蔬采摘機器人末端執行器取得了頗多進展，包括電動末端執行器、磁性末端執行器、氣動末端執行器等。為降低運營成本和提高效率，在農業機器人上安裝各種末端執行器，用于機器人抓取果蔬以及農產品。到目前為止，執行器、傳感器、材料科學和基于人工智能的控制算法的發展果蔬采摘機器人更加快速，果蔬采摘機器人末端執行器的應用為農業自動化和機械化的發展做出了巨大的貢獻。

與工業末端執行器相比，由于農業的環境的特殊性以及復雜性，造成采摘目標的精確識別定位存在難點，識別難點一直制約著農業機器人以及末端執行器的快速發展；同時農業末端采摘對抓取的精度要更求高，且絕大多果蔬以及農產品都是易損傷的，容易留下劃痕或碰傷果蔬，同樣迫使農業機器人在農業上全面普及使用面臨挑戰；末端執行器的質量大，通用性差、采摘效率低和裝置成本高等問題的存在，未能實現末端執行器的商業化。

機器人在實地進行采摘作業時，除識別定位和采摘動作以外，還存在導航、搬運、放置目標等多個環節，以及后期需要人工對機器人進行充電維修等處理，完全實現無人自動化智能化機器人仍面臨挑戰。針對果蔬末端執行器，結合目前采摘末端執行器分析，本文提取近5年果蔬采摘相關期刊、論文，并對其中比較重要的關鍵詞進行歸納梳理如表1所示。

4 發展趨勢

果蔬機械化采摘在近5年內的研究仍以采摘機器人和末端執行器為主，研究的果蔬多以有別于枝葉顏色的果蔬為主，在農業應用中，末端執行器的發展與研究將促進未來果蔬農業的智能化與機械化的發展，在未來發展的趨勢可能如下。

1） 降低采摘損傷率。末端執行器的夾持部件或采摘手爪多由柔性材料構成，柔性手爪對各種采摘果蔬的自適性更好，可以有效改善剛性夾持的不足，有助于無損夾持的實施，且柔性手爪的包絡性更強，增加接觸面，將損傷率降至最低，并提供穩定的抓取。

2） 提高智能化和個性化發展。末端執行器具有多傳感器、高自由度和智能控制系統，抓取器的設計和控制充分考慮到果蔬的物理、化學和生物特性。

3） 增加多種驅動方式。結合各個驅動方式的優點，末端執行器上的驅動方式不再僅限為單一驅動，混合驅動夾持末端執行器將成為農業用途的新解決方案。

4） 降低漏采率。針對樹枝或樹葉在采摘過程中會妨礙視覺圖像處理這一問題，利用撥枝結構配合圖像識別系統將干擾樹枝撥開，再通過吸持扭轉或者夾持剪切等方式將果實采摘下，降低漏采率。

5） 提高末端執行器通用性。目前的末端執行器的設計基本是針對某一種采摘對象，通用性差。末端執行器若能適用于物理、生物特性相似的采摘對象，將降低采摘成本。

6） 降低末端直執行器的質量。末端執行器要實現快速無損采摘就必須解決質量大這一問題，減輕質量的同時也可以降低末端執行器在高速運動中帶來的碰撞破壞。

5 結語

1）" 在過去的幾年中，各種末端執行器已配合果蔬采摘機器人進行采摘農產品，降低果蔬業運營成本、提高效率。本文對國內外先進的果蔬采摘末端執行器按采摘方式、驅動方式進行了梳理和分析，國內目前的采摘方式多為剪切或扭轉，驅動方式大多采用電機或氣缸，國內末端執行器的研究相對落后，雖然國外對果蔬采摘末端執行器研究較早，但采摘機器人需要多領域的協同技術保證，技術難度較大，加上室外實地采摘影響因素較多，致使目前絕大多數采摘機器人還處于試驗研究階段。

2） 比較討論不同類的末端執行器的優缺點，許多果蔬采摘末端執行器存在著通用性差、質量大、結構復雜、成本較高等問題，這些都阻礙了果蔬采摘機器人的發展。因此，研究通用性好、結構簡單輕便、成本低經濟效益高的果蔬采摘末端執行器至關重要。

3）" 闡述末端執行器在農業和應用中面臨的挑戰和未來潛在的發展趨勢，隨著國家對智慧農業的裝備投入力度逐漸增大，以及視覺定位、圖像處理、控制系統等機械智能化的研究技術的不斷成熟，果蔬采摘機械化、智能化將會很快成為現實。

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