果蔬采摘机器人末端执行器研究综述_李秦川

浙江大学生物系统工程与食品科学学院 教授 , 310027
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农
业
机
械
Βιβλιοθήκη Baidu
学
报
2 00 8年
部分力控制产生的误差, 避免夹持力过大压伤外表 或夹持力过小抓取失稳, 果蔬掉落。 针对以上原因 , 本文提出将欠驱动多指手作为 果蔬采摘机器人的末端执行器 , 并分析国内外研究 现状 , 说明其可行性。
温室的湿热环境下, 由复合材料制成的褶皱结构寿 命会受到很大影响。
引言
由于果蔬的外表较为脆弱 , 而它的形状及生长 状况复杂, 因此末端执行器的设计通常被认为是农 业机器人的核 心技术之一
[ 1]
或其他坚硬物体接触而碰伤外表。 原因 别处理系统有关; 原因
。在机器人采摘 过程 果 蔬位置
动方式、 传动系统和控制系统的特性相关。 对于原因 , 不同的果蔬其外表特性不同, 对于 橙、 柚等外表皮较厚且富弹性的果蔬 , 夹持力稍大也 不致压伤外表; 对于番茄、 草莓、 茄子、 苹果等外表皮 较薄较脆的果蔬, 则对末端执行器抓持力的控制要 求很高 , 同时要求夹持系统具有一定柔性 , 可以补偿
图 7 甜椒采摘机器人 Fig. 7 Sw eet pepper picking robot
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第3期
李秦川 等 : 果蔬采摘机器人末端执行器研究综述
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实际应用中大多数末端执行器是多指式。多指 式末端执行器属于机器人学中的多指灵巧手研究领 域, 果实的采摘可以归结为多指手对具有不同几何 形状和外表特性的物体抓取问题。在设计果蔬采摘 机器人末端执行器时必须考虑被采摘果实的生物、 机械等特性以及栽培方式。目前大多数果蔬采摘机 器人末端执行器为两指, 主要用于外形规则的小型 果实 ; 也有一些三指和四指的末端执行器, 用于外形 不规则或较大的果实 [ 5~ 11] 。 在完成抓取动作后, 末端执行器还需要将果实 与果柄分离。分离方式为切断或拧断。在条件允许 的情况下, 应尽量采用剪断果柄而不是拧断果柄的 方式 , 避免拧断时给果蔬表面造成伤口 , 导致病菌侵 入使果实腐烂, 例如桃、 李、 杏的采摘都要求留有果 柄。但对于某些束状生长、 果柄较短的果实, 采用剪 断的方式比较困难 。 末端执行器中手指和关节的数量与抓取效果密 切相关, 数量越多, 末端执行器的自由度就越多 , 抓 取动作更为灵活, 抓取效果更好。然而在传统的多 指手或末端执行器中, 驱动器数目和关节自由度数 目相等 , 属于全驱动机构。因此手指和关节数量的 增多意味着驱动器数目增加, 不仅导致控制困难, 还 带来传动系统的复杂化, 系统制造和维护成本增加 , 可靠性降低, 能耗上升等负面影响。 目前果蔬采摘机器人末端执行器基本都是专用 的 , 采摘机器人只能对一种果实进行收获 , 是 采摘机器人效率难以提高的主要原因, 也是制约采 摘机器人未来发展与应用推广的瓶颈。要突破这一 瓶颈, 就必须提高 末端执行器的通 用性和灵活性。 这就要求增加末端执行器中手指和关节的数量 , 但 同时又会带来系统成本和使用 成本大增等负 面影 响, 这和多指灵巧手的研究和应用现状也是一致的。 尽管 20 多年来多指灵巧手的理论和实践研究都取 得了显著进步[ 14~ 15] , 但大多数的灵巧手系统复杂 , 成本高, 通用性差, 仍停留在实验室阶段, 更难以运 用到农业工程实践之中。如何协调末端执行器的通 用性、 灵活性和成本之间的矛盾, 是果蔬采摘机器人 末端执行器研究发展的方向。
Fig . 4
1. 直流电动机 觉传感器
[ 3]
图4
2. 手指
番茄夹持器示意图
3. 限位开 关 4. 齿 轮 5. 支架 6. 触
Gripper for tomato harvesting robot
7. 吸盘
图1 Fig. 1
两指夹持器 T wo - finger gr ipper
图 2 两指气针夹持器 Fig. 2 Sliding - needles 图 5 番茄采摘四指手的手指示意图 F ig. 5 F ing er of tomato har vesting end - effector
2. Zhej iang Univer si ty )
Research progress and features of various end - effectors for fruit - veget able harvest ing are review ed. It is point ed out that the conf lict bet w een the universal applicability of t he end - ef fectors for f ruit veget able harvest ing and syst em cost as w ell as applicat ion cost is a main factor rest ricting the future development and applicat ion of fruit - veg et able harvest ing robot in China. T he underactuated multi fingered hand is proposed as t he end - effect or for fruit - veget able harvest ing, and then a det ailed review of t he research prog ress of underactuat ed multi fingered hand is present ed. T he feasibilit y of using t he underact uated multi f ingered hand in f ruit - vegetable harvesting is illustrated in t erms of mechanism features, g rasping modes and com prehensive costs. Key words H arvest ing robot , End - effector, Underactuat ed, Multi f ingered hand 表。 末端执行器抓取不稳定 , 果蔬掉落 , 与地面 、 主要与机械臂的控制规划和图像识 、 则与末端执行器及其驱
[ 1~ 14] [ 6]
结构更为简单、 通用性强的末端执行器来实现期望 的抓取功能。现代空间机构学和人手运动机理研究 的进展为解决这一难题指出了新的方法 : 欠驱动多 指手。 通常一般机构正常工作的条件是驱动器数目等 于机构本身自由度 , 即所谓的全驱动方式 , 如常见的 6 自由度工业机器人都具有 6 个电动机。当机构的 驱动器数目少于机构本身自由度数目, 可依靠机构 自身的动力约束条件来正常工作[ 16] , 称这类机构为 欠驱动机构。多指手的手指通常有数个关节 , 关节 数就等于该手指机构的自由度, 在全驱动方式下 , 手 指上每个关节都必须加装驱动器; 而在欠驱动方式 下 , 手指上可以只装一个驱动器 , 依靠弹簧和机械限 位装置来实现机构正常工作所需的动力约束条件。 以一个两关节欠驱动手指为例 , 其工作原理如 图 8 所示[ 17] 。虽然机构结构上具有 2 个自由度 , 但 由于机构设计中引入了动力约束条件 ( 弹簧 + 机械 限位装置) , 使其正常工作时只需要一个自由度。一 旦机构运动受阻, 驱动力大于动力约束, 就启动另一 个自由度。
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pneumatic g ripper
图 3 两指气动夹持器 F ig. 3 T w o - fing er pneumatic g ripper 图 6 番茄采摘四指手 Fig . 6 F our - finger hand for tomato harvesting
手, 如图 6 所示 , 手指用复合材料制成。 Kit amura[ 8] 等设计的甜椒采摘机器人的末端执行器也使用两指 形式 , 如图 7 所示。 浙江工业大学提出了一种基于气动弯曲关节的 三爪气动机械手 , 通过控制各个弯曲关节腔体中的 气压值来控制手指的弯曲 , 可用于抓取水果 。 Akishi 等[ 10] 发明的气动两指手, 可用来进行抓 取橙子之类的水果 , 通过气压使具有多层褶皱结构 的手指弯曲 , 同时使用一个吸盘吸住和保持水果的 位置。除了气压系统本身固有的不稳定性外, 手指 的褶皱结构层数太多 , 结构复杂, 控制困难, 而且在
中果蔬外表发生 损伤的主要原因有: 或刺伤果蔬外表。 伤。
识别或机械臂控制规划有误, 导致末端执行器划伤 末端执行器放置果蔬时, 新采 摘的果蔬与已采摘的果蔬发生碰撞 , 外表发生挤压 末端执行器抓取或夹持力过大, 压伤果蔬外
收稿日期 : 2007 -06 -01 * 国家 863 高技术研究发展计划资助项目 ( 项目编号 : 2006A A10Z257) 李秦川 胡 挺 武传宇 胡旭东 应义斌 浙江理工大学机电研究所 浙江理工大学机电研究所 浙江理工大学机电研究所 浙江理工大学机电研究所 副教授 , 310018 硕士生 副教授 教授 杭州市 杭州市
1. 支撑面 2. 缆绳 3. 管子
Kondo [ 5] 等 设计 的番 茄采摘机器人的末端执行 器采用吸盘和两指夹持器 结合形式 , 如图 4 所示 , 采 摘 的 成 功 率 达 到 85% ; M ont a[ 6] 等 设计了 番茄采 摘四指手, 由 4 个 90 间隔 分布的手指和一个吸引器 组成, 如图 5 所示, 每个手 指由 4 节组 成, 通 过缆绳 驱动 ; L ing 等设计了腱 缆驱 动 的番 茄 采 摘 四 指
图8
欠驱动手指工作原理示意图
Fig. 8 P rinciple of under actuated finger
图 9 所示为作者设计的 ZST U 欠 驱动多指手 CAD 模型。欠驱动多指手具有 2 种抓取模式 : 精确 捏取( 图 9a, 9b) 和包络抓取 ( 图 9c, 9d) 。仔细分析 这 2 种抓取模式可以发现 , 精确捏取模式适用于捏 紧果实近端果柄后再切断远端果柄, 如葡萄等束状 生长水果 ; 包络抓取模式适用于抓住果实后再切断 或拧断果柄 , 如苹果、 橙、 番茄等球形或类球形水果, 以及茄子、 黄瓜等长条形水果。这 2 种模式覆盖了 大多数常见果蔬的采摘方式。
Review of End -effectors in Fruit and Vegetable Harvesting Robot
Li Qinchuan1 Hu T ing 1 Wu Chuanyu1 Hu Xudong 1 Ying Yibin 2
( 1. Zheji ang Sci-tech Univer si ty Abstract
20 08 年3月
农 业 机 械 学 报
第 39 卷 第 3 期
果蔬采摘机器人末端执行器研究综述*
李秦川
摘要
胡
挺
武传宇
胡旭东 应义斌
从果蔬采摘的特点出发 , 综述了国内外 各种果 蔬采摘 机器人末 端执行 器的研 究现状 及特点 , 指出 末
端执 行器的通用性与系统成本、 使用成本之间的矛盾是制 约采摘机器人发展与应用推 广的关键难 题。提出将欠 驱 动多指手作为 果蔬采摘机器人的末端执行器 , 同时分 析了欠 驱动多 指手国内 外研究 现状 , 并从欠 驱动多 指手的 机 构特点、 抓取模式和综合成本等方面说明了这一 思路的可行性。 关键词 : 采摘机器人 中图分类号 : T P241 3 末端执行器 欠驱动 多指手 文献标识码 : A
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研究现状与发展方向
果蔬采摘机器人末端执行器可分为 : 纯吸盘式、
筒式、 针式、 多指式等几类。 Cho[ 1] 等设计的生菜收 获机器人采用了两指夹持器 ; 图 1 为 Kut z[ 2] 等研制 的移栽机器人中的两指平行夹持器; 图 2 为 T ing 等开发的移栽机器人用两指气压针式夹持器; 图 3 为 Ryu[ 4] 等设计的两指气动夹持器。