Compact robotic gripper with tandem actuation for selective fruit harvesting
作者: Alejandro Velasquez, Cindy Grimm, Joseph R. Davidson
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2024-08-13
备注: 8 pages, 9 figures
💡 一句话要点
提出一种紧凑型串联驱动机器人夹爪，用于选择性水果采摘
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 机器人夹爪 水果采摘 选择性采摘 串联驱动 自动化 农业机器人
📋 核心要点
- 现有水果采摘机器人夹爪在复杂环境下易碰撞，且单一驱动模式难以兼顾轻柔抓取和牢固夹持。
- 该论文提出一种串联驱动的紧凑型夹爪，结合吸盘的轻柔附着和手指的牢固抓取，适应不同水果几何形状。
- 实验表明，该夹爪在两种模式下抓握强度约为40N，在遮挡环境下抓握成功率超过96%，并在苹果园中验证。
📝 摘要（中文）
针对植物枝叶造成的遮挡和杂乱，选择性水果采摘是一项具有挑战性的操作问题。采摘夹爪应：i) 具有较小的横截面，以避免接近水果时发生碰撞；ii) 具有柔软且顺应性的抓取能力，以适应不同的水果几何形状并避免擦伤；iii) 能够牢固地夹持水果，以抵抗分离力。以往的水果采摘工作主要集中在使用具有单一驱动模式（吸力或手指）的夹爪。本文提出了一种紧凑型机器人夹爪，它结合了两者的优点。该夹爪首先使用柔顺的吸盘阵列轻轻地附着在水果上。附着后，伸缩式凸轮驱动手指展开，扫开障碍物，然后向内旋转，以牢固地抓住水果进行采摘。我们介绍并分析了手指的设计，包括扫除杂物和保持紧密抓握的能力。具体来说，我们使用电动测试台来测量每种驱动模式（吸力、手指或两者）的抓握强度。我们在不同的角度（0°、15°、30°和45°）施加拉伸力，并改变手指与水果之间的接触点。我们观察到，在两种模式下，抓握强度约为 40 N。我们使用苹果替代品来测试夹爪在存在遮挡苹果和树叶的情况下获得抓握的能力，实现了超过 96% 的抓握成功率（使用理想的控制器）。最后，我们在商业苹果园中验证了我们的夹爪。
🔬 方法详解
问题定义：现有水果采摘机器人夹爪面临的挑战在于，如何在复杂、拥挤的环境中，既避免碰撞，又能轻柔地抓取不同形状的水果，同时保证足够的抓握力以完成采摘。传统的夹爪通常采用单一的驱动模式，例如纯吸力或纯手指抓取，难以同时满足这些需求。纯吸力可能在表面不平整或有遮挡时失效，而纯手指抓取则可能损伤水果。
核心思路：该论文的核心思路是结合吸盘的轻柔附着和手指的牢固抓取，实现一种串联驱动的夹爪。首先利用吸盘阵列轻柔地附着在水果表面，避免直接的机械冲击。然后，通过伸缩式手指扫除周围的障碍物，并向内旋转以提供牢固的抓握力。这种设计能够适应不同的水果形状和大小，同时保证足够的抓握强度。
技术框架：该夹爪的整体架构包含以下几个主要模块： 1. 吸盘阵列：用于轻柔地附着在水果表面，提供初始的抓取力。 2. 伸缩式手指：通过凸轮驱动展开，扫除周围的障碍物，并向内旋转以提供牢固的抓握力。 3. 驱动机构：负责控制吸盘和手指的运动，实现串联驱动。 4. 控制系统：控制夹爪的运动和抓取过程，实现自动化采摘。
关键创新：该论文最重要的技术创新点在于串联驱动的设计，即将吸盘的轻柔附着和手指的牢固抓取结合起来。这种设计能够克服传统夹爪的局限性，在复杂环境中实现可靠的水果采摘。此外，伸缩式手指的设计也能够有效地扫除周围的障碍物，提高抓取的成功率。
关键设计：手指的设计考虑了扫除杂物和保持紧密抓握的能力。具体来说，手指采用伸缩式结构，可以通过凸轮驱动展开和收缩。手指的形状和角度经过优化，能够有效地扫除周围的树叶和其他水果。此外，手指的材料和表面处理也经过选择，以保证足够的抓握力和避免损伤水果。论文还使用电动测试台测量了不同驱动模式下的抓握强度，并优化了相关参数。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该夹爪在吸力和手指两种模式下，抓握强度均约为40N。在模拟遮挡环境下，使用苹果替代品进行测试，抓握成功率超过96%（使用理想控制器）。在商业苹果园的实际测试中，验证了该夹爪的有效性和可靠性。这些数据表明，该夹爪能够满足水果采摘的抓握强度和成功率要求。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于自动化水果采摘机器人，尤其适用于苹果、柑橘等易损伤水果的采摘。该夹爪的设计能够提高采摘效率，降低人工成本，并减少水果的损伤，从而提高水果的商品价值。未来，该技术还可扩展到其他农作物的采摘，例如蔬菜、浆果等。
📄 摘要（原文）
Selective fruit harvesting is a challenging manipulation problem due to occlusions and clutter arising from plant foliage. A harvesting gripper should i) have a small cross-section, to avoid collisions while approaching the fruit; ii) have a soft and compliant grasp to adapt to different fruit geometry and avoid bruising it; and iii) be capable of rigidly holding the fruit tightly enough to counteract detachment forces. Previous work on fruit harvesting has primarily focused on using grippers with a single actuation mode, either suction or fingers. In this paper we present a compact robotic gripper that combines the benefits of both. The gripper first uses an array of compliant suction cups to gently attach to the fruit. After attachment, telescoping cam-driven fingers deploy, sweeping obstacles away before pivoting inwards to provide a secure grip on the fruit for picking. We present and analyze the finger design for both ability to sweep clutter and maintain a tight grasp. Specifically, we use a motorized test bed to measure grasp strength for each actuation mode (suction, fingers, or both). We apply a tensile force at different angles (0°, 15°, 30° and 45°), and vary the point of contact between the fingers and the fruit. We observed that with both modes the grasp strength is approximately 40 N. We use an apple proxy to test the gripper's ability to obtain a grasp in the presence of occluding apples and leaves, achieving a grasp success rate over 96% (with an ideal controller). Finally, we validate our gripper in a commercial apple orchard.