绳驱柔性机械手研究进展及其在农业机器人中的应用

doi:10.12398/j.issn.2096-7217.2024.04.007

摘要/Abstract

摘要：

绳牵引并联机器人具有结构简单、运动惯性小、可重构、响应速度快等特点，成为近年来机器人领域研究的热点。而绳驱柔性机械手由于其驱动绳索的柔弹性为任务操作提供了一定的适应性和柔顺性，能够实现作业对象与机械手良好的动态交互，提高防破损耦合的能力，引起了农业机器人领域科研人员的广泛关注。由于农业采摘机器人的作业环境具有非结构化、不确定的特点，而大多数的果实外表皮脆弱易损，因此对直接与果实接触的采摘机械手要求更严格，既要满足稳定抓持又不能损伤果实。为实现采摘机器人高效精准作业，与生物友好交互的轻量化柔性末端执行机构是急需重点突破的关键理论技术之一。首先，阐述了具有商业应用前景的绳驱柔性机械手的特点及发展概况；然后，详细综述了国内外研究人员对绳驱柔性机械手的设计、建模和控制等理论的研究进展，进一步概述了绳驱柔性机械手在肢体康复和灵巧操作领域的应用开发，详细分析绳驱柔性机械手在农业采摘领域应用的意义，并对绳驱柔性机械手在番茄、苹果、草莓和黑莓采摘的研究现状进行分析；最后，针对现阶段绳驱柔性机械手在农业采摘存在的采摘准确度不高、通用性差和成本高、造成损伤、采摘效率低下等问题，指出今后绳驱柔性机械手商业化应用亟须在农机农艺协同、模块化与可重构设计、提高交互安全性、多传感器融合、采摘序列规划与强鲁棒控制等方面开拓创新，为果蔬机械化无损采摘机构的设计提供新的思路和方法。

关键词: 绳驱柔性机械手, 农业机器人, 采摘, 番茄, 苹果, 草莓, 黑莓

Abstract:

Cable-driven parallel robots have become a hot research topic in the field of robotics in recent years due to the characteristics of simple structure， small motion inertia， reconfigurability， and fast response speed， etc. The cable-driven flexible manipulator provides a certain adaptability and softness for operation due to the flexibility and elasticity of driving cable，and consequently it can achieve good dynamic interaction between the operating objects and the manipulators， and improve the ability to prevent broken loss coupling， which has also attracted widespread attention from researchers in the field of agricultural robotics. Due to the working environment of agricultural picking robots has the characteristics of unstructured and uncertainty， and most of the fruit outer skin is fragile and easy to damage， the requirements for picking robots that come into directly contacted with the fruits are stricter， ensuring stable grasping without damaging the fruits. In order to achieve efficient and precise operations of picking robots， lightweight and flexible end execution agencies that interact with biological friendly interaction are key theoretical technologies that urgently need to be broken through. This article first elaborates on the characteristics and development overview of cable-driven flexible manipulators with commercial application prospects. Then， the research progress of the theory such as the design， modeling and control of cable-driven flexible robotics at home and abroad is reviewed in detail. Further the typical application development of cable-driven flexible robots in the field of physical rehabilitation and dexterous grabbing is outlined. A detailed analysis is conducted on the significance of the application of cable-driven flexible manipulators in the field of agricultural picking， and the current research status of cable-driven flexible manipulators in tomato picking， apple picking， strawberry picking， and blackberry picking. Aiming at the problems of low picking accuracy， poor versatility， high cost， damage and low picking efficiency of cable-driven flexible manipulator in agricultural picking at the present stage， it is pointed out that in the future， the commercialization of cable-driven flexible manipulator needs to make innovations in agricultural machinery and agronomy collaboration， modular and reconfigurable design， improving interaction safety， multi-sensor integration， picking sequence planning and strong robust control in this study and it provides new ideas and methods for the design of mechanized non-destructive picking mechanisms for fruits and vegetables.

Key words: cable-driven flexible manipulator, agricultural robots, picking, tomatoes, apple, strawberries, blackberry

中图分类号:

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图/表 9

图1 绳驱柔性机械手设计样机

Figure 1 Design prototype of cable-driven flexible manipulator

图2 绳驱柔性机械手建模样机

Figure 2 Modelling prototype of cable-driven flexible manipulator

图3 灵巧操作的绳驱机械手

Figure 3 Cable-driven robotic in the field of agile operation

图4 绳驱番茄采摘机械手

Figure 4 Cable-driven tomato picking robot

图5 超冗余绳驱连续体采摘机器人

Figure 5 Super redundant cable-driven continuous picking robot

图6 绳驱苹果采摘机器人

Figure 6 Cable-driven apple picking robot

图7 绳驱草莓采摘机械手

Figure 7 Cable-driven gripper for strawberry picking

图8 绳驱软体黑莓采摘机械手

Figure 8 Cable-driven soft gripper for blackberry picking

表1 不同类型的采摘机械手相关特性比较

Table 1 Comparison of relevant characteristics of different types of picking manipulator

性能参数	类型
性能参数	刚性机械手	气动软体机械手	绳驱柔性机械手
结构特点	刚度高、笨重	刚度低、较笨重	可变刚度、轻量化
自由度	少	无限多	多
柔顺性	低	高	高
灵活性	低	较高	高
安全性	低	高	高
工作环境	结构化	结构化和非结构化	结构化和非结构化
建模难易	容易	困难	较容易
控制难易	容易	不易	较容易
传动效率	高	低	较高
操作对象	固定尺寸	可变尺寸	可变尺寸
输出力	大	小	可变

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