苹果采摘对时间有严格的要求，不仅耗时耗力，而且在丰收季节，由于工人老龄化加剧和流动劳动力数量的净减少，许多果农常常面临招聘足够劳动力的严峻挑战。
为解决这一难题，研究人员曾探索过使用6自由度机械臂和线性机器人等刚性机械手进行自动化采摘。然而，这些方案往往成本高昂，许多果农对此具有巨大经济压力，同时这些方案在果园复杂环境中的操作复杂度也较高，进一步增加了实际应用的难度和成本。
鉴于此，一些研究团队转向开发采用柔性材料的苹果采摘夹持器，以期提供更为安全、经济且高效的替代方案。
据探索前沿科技边界，传递前沿科技成果的X-robot投稿，来自华盛顿州立大学的研究人员前不久便提出了一种专为苹果采摘而设计的轻型欠驱动软夹持器。这款夹持器重量仅为0.306公斤，成功分离率高达87.5%，不仅满足了软生长机械手在载荷方面的要求，同时保持了设计的简洁性，实现了高效的果实分离，展现出卓越的实用性。
这一重要研究成果在《Design and Evaluation of a Lightweight Soft Electrical Apple Harvesting Gripper》这篇论文中详细阐述，并在2024年IEEE第七届软机器人国际会议（RoboSoft）上进行了发表，受到了业内外的广泛关注。
接下来，一起来和机器人大讲堂深入探索这一研究成果！
▍轻型欠驱动软夹持器的设计和制造
在水果采摘领域，确保苹果从茎上顺利摘下一直是个技术难题。相较于常规的采摘和放置任务，摘取苹果需要更高的握力，这对于仅由硅胶制成的软夹持器来说是一项巨大挑战。硅胶的柔软特性虽然能保护果实不受损伤，但其有限的硬度可能导致苹果在采摘过程中滑落，影响采摘效率。
华盛顿州立大学研究人员提出的轻型欠驱动软夹持器成功突破了这一难题。该夹持器的主要部件采用聚乳酸（PLA）通过3D打印技术制成，不仅轻便且坚固。其独特的电缆驱动设计，配合三个灵活的手指，大大增强了抓握稳定性。更为精妙的是，夹持器的掌心尺寸和手指间隙均基于2023年收获季节的苹果样本数据进行了精确设计，确保了最佳的采摘效果。
软夹持器组件。软夹持器包含两个限位开关，用于识别何时闭合和张开手指。手指由硅胶制成，内嵌 TPU 骨架。伺服电机和滑轮用于闭合手指。图中显示了 CAD 组件 (a) 和物理原型 (b)
在操作上，夹持器通过两个位于手掌和底座上的限位开关实现自动化控制。一旦苹果触碰到手掌上的限位开关，伺服器便会迅速启动电缆，使手指紧密闭合，稳稳地夹住苹果。当需要放下苹果时，只需按下底座上的限位开关，夹持器便会松开手指，将苹果安全地放置在预定位置。
在制作软夹持器的单根手指时，研究人员。首先，通过PLA打印出手指的负模，然后将TPU骨架放入模具中固定。接着，倒入Dragonskin 30硅橡胶并等待其固化。固化完成后，取出手指并穿过电缆，牢固地固定在手指端盖上。这一过程中，研究人员特别注意到TPU骨架与硅胶之间的结合强度，通过在TPU骨架上制作小切口，有效增强了两者之间的互锁效果，防止了频繁使用导致的损坏。
软手指组件。a) 具有 TPU 骨架的单个软手指的制造过程。将硅胶铸入具有 TPU 骨架和钢棒的模具中，以形成用于电缆的空腔。移除钢棒并插入电缆以产生弯曲运动。b) TPU 骨架图案。针对夹持器设计测试了三种类型的 TPU 图案（Gyroid、Cross3d 和 Cross）。
硅胶与3D打印TPU骨架的结合，不仅保护了苹果免受损伤，还增强了柔软手指的刚性。为了确保最佳效果，研究人员对三种不同的TPU骨架打印模式进行了评估，最终确定了最佳方案。
在驱动机制上，夹持器的三根手指由下方的公共滑轮驱动。由于伺服器的转动范围有限，研究人员对滑轮尺寸进行了精确优化，确保在有限的角度内实现手指的完全闭合。然而，在测试过程中，他们发现由PLA制成的滑轮无法承受电缆张力产生的力。为解决这一问题，研究团队设计了一种更坚固的3D打印滑轮替代品，使得电缆可以直接缠绕在螺栓上并通过拧紧螺母固定。这一改进不仅简化了更换电缆的流程，还提高了现场操作的便捷性。
滑轮组件。滑轮设计坚固且易于组装。该设计包括使用螺母和螺栓牢固地连接滑轮电缆。滑轮底座连接到伺服器，套筒缠绕滑轮电缆。图中显示了 CAD 组件 (a) 和物理原型 (b)。
最后，夹持器手掌的尺寸也是经过精心设计的。研究人员通过随机测量20个Jazz品种的苹果周长，确定了夹持器手掌的最佳内径尺寸为9.8厘米。这一设计不仅确保了苹果能够稳定地放置在夹持器中，还大大提高了采摘的效率和成功率。
▍轻型欠驱动软夹持器的性能测试
为了全面验证轻型欠驱动软夹持器在实际采摘任务中的性能与实用性，研究人员近期开展了一系列精心设计的实验，并在华盛顿州普罗瑟的Allan Brothers商业苹果园进行了现场测试。
A. 力量测试
在力量测试中，研究人员特别关注单根手指的力输出特性。通过搭建如下图所示的实验装置，夹持器配备单根手指，手指末端连接称重传感器，用以精确测量在不同弯曲角度下产生的力。这一数据对于评估夹持器在采摘过程中能否稳固抓住苹果至关重要。经过三次重复测试，并详细记录每根手指的弯曲角度，研究人员获得了宝贵的数据。
力测试设置。将一根软手指按压在称重传感器上，以测量其力输出。此操作重复四次，一次针对每个 TPU 骨架填充图案，一次针对对照（无填充）。
实验数据显示，具有十字形TPU骨架的手指在整个弯曲范围内产生了最大的力，而无TPU骨架的手指尽管弯曲角度高达103°，但其产生的力明显较小。基于这些测试结果，研究人员制造了多种夹持器原型，并在苹果收获季节进行了现场评估。
力输出和弯曲角度结果。力输出和弯曲角度直接相关。嵌入 TPU 的硅胶手指可产生更高的力输出。
B.果园评估
为验证夹持器在真实果园环境中的表现，研究团队在Allan Brothers果园进行了实地测试。该果园采用平面树结构，使果实生长呈现类似墙壁的排列，大大简化了机械化或机器人平台的操作。测试主要针对Envy苹果品种，在采摘日期开始后的两天内进行。
在测试中，收获的苹果随机选择，夹持器由一人操作，以垂直于苹果茎的方向接近果实。一旦苹果触发掌心上的限位开关，伺服电机即拉紧电缆，使手指紧密包裹苹果。随后，操作员拉动夹持器，尝试将苹果从树枝上分离。下图（a）展示了成功采摘的场景，硅胶手指紧紧缠绕在苹果上，将其顺利摘下。
果园评估结果。（a）上排三张图片显示了软夹持器成功采摘苹果的采摘顺序。下排三张图片描绘了软夹持器未能采摘苹果（苹果逃脱抓握）的试验快照。在测试期间，三次尝试内未成功被夹持器采摘的苹果将被手工采摘并收集起来进行进一步分析。（b）箱线图显示了每个夹持器试图采摘的苹果的直径。平均值用黑点表示。（c）箱线图显示了每个夹持器试图采摘的苹果的重量。平均值用黑点表示。
经过目视检查，所有采摘的苹果均未因夹持器而受到损伤。总共收集了160个苹果，每种夹持器类型均成功采摘了40个苹果，无需维修。上图（b）（c）展示了收获果实的尺寸和重量分布，结果显示大部分水果尺寸和重量相似，不同夹持器类型间的差异微乎其微。
值得一提的是，尽管未观察到对水果的明显损伤，但在操作过程中，支撑苹果的树枝受到了一些意外损坏，这主要归因于操作员在采摘时将夹持器缩回得太快。
成功抓取率。每种夹持器类型的成功抓取百分比表明，具有 Cross TPU 图案的夹持器表现最佳，并且没有 TPU 骨架的表现非常差。
上图展示了各种夹持器类型的成功率，其中采用十字形TPU骨架的夹持器表现最佳，成功率高达87.5%。这一结果表明，研究人员设计的软夹持器不仅具有出色的苹果友好型抓取能力，而且机制设计简单，易于适应不同尺寸的苹果，并且易于维护。
此外，单个夹持器的成本约为36美元，相比现有的气动夹持器，具有更高的成本效益。在商业果园中，该夹持器已成功采摘苹果，且无需维修即可持续使用40个周期。
▍关于未来
展望未来，研究团队计划进一步优化夹持器的设计，包括增加扭转动作以模仿人类自然的采摘方式，探索增加手指与苹果之间摩擦力的方法，以降低苹果滑落的可能性。此外，他们还将继续完善系统组件的集成，并在不同天气条件下进行商业果园的广泛评估，以优化夹持器的尺寸和性能。最终目标是确保夹持器在整个短暂的收获季节内都能可靠运行，同时简化维修过程，为自动化采摘提供强有力的技术支持。
▍关于X-robot
X-robot是中关村机器人产业创新中心与机器人大讲堂联手打造的权威性信息发布品牌专栏，集前沿探索、产业研究、知识普及于一体，致力于积极推动新质生产力的生成与发展，助力大陆乃至全球机器人行业的蓬勃繁荣。X-robot立足国际化视野，通过全方位、多角度的挖掘与追踪，生动展现机器人前沿技术与尖端成果，为学术界、产业界及公众提供一个洞见未来、共享科技的重要窗口。
参考文章：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10521995