柔性夹爪农业采摘应用评价框架与设计准则_苑进.pdf

现代农业装备 Modern Agricultural Equipment ISSN 1673 2154 CN 44 1616 S 现代农业装备 网络首发论文 题目 柔性夹爪农业采摘应用评价框架与设计准则 作者 苑进 孟庆猛 王耀辉 方家明 崔继元 辛振波 刘雪美 收稿日期 2026 07 22 网络首发日期 2026 08 06 引用格式 苑进 孟庆猛 王耀辉 方家明 崔继元 辛振波 刘雪美 柔性夹爪农业 采摘应用评价框架与设计准则 J OL 现代农业装备 网络首发 在编辑部工作流程中 稿件从录用到出版要经历录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿等阶 段 录用定稿指内容已经确定 且通过同行评议 主编终审同意刊用的稿件 排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式 包括网络呈现版式 排版后的稿件 可暂不确定出版年 卷 期和页码 整期汇编定稿指出 版年 卷 期 页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件 录用定稿网络首发稿件内容必须符合 出 版管理条例 和 期刊出版管理规定 的有关规定 学术研究成果具有创新性 科学性和先进性 符合编 辑部对刊文的录用要求 不存在学术不端行为及其他侵权行为 稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑 出版的技术标准 正确使用和统一规范语言文字 符号 数字 外文字母 法定计量单位及地图标注等 为确保录用定稿网络首发的严肃性 录用定稿一经发布 不得修改论文题目 作者 机构名称和学术内容 只可基于编辑规范进行少量文字的修改 出版确认 纸质期刊编辑部通过与 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社有限公司签约 在 中国 学术期刊 网络版 出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版 以单篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿 因为 中国学术期刊 网络版 是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版 现代农业装备 柔性夹爪农业采摘应用评价框架与设计准则 苑进 孟庆猛 王耀辉 方家明 崔继元 辛振波 刘雪美 山东农业大学机械与电子工程学院 泰安 271018 摘要 农业采摘对象的尺寸 姿态和表面特性变化大 且易受挤压和碰撞 柔性夹爪可缓冲接触过程中的定位与形态 误差 从而有利于建立低损接触 采摘任务还包括稳定保持 果柄或茎秆分离 果实分离后的携果退出 冠层避障以 及连续作业中的清洗维护 现有研究常以夹持成功表征性能 分离 退出和持续作业的验证却往往分散 本文以 接 近 接触 稳定保持 分离 携果退出 释放 完整任务链为线索 分析材料柔性 结构柔顺 欠驱动 可变刚度和 刚柔混合夹爪对不同不确定性的适应能力 以及由此带来的传力 状态感知 外设配置和维护约束 选取代表性农业 实例 从 功能 环境 系统集成和寿命维护 4 个方面梳理其已完成与尚待验证的任务环节 分析表明 柔性为低损接 触创造了条件 完整采摘能力还取决于分离 携果退出和持续作业能否协同实现 当低损接触与高分离载荷发生矛盾 时 可优先检验 局部柔性接触 明确传力 独立分离 的架构 本文进一步提出夹爪选型 验证顺序和最低报告信 息 为柔性夹爪的农业采摘应用提供参考 关键词 柔性夹爪 软体机器人 农业机器人 智能采摘 刚柔混合 中图分类号 TP242 S225 Evaluation Framework and Design Criteria of Flexible Grippers for Agricultural Harvesting YUAN Jin MENG Qingmeng WANG Yaohui FANG Jiaming CUI Jiyuan XIN Zhenbo LIU Xuemei College of Mechanical and Electronic Engineering Shandong Agricultural University Tai an 271018 China Abstract Agricultural crops vary widely in size pose and surface properties and are susceptible to compression and impact Flexible grippers can accommodate positioning and shape errors during contact and thereby facilitate low damage handling However harvesting also involves stable holding detachment crop exit canopy clearance continuous operation cleaning and maintenance Previous studies often used grasping success as the principal performance indicator while evidence for detachment exit and sustained operation was reported separately This review followed the complete task chain of approach contact stable holding detachment crop exit and release It compared material compliance structural compliance underactuation variable stiffness and rigid soft hybrid grippers in terms of the uncertainties they accommodated and the associated constraints on force transmission state perception peripheral hardware and maintenance Representative agricultural instances were evaluated across four evidence dimensions function environment system and lifecycle The analysis showed that compliance provided the basis for low damage contact whereas complete harvesting capability also depended on coordinated detachment crop exit and sustained operation When low damage contact conflicted with high detachment loads the architecture of locally compliant contact explicit force transmission and independent detachment was identified as a priority for validation Accordingly selection criteria a staged validation procedure and minimum reporting requirements were proposed for flexible grippers used in agricultural harvesting Key words flexible gripper soft robotics agricultural robot intelligent harvesting rigid soft hybrid 收稿日期 2026 07 22 修回日期 2026 08 05 基金项目 山东省重点研发计划 重大科技创新工程 项目 2026CXGC010703 国家自然科学基金项目 52275262 作者简介 苑进 1972 男 博士 教授 主要从事农业机器人技术研究 E mail jyuan 0 引言 柔性夹爪面对不确定对象时 可通过材料形变 柔顺机构 欠驱动耦合或刚度调节缓冲定位 尺寸和姿态误差 降低首次接触的冲击 传统刚性夹爪依靠确定的运动链和较高结构刚度实现精确 网络首发时间 2026 08 06 13 10 11 网络首发地址 现代农业装备 快速和可重复操作 相应地更依赖目标位姿 几何模型和接触规划 围绕软体驱动 柔性材料 仿 生结构 阻塞变刚度及传感一体化等方向 柔性夹爪已形成丰富的技术谱系 1 7 农业采摘为检验这 些技术能否从低损接触走向完整任务能力提供了直接场景 采摘任务由接近 接触 稳定保持 果柄或茎秆分离 果实分离后的携果退出和释放构成 8 14 果实 嫩梢 花朵和菌菇的个体差异与损伤敏感性使低刚度接触具有吸引力 进入分离和退出阶段 后 夹爪又必须传递明确的力和位姿 并经受枝叶遮挡 空间受限和外设负担 柔性既能缓冲误差 也会改变传力 路径和状态感知条件 包络范围扩大后 密封 清洗 节拍和维护等工程约束随之凸 显 因此 评价柔性夹爪农业应用价值的基本单位是完整任务链而非单次夹持 末端执行器是安装在机器人末端 直接完成采摘作业的部件 可由夹爪 吸附或承托机构 切 割装置 腕部和传感元件组成 夹爪是其中用于建立接触 形成约束并保持目标的作业单元 柔性 夹爪通过在材料 结构或传动环节中引入柔顺性 提高对目标尺寸 姿态和表面差异的接触适应能 力 本文所称 接触 是夹爪与目标建立受控作用的过程 抓取 是形成稳定约束并满足承载要求 的阶段 采摘 则要求在此基础上完成分离 携果退出和释放 三者依次衔接 不能以抓取结果替 代采摘结果 已有综述系统归纳了通用夹爪的驱动 材料和结构 以及农业柔性夹爪 采摘末端 抓取控制 和作物应用 15 19 杜小强等 20 进一步将采收对象与冠层约束 末端 腕关节结构 多模态感知 抓取 与脱离控制纳入选择性收获机器人的采收末端综述 在此基础上 本文以 接近 接触 稳定保持 分离 携果退出 释放 完整任务链为主线 比较不同柔顺机制对不确定性的适应能力及其传力 感知 外设和维护代价 并通过 FESL 评价框架归纳农业实例的证据缺口 最终提出夹爪选型 分级 验证和最低报告准则 图 1 概括了全文的研究关系 农业对象的不确定性和易损性提出低损接触需求 完整任务链进 一步把问题延伸至分离 退出与持续作业 机制分析 四维应用评价和设计准则依次服务于这一主 线 图 1 柔性夹爪农业采摘应用的研究主线与评价关系 Fig 1 Research logic and evaluation relationship for flexible gripper applications in agricultural harvesting 现代农业装备 1 文献范围 术语 与评价方法 1 1 检索范围与文献池 本文采用机制导向的批判性专题综述 文献池由 2 部分构成 通用技术文献用于识别柔性夹爪 的柔顺机制 驱动方式和性能约束 检索主题包括 soft robotic gripper compliant gripper underactuated gripper variable stiffness gripper jamming gripper bioinspired gripper sensorized gripper 和 rigid soft hybrid gripper 等 农业应用 文献用于考察技术在作物接触 抓取 分离和田间环境中的验证进展 检索主题包括 agricultural harvesting crop handling fruit picking end effector soft gripper 和 compliant grasping 等 以可追溯实例展示四维评价信息在农业应用判断中的作用 1 2 纳入 排除与编码规则 纳入文献应至少满足以下条件之一 提出或验证柔性夹爪的材料 结构 欠驱动 变刚度或刚 柔混合机制 提供承载 接触 响应 循环寿命或环境适应等可用于迁移判断的性能证 据 报告柔 性夹爪在真实或代理农产品上的抓取 分离或采摘试验 纯刚性夹爪 仅涉及机械臂而不涉及夹爪 柔顺性的研究 缺少技术细节的产品宣传 重复预印本以及公开同行评审记录予以排除 通用机器 人论文仅用于支持机制和性能判断 不能直接作为农业适用性证据 为使农业应用判断建立在文献实报信息上 本文以 夹爪实例 为最小记录单位 代理物或非 农业对象试验归入机制证据 综述 作物力学背景研究以及题录未独立核验的研究留在背景文献池 每个实例按功能 环境 系统和寿命 4 个维度记录公开论文中的实际验证 未报告字段记为 0 该 分层记录用于 识别研究已经覆盖的环节和下一轮试验的重点 1 3 农业应用评价框架 本文将功能 function 环境 environment 系统 system 和寿命 lifecycle 4 个维度组 成的评价框架简称为 FESL 功能维度记录形态适应 接触损伤 承载 定位容差 分离动作和退出 保持 环境维度记录湿尘 温度 穿刺 污染和非目标接触 系统维度记录外设 质量体积 响应 感知控制和换型复杂度 寿命维度记录食品安全 清洗消毒 疲劳老化 现场维修 能耗和成本 F E S L 各维度均采用 0 3 级编码 0 表示未报告 1 表示完成单项或初步验证 2 表示完成真 实对象 受控环境或系统集成验证 3 表示完成完整任务 田间连续作业或部署级验证 M 状态用于 描述证据成熟程度 而非评价技术路线本身的优劣 完整采摘需要功能 环境 系统和寿命信息相 互支撑 任何一项缺失都对应需要补充的工程验证 表 1 近年代表性综述与本文定位差异 Tab 1 Comparison of representative recent reviews and the positioning of this review 文献 综述对象 论述主线 与本文的区别 Hughes 等 1 软体操纵器与夹爪 驱动与结构 不讨论农业迁移条件 Shintake 等 2 软体夹爪 抓取原理 驱动与应用 不形成农业工程筛选框架 Zaidi 等 3 软体夹爪与操纵器驱动 流体 智能材料等驱动 重点是驱动技术而非场景迁移 现代农业装备 文献 综述对象 论述主线 与本文的区别 AboZaid 等 4 柔性夹爪技术 材料与应用 驱动 材料 性能参数 跨应用比较但未聚焦农业适配门槛 Zhang 等 5 通用软体夹爪 驱动 材料 应用和挑战 农业仅为应用场景之一 Shan 等 6 可变刚度软体夹爪 变刚度机理 不覆盖农业全寿命约束 Navas 等 15 自动采摘软夹爪 材料 制造 驱动和应用 未系统评价非农业技术迁移 Elfferich 等 16 作物处理与采摘软夹爪 作物任务与夹爪特性 迁移边界与环境全寿命约束不足 Zhang 等 17 农业机器人夹爪与控制 夹爪 抓取和控制 范围宽于柔性夹爪 缺少迁移等级 Vrochidou 等 18 农业采摘末端 末端结构类型 以农业案例概览为主 Zhang 等 19 农业采摘软夹爪 驱动 结构 变刚度和适用 性 已覆盖直接竞争范围 本文转向跨领域迁移 证据与四层门槛 Du 等 20 选择性收获机器人采收末端 采收约束 结构 感知与控 制 已覆盖采收末端综述范围 本文仅补充实例 级 FESL 报告协议与非补偿证据状态 2 农业采摘任务 柔顺机制与工程约束 柔性夹爪的农业应用评价应从完整任务链出发 再据此选择材料 结构与驱动方式 夹爪依次 经历接近 接触 稳定保持 目标分离 携果退出和释放 这些环节共同决定采摘能力 评价柔性夹 爪时 应先明确对象的损伤窗口 连接方式 冠层可达性和目标节拍 再确定结构方案 完整任务涉 及 4 个连续问题 在损伤窗口内建立稳定约束 以受控载荷完成分离和退出 获得 支持动作切换的接触信息 在污染 清洗 疲劳和维护条件下持续提供这些能力 形态适应可降低 对定位精度的依赖 也会随接触面积 摩擦和成熟度变化带来滑移或隐性挤压 分离阶段则要求明 确的力和位姿传递 这 4 个 问题构成后续机制比较 应用评价和设计准则的共同坐标 不同柔顺机制可在统一的工程坐标下比较其主要缓冲 是 何种不确定性 由此增加的约束集中于 传力 状态感知还是外设配置 以及这些代价在何种农业任务中可以接受 以下据此分析各类机制 2 1 材料 结构与流 体驱动柔顺 材料本征柔性夹爪主要利用硅橡胶 弹性体 织物或复合软材料的大变形能力形成弯曲 伸展 扭转或包覆动作 气动和液压驱动通常通过腔体内压改变柔性构件的应变分布 纤维约束 壁厚梯 度和腔体几何则决定其主变形方向 此类夹爪的突出优势是接触界面连续 局部压力易于重 新 分配 并可在较少刚性关节和传感器的条件下被动适应对象轮廓 深海生物采样等非农业应用表明 柔性 材料和流体驱动有助于在目标几何不确定且不允许刚性碰撞的环境中建立温和约束 21 这种能力与 易损果蔬抓取具有明显的功能 适配 性 体现在以下方面 1 材料柔 性同时引入非线性 迟滞 蠕变和制造离散性 气压与指端位姿 接触力之间往往 呈现时变关系 相同输入在不同温度 加载历史和材料老化状态下会产生不同输出 增加气压虽然 可提高夹持力 但同时增加接触压力和腔体失效风险 增加壁厚或纤维约束虽可提高承载 但会削 弱包络能力 陈子文等 22 通过压力负反馈和滑移判别调节吸 夹一体末端 并在 204 个不同尺寸番茄 现代农业装备 上获得 96 03 的采摘成功率 5 s 采摘时间 1 58 直接损伤率和 1 76 褐变率 软接触与损伤阈值 接触状态共同构成可解释的低损闭环 夹爪本体虽然轻 气泵 阀组 储气 和管路却可能使整机形 成 软体末端轻 外围系统重 的结构性矛盾 因此应用于农业采摘 还要处理果梗 枝刺和刀具对 薄壁腔体的穿刺 以及土尘 汁液和农药残留进入果实纹理 设施缝隙和气路后的清洗问题 2 流体驱动软夹爪适合在具体任务中评估 浆果 菌菇和嫩叶等低分离载荷对象可从低压柔 性接触中获得低损约束 苹果 柑橘等需要较大保持力和扭拉动作的对象 需借助纤维增强 局部 刚性骨架 吸附辅助或独立分离机构补足传力能力 23 25 例如 黎梦婷等 26 研制的气动柑橘软体末 端在台架试验中获得 96 67 的无损夹持成功率和 3 54 s 的单果操作时间 该结果验证了末端执行器 对真实农产品的夹持能力 但其冠层适应性 系统集成和使用寿命仍需进一步验证 该路线的关键 在于辅以可清洗外形 抗穿刺封装 压力限制和故障泄压实现可控且可重复的接触力 3 结构柔顺夹爪主要依靠柔性铰链 薄壁梁 弹性连杆 Fin Ray 仿生结构 折纸结构或负 刚度单元产生顺应变形 与完全由软材料承载的夹爪相比 这类方案可通过几何参数设计柔顺方向 和变形范围 并保留相对明确的传力路径 其工程价值在于将 接触处柔 驱动链刚 进行空间分 离 指端或侧壁负责贴合对象 刚性基座 和驱动机构负责输出位移与保持力 对农业夹爪而言 这 种功能分区有利于在不显著增加控制复杂度的情况下 获取 果实尺寸 消除 定位误差 4 Fin Ray 结构是结构柔顺在农业采摘中的典型实现 其横梁与侧壁在外载荷作用下产生反 向弯曲 使指面趋向贴合目标轮廓 相关研究已将其用于可扩展果实抓取 并通过结构参数优化改 善变形和承载 27 绳驱仿生梨果末端和仿跗节柔顺番茄末端也表明 几何柔顺可在保持机械驱动可 控性的同时提高包络和抗滑能力 28 29 与气动薄壁手指相比 柔顺结构的夹爪通常更适用常规电机 并实现减速传动 也更便 于更换接触垫并清除接触表面的农产品残留物 5 结构柔顺的代价集中在疲劳和刚度漂移 柔性梁和薄壁构件的寿命受应力集中 打印方向 和材料批次影响 夹爪在不同接触位置下的等效刚度也会显著变化 苗玉彬等 30 研制的苹果恒力柔 顺机构通过优化柔顺梁 在一定变形范围内维持约 7 9 N 夹持力 多次夹持试验的抓取完好率为 95 表明柔顺结构适用于可控接触力 农业适配宜采用方向选择性设计 果实法向保持较低刚度以限制 接触冲击 切向和扭转方向保持足够刚度以抵抗滑移并传递分离载荷 相较于单纯比较材料硬度 该原则更能反映采摘动作对不同方向刚度的实际需求 2 2 欠驱动 腱绳与可变刚度 欠驱动夹爪以少于机构自由度的驱动数控制多个关节或柔性段 依靠弹簧 腱绳 差动机构或 接触约束自动分配运动 目标首先接触某一手指或指节后 剩余自由度继续运动并形成包络 使夹 爪在缺少精确目标模型时仍可建立多点接触 这类夹爪的柔顺性可来自自由度耦合和被动运动分配 而不局限于低模量材料 因此 农业柔性夹爪还应包括欠驱动 腱绳和结构柔顺等路线 现代农业装备 腱绳和欠驱动结构已被用于梨果 黑莓 茶芽 柑橘及其他农产品抓取 28 31 35 其优势是电机可 远置 手指轻量 驱动数少 并能够通过预紧力 弹性元件和传动比调节闭合顺序与夹持力 以双 连杆并联手指和电流反馈为例 魏博等 35 研制的欠驱动柑橘末端在实验室对直径 30 100 mm 果实 获得 98 3 的抓取成功率和 5 3 s 平均耗时 对于果实尺寸波动明显但抓取动作相对固定的采摘任务 这类机械自适应能够降低感知误差对抓取成功的影响 与纯 气动方案相比 电机和腱绳还便于实现 确定的行程控制 并可通过电流 腱张力或位移估计接触状态 其主要局限是腱绳摩擦 回差 磨 损和预紧漂移 枝叶 果梗和汁液可能进入滑轮或导向通道 长期拉伸也会改变传动关系 欠驱动 机构还可能在非预期接触下形成错误包络 即夹爪能够顺应障碍但未必正确约束目标 农业应用时 应减少裸露绳路 提供张力自校准和快速更换设计 并将机械限位和过载保护设置在不会伤害作物 的位置 对于需要剪切或扭转分离的任务 抓取自由度与分离自由度宜分开驱动 避免腱绳系统同 时承受形态适应和高刚度分离 可变刚度夹爪 尝试 解 决 接近和包络需要低刚度 保持和操作需要高刚度 的矛盾 颗粒阻塞 通过抽真空提高颗粒间法向力和摩擦 使柔性袋体从可变形状态转为较高刚度状态 层阻塞利用薄 层间摩擦改变弯曲刚度 相变材料 低熔点合金 形状记忆材料 磁流变材料和机械锁止则通过材 料状态或结构约束调节刚度 通用颗粒阻塞夹爪证明了单一柔性界面可先适应未知对象 再通过阻 塞提高保持能力 36 37 可变刚度 的研究 进一步表明 不同机制在刚度范围 响应 能耗和可逆性方 面 的 差异明显 从农业应用角度看 可 变刚度的价值集中在质量较大 表面易损且需要分离操作的对象 例如 夹爪可在低刚度状态下接触果实 在完成包络后提高刚度以传递扭矩或抵抗携果退出过程中的扰动 但是 可 变刚度只有在增加的保持能力或定位稳定性能够抵消切换时间和外围负担时才有工程意义 颗粒或层阻塞需要真空源和密封袋体 袋体还可能被果梗或枝刺破坏 热致相变存在升降温时间和 表面温度约束 磁流变和电活性方案需要场源或高压系统 机械锁止虽响应明确 却可能增加体积 和局部硬点 主动缠绕和拓扑抓取通过柔性细丝或附肢与目标形成几何约束 38 适合不规则 枝状或孔隙对 象 进入农业后 枝叶 果梗和相邻果实带来的缠绕 释放和清 洗问题成为主要约束 多数可变刚 度与拓扑抓取实例仍处于 M0 阶段 后续研究应补充密封 节拍 解缠和污染条件下的任务证据 2 3 刚柔混合 感知与闭环 刚柔混合夹爪通过刚性骨架承担定位和传力 柔性指端 软垫或柔顺关节承担接触适应 是连 接通用柔性技术与农业工程应用的重要路线 分布式柔顺研究表明 柔顺性 应 配置在需要缓冲误差 的部位 而不是均匀降低整个机构刚度 可在保持操作稳定性的同时提高接触容错 39 农业 采摘 夹 爪中的软体指 刚性掌部 独立吸附或切割模块也体现了类似原则 高容差刚柔草莓夹爪和柔性 Fin 现代农业装备 Ray 果实夹爪表明 局部软接触与明确传力结构结合可 实现重复操作的 低损抓取 27 40 传感一体化进一步提高了柔性夹爪的可用性 柔性形变使传统编码器难以直接 判定 指端状态 因此可在指体或接触面集成压力 应变 光学 阻抗或触觉传感 器 用于 预 估接触位置 夹持力 滑 移和对象状态 多项研究 如 小果实传感夹爪 番茄力反馈夹爪 黑莓成熟度感知夹爪和闭环气 动柔性夹爪 等 展示了接触状态获取与闭环调节的不同路径 24 25 32 41 但 传感 器的应用也 带来 了 封装 走线 标定漂移和清洗 等 问题 同时 水滴 果汁和温度 的 变化也会改变信 号基线 农业夹爪的传感配置应服从最低充分原则 机械限力和被动包络足以稳定完成任务时 保持系 统简洁 对象损伤窗口窄 成熟度差异大或分离状态难以判断时 配置能区分未接触 稳定接触 滑移和分离完成的状态信息 刚柔混合结构与必要感知相结合 更能反映农业采摘对低损接触 稳 定保持和连续作业的综合要求 农业夹爪选型需同时处理 4 类难以兼顾的关系 适形与定位 低损与承载 被动容错与状态可 观测性 以及轻量本体与外围负担 每一项权衡都对应后续设计和验证中的测量对象 2 4 任务力学与系统权衡 柔性夹爪最直接的作用是利用形变 降低采摘对象的尺度 姿态和定位误差 被动形变降低了对 目标精确位姿的要求 但驱动端位移不再等同于指端位移 因而难以仅凭驱动输入判断实际接触位 置与接触几何 稳定取放任务中 形态适应通常占优 果柄入刀 扭转轴线控制和邻果避让任务中 过大的无约束形变会降低分离精度 因此 定位误差较大的农业场景宜将柔顺性布置在接触和小范 围对准环节 并保持分离工具几何约束 降低夹爪刚度和扩大接触面积通常有利于分散压力 却可能降低单位驱动输入产生的法向力 为避免滑移而继续提高输入压力 又会抵消低损优势 实际损伤由对象曲率 成熟度 局部 组织 接触面积 摩擦和加载时间共同决定 黑莓人工采摘参数与货架品质研究说明 夹爪设计需以真实 采摘力和采后商品性确定载荷窗口 42 面向脆弱果实的闭环力控工作也表明 接触状态调节能够稳 定限制抓取作用 25 接触力 压痕 硬度 失水和货架品质共同构成低损评价依据 被动柔顺可在不增加控制频率的条件下缓冲碰撞和实现包络 是柔性夹爪的重要机械智能 被 动自由度增加后 系统内部状态更难观察 错误接触也更容易被形变掩盖 苹果抓取的参数自整定 阻抗控制研究表明 基于果实黏弹性模型调整接触力可将调节时间降至 0 48 s 并 将接触力超调量较 对照降低 37 5 43 该研究的价值在于把 顺应 转化为可测的接触瞬态 农业对象和冠层持续变 化 夹爪需要判断形变来自目标接触 枝叶干涉还是材料漂移 并据此决定继续闭合 重新对准 执行分离或主动放弃 农业夹爪的感知与控制可围绕少数关键状态组织 本文将其概括为接近 接触 过载或滑移 分离完成和携果退出 近触觉用于在遮挡下减速和避免误碰 法向力 气压 腱张力或电机电流用 现代农业装备 于限制过载 切向力 振动或接触区域变化用于识别滑移 位移 视觉或力突变用于确认分离完成 番茄串采摘的视觉定位与姿态估算为接近 阶段提供先验 44 接触后的状态判断由力 压力或位移等 信息完成 低成本大面积触觉灵巧手展示了模块化传感在丰富接触任务中的潜力 45 其 在 农业 采摘 上的 应用还需经历湿尘 汁液 清洗和反复冲击 的 验证 在本文讨论范围内 结构与感知协同主要指材料形变 结构限力和少量接触信息共同参与动作 选择 学习控制或视觉 触觉融合的系统收益 应通过损伤率 人工干预次数和失败恢复率等指标 加以验证 对多数采摘任务 有限状态闭环已有清晰的工程路径 接近时保持低刚度 接触后限力 包络 检测滑移时调整约束 确认分离后切换至退出保持 异常接 触则释放并重试 高维触觉阵列 端到端策略和手内灵巧操作还需要补充传感封装 漂移 时延 清洗后标定和故障降级验证 农业采摘区别于一般柔性物体搬运的关键在于目标与植株相连 抓取阶段需要较低法向刚度和 较大接触面积 分离阶段则需要沿拉伸 扭转 弯折或剪切方向稳定传递载荷 现有苹果阻抗抓取 黄瓜吸附切割 黑莓扭转管夹爪和火龙果变跨距末端分别体现了抓取与分离动作的不同耦合方式 若同一柔性手指同时承担包络和高载荷分离 其变形可能改变动作轴线并引发滑移 因此宜采用方 向选择性刚度 独立腕部动作 吸附辅助或抓取与切割模块解耦 23 46 48 柔性夹爪常以本体质量小和功重比高作为优势 农业机器人则需承担完整驱动 供能 阀组 传感 控制和防护 气动夹爪的泵阀 真空阻塞系统的密封与过滤 热致夹爪的加热冷却 磁驱夹 爪的场源 都会增加移动平台负担 应用评价应记录系统边界内的质量 能耗 响应和维护数据 外设安装条件与切换时间 亦会 直接影响夹爪的系统集成和连续作业能力 上述权衡表明 夹爪性能不能脱离农业采摘场景评价 作物力学性质和连接方式决定抓取与分 离载荷 冠层通道约束接近与退出路径 湿尘 穿刺 清洗和季节性连续作业则影响可靠性与维护 成本 下一节据此分析农业场景中的对象差异 冠层干涉 污染与连续作业约束 2 5 农业场景约束 农产品的尺寸 质量 曲率 表面摩擦和成熟度在同一植株 品种和季节内均可能变化 成熟 度提高通常伴随组织软化和损伤阈值降低 雨水 蜡质和绒毛又会改变表面摩擦 农业 采摘过程中 使用的柔性 夹爪需要同时适应几何范围和对象力学性质变化 因此 较大包络能力应与限力 接触面 积设计和成熟度相关参数配合 以控制隐藏挤压损伤 不同作物的离层 果柄 茎秆和根部连接决定了采摘动作 易形成天然剥离层的果实可通过拉 扭或弯折降低分离载荷 而韧性果柄则需要剪切 因此柔性夹爪需在限损条件下提供足够反力 并 维持分离工具与连接部位的相对位姿 针对这一问题 相关研究已分别探索苹果阻抗抓取 梨果绳 驱包络 番茄反馈夹持 黄瓜吸附切割和浆果扭转抓取等方案 23 24 28 46 47 可见夹爪选型必须根据具 体分离动作来确定 现代农业装备 枝叶遮挡和果实簇生 会导致 夹爪在接近和退出阶段频繁发生非目标接触 虽然 柔 性外表面可降 低碰撞 造成的损伤或误判 但 枝叶推偏 果梗钩挂和狭小空间弯曲的影响 不可避免 闭合包络范围 展开尺寸和管线布置应与冠层通道共同设计 密集浆果和簇生果实更需要小型化和单侧接近 大果 和串果则优先考虑承托和保持 丘陵果园柑橘机器人的整机试验表明 末端 设备 性能评价必须 在 自 然冠层可达性与作业路径中 进行 49 柔性接触 目标可达性和无干涉路径共同决定冠层 操作的 成功 率 农业环境中的水滴 泥尘 果汁 乳胶 农药残留和植物碎屑会影响接触界面的摩擦特性 传 感器信号和驱动系统密封 软体薄膜 织物和外露腱绳还可能被枝刺 刀具或断裂果梗损伤 医疗 和洁净实验室中的软夹爪可依赖受控环境进行精细维护 田间设备则需要在污染后快速恢复 柔性 夹爪迁移前应开展湿态摩擦 粉尘侵入 穿刺 泄漏和清洗后性能测试 不具备封闭表面和可更换 接触件的复杂结构 即使抓取性能优异 也可能难以形成可维护装备 农业采摘具有季节集中 连续重复和单位产品价值有限等特点 夹爪每次动作增加数秒都会在 整机层面降低小时采摘量 数百次循环后的材料性能只是采收季耐久性的一部分 循环次数之外还 应记录刚度漂移 泄漏 绳索伸长 传感零漂和接触面磨损 成本评价 还应包括 夹爪本体 外 设 易 损件 清洗时间和停机维修 等 3 FESL 评价框架与设计准则 图 2 将任务失败模式 优先设计动作与 FESL 四维评价信息连接起来 从完整采摘任务中出现 的瓶颈出发 确定夹爪首先需要增加的能力和下一轮需要补齐的验证 图 2 柔性夹爪农业采摘应用的设计与证据判断 Fig 2 Design and evidence assessment for flexible gripper applications in agricultural harvesting 3 1 FESL 记录与应用证据状态 FESL 为阅读农业采摘文献提供一组共同问题 研究是否完成了真实作物上的接触与分离 是否 经受了真实植株或冠层条件 是否进入机械臂和感知系统 以及是否报告清洗 疲劳或维护 表 2 将 现代农业装备 这些问题分解为功能 环境 系统和寿命 4 个维度 功能 3 级和系统 2 级对应完整任务与机器人协 同 环境 2 级对应真实植株或受控冠层 寿命 1 级对应至少一项清洗 食品接触或易损件维护 信息 由此 真实作物接触可与完整采收 连续作业等更高阶段清楚区分 表 2 FESL 四层证据代码 Tab 2 Observable codes for the FESL evidence protocol 代码 0 1 2 3 F 功能 无实体任务 代理物或非农业对象 真实作物抓取 局部分离 抓取 分离 退出 释 放完整任务 E 环境 未报告农业环境 离体作物或单因素试验 真实植株 受控冠层 田间连续或跨批次作业 S 系统 未报告系统边界 单一驱动 控制或传感 机械臂 视觉 采收机器 人集成 节拍 失败恢复或人工 干预 L 寿命 未报告 清洗 食品接触或易损 件之一 疲劳 穿刺或清洗后性 能 连续作业寿命与维护成 本 FESL 按实例记录 使用时先依据作物连接方式和采摘动作界定完整任务链 再记录论文实际报 告的环境 系统和寿命维护信息 未报告字段保留为 0 M0 M4 应用证据状态据此提示下一轮试验 最需要补充的环节 3 2 M0 M4 应用证据状态 表 3 M0 M4 应用证据状态及其最低判定条件 Tab 3 Minimum criteria for M0 M4 transfer evidence states 状态 最低 FESL 条件 当前可说明的能力 下一步需要补齐的证据 M0 机制证明 F1 及以下 或无农业对象证据 特定柔顺 包络或变刚度能力 真实农产品接触与低损任务 M1 作物接触证明 F2 且未满足 M2 作物接触或局部任务能力 完整任务与机器人协同 M2 任务原型 F3 且 S2 完整采摘任务原型 冠层 连续作业与维护 M3 工程验证候选 M2 且 E2 L1 工程场景验证基础 连续作业 人工干预与维护寿命 M4 部署证据 M3 且 E3 S3 L2 环境 系统与寿命的综合部署证据 跨作物和跨场景扩展 3 3 从任务失败模式反推夹爪选型 表 3 给出 M0 M4 应用证据状态的最低条件及相应的下一步验证重点 M 状态反映的是一个具 体实例已经报告的任务与工程信息 因而可以避免将台架抓取 真实植株操作和连续作业混为同一 层次 球形或近球形果实具有较稳定的整体轮廓 但质量和果柄连接载荷较大 宜优先选择结构柔顺 欠驱动或刚柔混合夹爪 并通过吸附 腕部扭转或独立切割完成分离 50 53 浆果和小果实的损伤窗 口窄 低压气动 织物包覆和力反馈柔性夹爪更具潜力 但必须控制接触时间和释放过程 54 叶菜 花卉和嫩梢通常需要局部定位与剪切 夹爪尺寸 分离工具集成和邻近组织保护优先于大范围包络 菌菇和其他表面脆弱对象适合大面积柔性接 触或仿形承托 但潮湿环境下的清洗和防滑需要单独验 现代农业装备 证 火龙果等大尺寸或姿态差异明显对象则更需要可调开度 结构承载与分离机构协调 48 55 57 农业 采摘 夹爪选型由作物连接方式和失败模式反推 定位误差主导时 优先增加局部结构柔顺 表面挤压主导时 优先扩大接触面积并限制法向力 分离时滑移主导时 优先提高切向或扭转刚度 冠层干涉主导时 优先减小展开尺寸并简化外露构件 3 4 从证据缺口确定技术验证优先级 现有证据表明 电机驱动结构柔顺 欠驱动自适应 可更换软垫和刚柔混合夹爪适合将柔性局 限于接触或自由度分配环 节 并保留成熟电机 编码器和机械限位构成主传力链 当分离载荷高于 安全夹持力且维护资源受限时