[논문 리뷰] Peduncle Gripping and Cutting Force for Strawberry Harvesting Robotic End-effector Design

Vishnu Rajendran S, Soran Parsa외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 25.

Plant Virus Research Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 로봇 딸기 수확용 종말의 임계 기계적 파ameters를 실험적으로 규명하였으며, 줄기에 10 N의 안전한 캐치력과 30° 날 모양 각도, 16.6° 유타각을 가진 날을 사용할 때 15 N의 절단력이 필요하다고 규명하였다. 이러한 값들은 50g 딸기를 50 m/s² 가속도로 손상 없이 안정적으로 캐치하고 절단할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

Robotic harvesting of strawberries has gained much interest in the recent past. Although there are many innovations, they haven't yet reached a level that is comparable to an expert human picker. The end effector unit plays a major role in defining the efficiency of such a robotic harvesting system. Even though there are reports on various end effectors for strawberry harvesting, but there they lack a picture of certain parameters that the researchers can rely upon to develop new end effectors. These parameters include the limit of gripping force that can be applied on the peduncle for effective gripping, the force required to cut the strawberry peduncle, etc. These estimations would be helpful in the design cycle of the end effectors that target to grip and cut the strawberry peduncle during the harvesting action. This paper studies the estimation and analysis of these parameters experimentally. It has been estimated that the peduncle gripping force can be limited to 10 N. This enables an end effector to grip a strawberry of mass up to 50 grams with a manipulation acceleration of 50 m/s$^2$ without squeezing the peduncle. The study on peduncle cutting force reveals that a force of 15 N is sufficient to cut a strawberry peduncle using a blade with a wedge angle of 16.6 degrees at a 30-degree orientation.

연구 동기 및 목표

• 딸기 줄기의 구조적 손상이나 압착을 유발하지 않도록 할 수 있는 최대 안전 캐치력의 규명.
• 정해진 유타각과 방향을 가진 날을 사용하여 딸기 줄기를 절단하기 위해 필요한 최소 절단력의 정량화.
• 캐치 및 절단 동작에 대한 힘 한계에 대한 실증 데이터를 제공함으로써 내구성 있고 과일 친화적인 종말 설계 지원.
• 날의 방향과 줄기 지름이 두 딸기 품종(Katrina 및 Zara)의 절단력 요구 사항에 미치는 영향 평가.

제안 방법

• 제어된 조건 하에서 두 품종(Katrina 및 Zara)의 딸기 줄기에서 실험적 힘 측정 수행.
• 로봇 조작 중에 압착을 방지하기 위해 최대 10 N까지 점진적인 캐치력을 적용하여 구조적 안정성 평가.
• 16.6° 유타각을 가진 날을 사용하여 여러 방향(0°, 10°, 20°, 30°)에서 절단 시험 수행 및 최대 절단력 측정.
• 절단 중의 힘 프로파일을 기록하고 분석하여 최대 힘(F_P1, F_P2)과 날이 줄기 지지대에 접촉하는 순간을 확인.
• 다양한 지름과 방향에서의 표본에 대해 평균 절단력(F_PM) 계산 후, 설계에 유의미한 값으로 도출하기 위해 안전 계수 2를 적용.
• 다른 날의 방향과 딸기 품종 간의 절단력 추세 비교를 위한 통계 분석 수행.

Figure 1: Strawberry harvesting end effectors: [a]. Parallel jaw mechanism for simultaneous attachment and detachment [ 9 ] , [b].Suction head for attachment and blade action for detachment [ 2 ] , [c]. Suction head and two jaw fingers for attachment and bending action of end effector for detachment

실험 결과

연구 질문

• RQ1 딸기 줄기에 압착이나 구조적 손상을 유발하지 않도록 적용할 수 있는 최대 캐치력은 얼마인가요?
• RQ2 16.6° 유타각을 가진 날을 사용할 때, 다양한 방향에서 딸기 줄기를 절단하기 위해 필요한 최소 절단력은 얼마인가요?
• RQ3 날의 방향(0°, 10°, 20°, 30°)은 딸기 줄기 절단에 필요한 힘에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 줄기 지름과 딸기 품종(Katrina 대비 Zara)은 측정된 캐치력 및 절단력에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 안전 계수를 고려할 때, 30° 날 방향에서 15 N의 절단력이 다양한 품종의 줄기를 신뢰성 있게 절단할 수 있나요?

주요 결과

• 50g 딸기를 50 m/s² 이하의 가속도로 로봇 조작 중에 압착 없이 안정적으로 캐치하기 위해 10 N의 캐치력이 안전하고 충분하다.
• 줄기 절단을 위한 최대 절단력은 30° 날 방향에서 가장 낮으며, 이 각도에서 평균 값은 Zara 품종이 4.13 N, Katrina 품종이 5.00 N이다.
• 안전 계수 2를 적용하여 유도된 15 N의 절단력은 두 품종 모두 30° 방향에서 줄기를 안정적으로 절단하는 데에 충분하다.
• 기울인 각도가 커질수록 절단력이 증가하며, Katrina 품종의 경우 10° 방향에서 평균 최대 힘 7.17 N을 기록하였다.
• 절단 중의 힘 프로파일은 날이 줄기 지지대에 접촉할 때 두 개의 명확한 피크가 나타나고, 그 후 급격한 하강과 상승이 관찰되어 완전한 절단의 시작을 확인한다.
• 이 연구의 결과는 두 딸기 품종(Katrina 및 Zara)에 국한되며, 다른 품종에 대한 결과는 검증되지 않았지만, 유사한 허용 오차 범위 내에서 동일한 경향을 보일 것으로 가정된다.

Figure 2: Universal testing machine (UTM) for applying and recording the compression force on specimens used for our experimental study.