[논문 리뷰] Tendon-Driven Soft Robotic Gripper for Berry Harvesting

Anthony L. Gunderman, Jeremy Collins외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 07.

Insect behavior and control techniques참고 문헌 10인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 섬세한 블랙베리와 무화과를 수확하기 위해 능동적 힘 피드백 제어를 갖춘 테이던드라이브 소프트 로봇 집게를 제시한다. 이 집게는 정밀하고 낮은 힘으로 조작 가능하며(최소 0.5 N의 힘을 적용할 수 있고 평균 오차는 0.046 N), 1초당 약 4.8초에 한 번씩 95%의 수확 신뢰도를 유지하며, 빨간 열매 껍질의 반전으로 인한 손상을 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

Global berry production and consumption have significantly increased in recent years, coinciding with increased consumer awareness of the health-promoting benefits of berries. Among them, fresh market blackberries and raspberries are primarily harvested by hand to maintain post-harvest quality. However, fresh market berry harvesting is an arduous, costly endeavor that accounts for up to 50% of the worker hours. Additionally, the inconsistent forces applied during hand-harvesting can result in an 85% loss of marketable berries due to red drupelet reversion (RDR). Herein, we present a novel, tendon-driven soft robotic gripper with active contact force feedback control, which leverages the passive compliance of the gripper for the gentle harvesting of blackberries. The versatile gripper was able to apply a desired force as low as 0.5 N with a mean error of 0.046 N, while also holding payloads that produce forces as high as 18 N. Field test results indicate that the gripper is capable of harvesting berries with minimal berry damage, while maintaining a harvesting reliability of 95% and a harvesting rate of approximately 4.8 seconds per berry.

연구 동기 및 목표

• 신선 시장용 블랙베리와 무화과 수확에서 높은 노동 비용과 과일 손상 문제를 해결하기 위해.
• 현재까지 최대 85%의 과일에 영향을 미치는 빨간 열매 껍질 반전(RDR)으로 인한 수확 후 손실을 줄이기 위해.
• 과일 품질을 유지하기 위해 일관되고 낮은 힘을 적용하는 소프트 로봇 집게를 개발하기 위해.
• 실제 현장 조건에서 높은 수확 신뢰도와 빠른 속도를 달성하기 위해.

제안 방법

• 집게는 부드럽고 유연한 조작을 가능하게 하는 테이던드라이브 액추에이터 시스템을 사용한다.
• 실시간으로 적용되는 힘을 조절하기 위해 능동적 접촉 힘 피드백 제어를 통합한다.
• 소프트 로봇 구조는 수동적 유연성을 제공하여 취약한 과일에 대한 손상을 최소화한다.
• 힘 센서를 통합하여 그립 힘을 동적으로 모니터링하고 조절한다.
• 정밀도가 높아 최소 0.5 N의 힘을 적용할 수 있도록 설계되어 있다.
• 현장 테스트를 통해 실제 수확 조건에서의 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 힘 피드백 기능을 갖춘 테이던드라이브 소프트 집게가 섬세한 과일 수확에 있어 1 N 이하의 힘 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 실제 현장 조건에서 어떤 정도의 수확 신뢰도와 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 수동적 유연성과 능동적 힘 피드백의 조합이 수확 품질에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 수동적 유연성과 능동적 힘 피드백의 조합이 수확 품질을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 0.5 N의 낮은 힘을 적용할 때 평균 힘 오차가 단지 0.046 N에 그쳤다.
• 최대 18 N의 하중을 안정적으로 유지함으로써 내구성을 입증했다.
• 현장 테스트 결과, 1개당 약 4.8초의 사이클 타임에 95%의 수확 신뢰도를 확보했다.
• 시스템은 빨간 열매 껍질 반전으로 인한 손상을 크게 감소시켜, 시장성 손실의 주요 원인을 줄였다.
• 부드러운 유연성과 능동적 힘 피드백의 조합은 정밀하고 부드러운 수확을 가능하게 했다.
• 0.5 N에서 18 N에 이르는 광범위한 적용 힘 범위에서 높은 성능을 유지했다.