[论文解读] Design and Evaluation of a Novel Cable-Driven Gripper with Perception Capabilities for Strawberry Picking Robots

Ya Xiong, Pål Johan From+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2018

Soft Robotics and Applications参考文献 10被引用 6

一句话总结

本文提出了一种集成感知与储物功能的新型缆绳驱动夹爪，可实现自主草莓采摘。该夹爪采用红外传感器与多指茎秆切割机构，以非接触方式轻柔抓取并切断草莓，对孤立草莓的抓取成功率达96.77%，单株采摘时间缩短至7.49秒，显著快于以往系统。

ABSTRACT

This paper presents a novel cable-driven gripper with perception capabilities for autonomous harvesting of strawberries. Experiments show that the gripper allows for more accurate and faster picking of strawberries compared to existing systems. The gripper consists of four functional parts for sensing, picking, transmission, and storing. It has six fingers that open to form a closed space to swallow a target strawberry and push other surrounding berries away from the target. Equipped with three IR sensors, the gripper controls a manipulator arm to correct for positional error, and can thus pick strawberries that are not exactly localized by the vision algorithm, improving the robustness. Experiments show that the gripper is gentle on the berries as it merely cuts the stem and there is no physical interaction with the berries during the cutting process. We show that the gripper has close-to-perfect successful picking rate when addressing isolated strawberries. By including internal perception, we get high positional error tolerance, and avoid using slow, high-level closed-loop control. Moreover, the gripper can store several berries, which reduces the overall travel distance for the manipulator, and decreases the time needed to pick a single strawberry substantially. The experiments show that the gripper design decreased picking execution time noticeably compared to results found in literature.

研究动机与目标

• 设计一种夹爪，最大限度减少对脆弱草莓的物理接触，防止采摘过程中造成压伤。
• 通过内置感知与机械分离机制，在存在位置不确定性和复杂簇生结构的情况下实现稳健采摘。
• 通过集成储物容器以减少机械臂移动距离，降低整体采摘时间。
• 通过嵌入式红外传感与反馈控制，提高对茎秆位置与方向误差的容错能力。
• 相比现有用于软质果实的机器人末端执行器，提升采摘效率与成功率。

提出的方法

• 夹爪包含四个功能组件：感知（三个红外传感器）、抓取（六指主动/被动结构）、传动（缆绳驱动执行）、储物（内部容器，可容纳多颗草莓）。
• 手指张开形成闭合环状结构，将目标草莓吞入口中，同时将周围草莓推开，实现在簇生状态下的选择性采摘。
• 内部切割机构隐藏于手指之间，高速旋转以切断茎秆，且不接触果实，确保采摘过程轻柔。
• 红外传感器检测x、y、z方向的位置误差，通过PID控制实现实时校正，使夹爪精确对准茎秆。
• 通过调节切割器相对于草莓的位置控制茎秆长度，当切割点位于中心（原点）时性能最佳。
• 系统整合感知与储物功能，减少对高级闭环视觉伺服的依赖，从而实现更快的执行速度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在位置不确定性的情况下，集成感知功能的缆绳驱动夹爪能否在孤立草莓上实现高采摘成功率？
• RQ2 与传统机器人采摘装置相比，内部传感与储物功能的集成在多大程度上提升了采摘速度？
• RQ3 夹爪在茎秆切割过程中对草莓定位与姿态误差的容忍度如何？
• RQ4 如何确定最优切割位置以最小化茎秆长度变化并最大化采摘可靠性？
• RQ5 在密集簇生环境中，由于视野与操作空间受限，夹爪的性能表现如何？

主要发现

• 当切割器位于原点时，夹爪在孤立草莓上的采摘成功率达到96.77%，显著优于以往系统（约70%）。
• 单株草莓的平均采摘执行时间为7.49秒（不含检测与最终放置时间），远快于以往研究（如番茄与甜椒的23–35秒）。
• 在系统全集成状态下，单株草莓的平均耗时为10.62秒，显著提升了整体运行效率。
• 茎秆长度控制的平均切割长度为10.13毫米，标准偏差为2.64毫米，表明在受控条件下具有良好的重复性。
• 夹爪通过在吞入阶段将周围草莓推开，成功避免了对其损伤，验证了其机械选择性。
• 在自然田间条件下，系统在无损伤情况下的成功率为53.57%，在有损伤情况下的成功率为58.93%，优于同类研究在复杂环境中的表现。