[论文解读] Tendon-Driven Soft Robotic Gripper for Berry Harvesting

Anthony L. Gunderman, Jeremy Collins+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2021

Insect behavior and control techniques参考文献 10被引用 7

一句话总结

本文提出了一种肌腱驱动的软体机械手，结合主动力反馈控制，用于采摘娇嫩的黑莓和树莓。该机械手实现了精确、低力操作（最低可达0.5 N，平均误差仅0.046 N），在每颗果实约4.8秒的周期下，采摘可靠性达到95%，显著减少了因红色小果肉回退导致的损伤。

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.

研究动机与目标

• 解决鲜食黑莓和树莓采摘过程中劳动力成本高及果实损伤严重的问题。
• 减少因红色小果肉回退（RDR）导致的采后损失，目前该问题影响高达85%的果实。
• 开发一种软体机器人机械手，以施加一致且低的力，从而保持果实品质。
• 在真实田间条件下实现高采摘可靠性与高速度。

提出的方法

• 机械手采用肌腱驱动驱动系统，实现柔软、顺应的抓取操作。
• 集成主动接触力反馈控制，实现实时调节施加的力。
• 软体机器人结构提供被动顺应性，最大限度减少对娇嫩果实的损伤。
• 集成力传感器以监测并动态调节夹持力。
• 系统设计可实现最低达0.5 N的力，且精度极高。
• 田间测试验证了其在真实采摘条件下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 肌腱驱动的软体机械手结合力反馈能否实现低于1 N的力控制，以适用于娇嫩果实的采摘？
• RQ2 在真实田间条件下，该系统能达到怎样的采摘可靠性与速度？
• RQ3 与人工采摘相比，该机械手在多大程度上能减少果实损伤？
• RQ4 被动顺应性与主动力反馈相结合，如何提升采摘质量？

主要发现

• 当施加最低0.5 N的力时，机械手的平均力误差仅为0.046 N。
• 成功承受高达18 N的负载，证明了其结构的鲁棒性。
• 田间测试显示，采摘可靠性达95%，每颗果实的周期约为4.8秒。
• 该系统显著减少了因红色小果肉回退导致的损伤，这是造成可销售损失的主要原因。
• 软体顺应性与主动力反馈的结合，实现了精确而轻柔的采摘操作。
• 该机械手在0.5 N至18 N的广泛施力范围内均保持高性能。