基于3D打印的柔性机械手研究进展

本文节选自：

高国华, 董增雅, 孙晓娜, 王皓. 基于3D打印的柔性机械手研制及试验研究[J]. 智慧农业, 2019, 1(1): 85-95.

GAO Guohua, DONG Zengya, SUN Xiaona, WANG Hao. Development and test of a flexible manipulator based on 3D printing[J]. Smart Agriculture, 2019, 1(1): 85-95.

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我国是一个农业大国，水果产量巨大，2016年果树种植面积超过1700万公顷，年产量超过2亿吨。果实采摘是整个种植生产过程中最耗时费力的环节，人工劳动强度大、生产成本高、生产效率低。因此，要想降低劳动强度和成本、提高生产效率，实现农业现代化，必须要通过发展农业装备的机械化和智能化。

近年来，国内外许多科研机构和学者在采摘机器人方面进行了大量的研究。20世纪90年代，日本Kondo和Ting利用四自由度的工业机械臂研制了番茄采摘机器人，但是只能采摘整串番茄。2017年，Yasukawa等通过体感摄像头的彩色与红外信息融合实现果实的识别，开发了简易的轨道式番茄采摘机器人样机。2016年日本Yaguchi等设计的番茄采摘末端执行器，已实现精准定位采摘番茄，但采摘一个番茄需要80s。并利用双目视觉搭建了番茄采摘机器人，可实现自然光下温室浅通道内的采摘作业，单果的识别采摘周期为23s。2016年，本古里安大学也进行了甜椒采摘机器人的开发，并应用小型体感摄像头实现果实的识别和定位。21世纪初，荷兰研制的多功能黄瓜采摘机器人，利用红外视觉识别系统探测黄瓜的位置，在无人干扰的情况下自行采摘成功率达80%。2010年，日本研制了用于草莓收获的采摘机器人，采摘成功率为54.9%，自动包装作业成功率97.3%。近年，欧洲学者基于机器视觉识别技术设计了自适应抓取结构的采摘机器人，实现了甜椒采摘的抓握和摘取。日本高知技术大学也对甜椒机器人开展了研究，开发了三直角坐标机械臂和剪刀式末端执行器的移动采摘机器人。国内对采摘机器人的研究较晚，但发展迅速。2016年，上海交通大学开发了三自由度机械臂的双臂式番茄采摘机器人，提高了运动控制速度和工作效率。2017年，李长勇等研究了高架草莓采摘机器人，通过双目视觉定位，成熟草莓的识别率达95%。江西理工大学设计了脐橙采摘机器人，基于双目视觉识别完成了果实识别和定位系统的搭建，华南农业大学的熊俊涛等人设计了多类型水果采摘机器人，实现了柑橘的定位采摘。可见，视觉系统和末端夹持器是果实采摘研究的重要组成部分。

传统的末端夹持装置与对象之间一般是刚性接触，通过施加压力以产生摩擦力，从而实现抓持功能。虽然结构简单，但当载荷增大时，这类夹持器只能单纯采用增大接触压力、产生更大摩擦力的方式来提高抓持能力，从而对表皮脆弱的对象造成损伤。与传统刚性机械手相比，柔性机械手具有质量轻、体积小、速度高、负载能力强、能耗小、成本低等优点，具有广阔的市场前景。

采摘过程中，由于果实的外表较为脆弱，抓取过程中容易造成损伤，所以抓取结构需要具有一定的柔性。国内外对柔性机械手的结构也已有了许多针对性研究。21世纪初，日本学者Noritsugu等利用旋转型气动柔性驱动器制作了一种三指柔性手，可以实现柔性球的抓取。美国Peter研制了番茄采摘机械手，利用吸盘和塑料软管通过绳驱动实现抓取。国内鲍官军等以气动柔性关节和扭转关节为基础设计了柔性三指柔性手，抓取过程具有良好的适应性和柔顺性。徐淼鑫等提出了一种刚柔相结合的手爪方案，设计并制作了一种软体驱动三触手柔性手爪，可以实现对物体的抓持。金波和林龙贤借助欠驱动原理研制了一款结构简单的末端执行装置，通过单驱动实现柔性手指抓取物体的功能。

3D打印是一种快速成型的加工方法，能够快速成型复杂的结构，既经济又节省时间，在机械手方面的应用也越来越多。2015年，Telegenov等利用3D打印技术设计了一个夹持装置，证明打印材料的刚度和强度都可以满足要求。2017年，Mutlu课题组基于3D打印技术制造了刚度可调的柔性手指，通过施加负压带动波纹管达到弯曲状态实现对物体的抓取。2017年陆叶利用3D打印对单臂轮式机器人的硬件结构进行制造，实现了复杂的原型设计，缩短了开发周期。2018年傅思程等设计了基于3D打印技术的仿人机械手，选用工程塑料ABS作为打印材料，通过鱼线和皮筋实现手指的驱动。2018年，马怀振等采用3D打印并装配了欠驱动末端夹持器，能平稳地实现抓取功能。

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