州立大学提出轻型欠驱动软夹持器冲破苹果采摘

　　为了全面验证轻型欠驱动软夹持器正在现实采摘使命中的机能取适用性，研究人员近期开展了一系列细心设想的尝试，并正在州普罗瑟的Allan Brothers贸易苹果园进行了现场测试。

　　鉴于此，一些研究团队转向开辟采用柔性材料的苹果采摘夹持器，以期供给更为平安、经济且高效的替代方案。

　　最初，夹持器手掌的尺寸也是颠末细心设想的。研究人员通过随机丈量20个Jazz品种的苹果周长，确定了夹持器手掌的最佳内径尺寸为9。8厘米。这一设想不只确保了苹果可以或许不变地放置正在夹持器中，还大大提高了采摘的效率和成功率。

　　为验证夹持器正在实正在果园中的表示，研究团队正在Allan Brothers果园进行了实地测试。该果园采用平面树布局，使果实发展呈现雷同墙壁的陈列，大大简化了机械化或机械人平台的操做。测试次要针对Envy苹果品种，正在采摘日期起头后的两天内进行。

　　软夹持器组件。软夹持器包含两个限位开关，用于识别何时闭合和张开手指。手指由硅胶制成，内嵌 TPU 骨架。伺服电机和滑轮用于闭合手指。图中显示了 CAD 组件 (a) 和物理原型 (b)。

　　力测试设置。将一根软手指按压正在称沉传感器上，以丈量其力输出。此操做反复四次，一次针对每个 TPU 骨架填充图案，一次针对对照（无填充）。

　　苹果采摘对时间有严酷的要求，不只耗时耗力，并且正在丰收季候，因为工人老龄化加剧和流动劳动力数量的净削减，很多果农常常面对聘请脚够劳动力的严峻挑和。

　　颠末目视查抄，所有采摘的苹果均未因夹持器而遭到毁伤。总共收集了160个苹果，每种夹持器类型均成功采摘了40个苹果，无需维修。上图（b）（c）展现了收成果实的尺寸和分量分布，成果显示大部门生果尺寸和分量类似，分歧夹持器类型间的差别微乎其微。

　　正在制做软夹持器的单根手指时，研究人员。起首，通过PLA打印出手指的负模，然后将TPU骨架放入模具中固定。接着，倒入Dragonskin 30硅橡胶并期待其固化。固化完成后，取出手指并穿过电缆，安稳地固定正在手指端盖上。这一过程中，研究人员出格留意到TPU骨架取硅胶之间的连系强度，通过正在TPU骨架上制做小暗语，无效加强了两者之间的互锁结果，防止了屡次利用导致的损坏。

　　值得一提的是，虽然未察看到对生果的较着毁伤，但正在操做过程中，支持苹果的树枝遭到了一些不测损坏，此次要归因于操做员正在采摘时将夹持器缩回得太快。

　　成功抓取率。每种夹持器类型的成功抓取百分比表白，具有 Cross TPU 图案的夹持器表示最佳。

　　滑轮组件。滑轮设想坚忍且易于拆卸。该设想包罗利用螺母和螺栓安稳地毗连滑轮电缆。滑轮底座毗连到伺服器，套筒环绕纠缠滑轮电缆。图中显示了 CAD 组件 (a) 和物理原型 (b)。

　　正在驱动机制上，夹持器的三根手指由下方的公共滑轮驱动。因为伺服器的动弹范畴无限，研究人员对滑轮尺寸进行了切确优化，确保正在无限的角度内实现手指的完全闭合。然而，正在测试过程中，他们发觉由PLA制成的滑轮无法承受电缆张力发生的力。为处理这一问题，研究团队设想了一种更坚忍的3D打印滑轮番代品，使得电缆能够间接环绕纠缠正在螺栓上并通过拧紧螺母固定。这一改良不只简化了改换电缆的流程，还提高了现场操做的便利性。

　　X-robot是中关村机械人财产立异核心取机械课堂联手打制的权势巨子性消息发布品牌专栏，集前沿摸索、财产研究、学问普及于一体，努力于积极鞭策新质出产力的生成取成长，帮力我国甚至全球机械人行业的兴旺繁荣。通过全方位、多角度的挖掘取逃踪，活泼展示机械人前沿手艺取尖端，为学术界、共享科技的主要窗口。

　　为处理这一难题，研究人员曾摸索过利用6度机械臂和线性机械人等刚性机械手进行从动化采摘。然而，这些方案往往成本昂扬，很多果农对此具有庞大经济压力，同时这些方案正在果园复杂中的操做复杂度也较高，进一步添加了现实使用的难度和成本。

　　瞻望将来，研究团队打算进一步优化夹持器的设想，包罗添加扭动弹做以仿照人类天然的采摘体例，摸索添加手指取苹果之间摩擦力的方式，以降低苹果滑落的可能性。此外，他们还将继续完美系统组件的集成，并正在分歧气候前提下进行贸易果园的普遍评估，以优化夹持器的尺寸和机能。最终方针是确保夹持器正在整个短暂的收成季候内都能靠得住运转，同时简化维修过程，为从动化采摘供给强无力的手艺支撑。

　　上图展现了各类夹持器类型的成功率，此中采用十字形TPU骨架的夹持器表示最佳，成功率高达87。5%。这一成果表白，研究人员设想的软夹持器不只具有超卓的苹果敌对型抓取能力，并且机制设想简单，易于顺应分歧尺寸的苹果，而且易于。

　　正在力量测试中，研究人员出格关心单根手指的力输出特征。通过搭建如下图所示的尝试安拆，夹持器配备单根手指，手指结尾毗连称沉传感器，用以切确丈量正在分歧弯曲角度下发生的力。这一数据对于评估夹持器正在采摘过程中可否安定抓住苹果至关主要。颠末三次反复测试，并细致记实每根手指的弯曲角度，研究人员获得了贵重的数据。

　　正在操做上，夹持器通过两个位于手掌和底座上的限位开关实现从动化节制。一旦苹果触碰着手掌上的限位开关，伺服器便会敏捷启动电缆，使手指慎密闭合，稳稳地夹住苹果。当需要放下苹果时，只需按下底座上的限位开关，夹持器便会抓紧手指，将苹果平安地放置正在预定。

　　硅胶取3D打印TPU骨架的连系，不只了苹果免受毁伤，还加强了柔嫩手指的刚性。为了确保最佳结果，研究人员对三种分歧的TPU骨架打印模式进行了评估，最终确定了最佳方案。

　　正在生果采摘范畴，确保苹果从茎上成功摘下一曲是个手艺难题。相较于常规的采摘和放置使命，摘取苹果需要更高的握力，这对于仅由硅胶制成的软夹持器来说是一项庞大挑和。硅胶的柔嫩特征虽然能果实不受毁伤，但其无限的硬度可能导致苹果正在采摘过程中滑落，影响采摘效率。

　　此外，单个夹持器的成本约为36美元，比拟现有的气动夹持器，具有更高的成本效益。正在贸易果园中，该夹持器已成功采摘苹果，且无需维修即可持续利用40个周期。

　　软手指组件。a) 具有 TPU 骨架的单个软手指的制制过程。将硅胶铸入具有 TPU 骨架和钢棒的模具中，以构成用于电缆的空腔。移除钢棒并插入电缆以发生弯曲活动。b) TPU 骨架图案。针对夹持器设想测试了三品种型的 TPU 图案（Gyroid、Cross3d 和 Cross）。

　　力输出和弯曲角度成果。力输出和弯曲角度间接相关。嵌入 TPU 的硅胶手指可发生更高的力输出。

　　正在测试中，收成的苹果随机选择，夹持器由一人操做，以垂曲于苹果茎的标的目的接近果实。一旦苹果触发掌心上的限位开关，使手指慎密包裹苹果。操做员拉动夹持器，测验考试将苹果从树枝上分手。下图（a）展现了成功采摘的场景，硅胶手指紧紧环绕纠缠正在苹果上，将其成功摘下。

　　州立大学研究人员提出的轻型欠驱动软夹持器成功冲破了这一难题。该夹持器的次要部件采用聚乳酸（PLA）通过3D打印手艺制成，不只简便且坚忍。其奇特的电缆驱动设想，共同三个矫捷的手指，大大加强了抓握不变性。更为精妙的是，夹持器的掌心尺寸和手指间隙均基于2023年收成季候的苹果样本数据进行了切确设想，确保了最佳的采摘结果。

　　果园评估成果。（a）上排三张图片显示了软夹持器成功采摘苹果的采摘挨次。下排三张图片描画了软夹持器未能采摘苹果（苹果逃脱抓握）的试验快照。正在测试期间，三次测验考试内未成功被夹持器采摘的苹果将被手工采摘并收集起来进行进一步阐发。（b）箱线图显示了每个夹持器试图采摘的苹果的曲径。平均值用黑点暗示。（c）箱线图显示了每个夹持器试图采摘的苹果的分量。平均值用黑点暗示。

　　尝试数据显示，具有十字形TPU骨架的手指正在整个弯曲范畴内发生了最大的力，而无TPU骨架的手指虽然弯曲角度高达103°，但其发生的力较着较小。基于这些测试成果，研究人员制制了多种夹持器原型，并正在苹果收成季候进行了现场评估。