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研究报告：基于吸盘的软体机器人夹爪用于黄瓜采摘的设计与验证

作者及机构
本研究由韩国全南大学（Chonnam National University）的Yuseung Jo、Yonghyun Park和Hyoung Il Son（通讯作者）团队完成，发表于Elsevier旗下期刊《Biosystems Engineering》2024年第238卷。三位作者分别来自全南大学的融合生物系统工程系（Department of Convergence Biosystems Engineering）、IT-生物融合系统跨学科项目（Interdisciplinary Program in IT-Bio Convergence System）及生物控制论研究中心（Research Center for Biological Cybernetics）。

学术背景
本研究属于农业机器人（Agricultural Robotics）与软体机器人（Soft Robotics）交叉领域。传统刚性机械手（rigid robotic hands）在采摘不规则形状的果蔬时存在控制复杂、易碰撞损伤等问题。黄瓜因其圆柱形、表面凹凸不平的特性，对夹爪的适应性提出更高要求。研究团队提出一种结合“半径最大化设计”（radius-maximised design）和“折纸结构”（origami structure）的吸盘式软体夹爪，旨在解决以下问题：
1. 黄瓜大曲率表面导致的吸附力不足；
2. 表面不平整造成的吸附失效；
3. 密集种植环境中夹爪尺寸与碰撞风险的矛盾。

研究流程
1. 设计与建模
- 形状优化：采用双曲抛物面（hyperbolic paraboloid）结构扩大吸附半径，数学模型通过椭圆方程（式4）和曲率计算（式5-7）确定参数，有效半径（effective radius）理论值达12.51 mm。
- 表面改良：在吸盘内壁设计微米级折纹（micro-etchings），引导硅胶材料（Shore硬度5.0）的变形方向，减少不规则表面导致的随机形变。
- 集成切割模块：夹爪与高速旋转圆锯配合，通过牵引机制（traction mechanism）稳定黄瓜茎秆，切割反应力（freact）由吸附力抵消。

1. 仿真与力学分析

   • 有限元分析（FEA）：对比有无折纹结构的吸盘形变，结果显示折纹结构使形变均匀性提升1.35倍（表1）。
     
   • 吸附力计算：通过椭圆积分（式10-12）和有效半径公式（式9）量化吸附力，实验测得形状-表面双调整夹爪的吸附力达10.66 N，较仅调整形状的夹爪提高35.6%。
     

2. 实验验证

   • 实验室测试：使用两台机械臂和6自由度力传感器（ATI Nano17）模拟采摘，三种夹爪（传统锥形、仅形状调整、形状-表面双调整）各测试10次。双调整夹爪吸附成功率达100%，有效半径达理想值的85.2%（图14-16）。
     
   • 田间试验：在韩国三个黄瓜农场（Boryeong、Sangju、Cheongju）进行174次采摘测试。整体成功率为86.2%，损伤率4.7%。不同农场因茎秆粗细差异（图17），成功率从76.8%（Site A）至95.2%（Site C）不等（表2）。
     

主要结果
1. 吸附性能：双调整夹爪在实验室中有效半径接近理论值（85.2%），扭矩（torsion）达71.26 N·mm，显著高于仅形状调整的37.68 N·mm（图16）。
2. 田间适应性：切割失败主因是茎秆纤维未完全切断（图18），与夹爪无关；损伤主要源于切割模块碰撞（图19），而非夹爪本身。
3. 对比优势：相比现有平行夹爪（parallel gripper）和气动软体夹爪（pneumatic soft actuator），本研究夹爪体积缩小30%，且无角度限制（图20）。

结论与价值
1. 科学价值：首次将双曲抛物面几何与折纸结构结合于农业夹爪，为软体机器人设计提供新范式。
2. 应用价值：夹爪模块可独立于切割系统升级，未来通过优化圆锯直径和视觉伺服（visual servoing）算法可进一步提升成功率。
3. 推广潜力：该设计适用于其他圆柱形果蔬（如茄子），且低成本硅胶铸造（3D打印模具）适合大规模农业应用。

研究亮点
1. 创新设计：半径最大化与折纹引导形变的协同设计，解决黄瓜曲率与表面不平的双重挑战。
2. 方法学贡献：提出基于椭圆积分的吸附力量化模型，并通过惯性扭矩（式14-15）验证形变可控性。
3. 跨学科融合：结合农业工程、几何学与材料科学，为密集环境采摘机器人提供通用解决方案。

其他发现
- 真空泵（620 mmHg）比压缩吸附（method 1）更抗黄瓜偏转（yaw rotation）；
- 未来可通过“水果模型”（fruit phantom）进一步研究吸附与切割的动力学关联。