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舞蹈动作模拟在采摘机械人动作训练中的应用
摘要：提出了一种将舞蹈动作模拟技术应用于采摘机器人的技术方案，可以使采摘机器人具有更强的精准控制能力。通过实时求解采摘机器人末端执行器最优采摘姿势角度，能够更准确、高效地完成采摘任务，避免果实损坏或浪费的情况。研究结果表明：技术方案可以有效地提高采摘机器人的性能，为未来机器人在农业生产中的应用和开发提供了一种可行途径。
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随着机器人技术的发展，相关学者不断在各个领域中探索创新方法，包括农业机器人。早期的农业机器人仅仅被用于简单的作业(如土壤耕种等),但随着技术的进步，人们开始将机器人技术应用到采摘领域。因此，有必要采用更先进的手段来提高采摘机器人的性能和效率。为此，笔者主要关注舞蹈动作模拟在采摘机械人动作训练中的应用，旨在探究舞蹈动作模拟技术如何改进采摘机械人的性能和效率。
1、舞蹈动作模拟
跳舞是一种快乐的锻炼方式，不仅可以帮助人们改善肢体协调能力，而且能够给个人带来心理上的愉悦，锻炼肌肉，增强身体的柔韧度和灵活性。舞蹈动作模拟是一种虚拟技术，其利用图像处理技术获取舞者的动作，并通过显示屏或者VR眼镜显示出来，让舞者去观察自己跳舞的动作是否符合标准。另外，舞蹈动作模拟通过模拟真实的舞蹈动作，使用高精度的虚拟人体动作捕捉系统，将真实舞蹈者的动作实时量化，并将其可视化。舞蹈动作模拟可以帮助人们提高表演技巧，增强自信心，并有助于提高节奏感和两者之间的联系。
舞蹈动作模拟适合各种类型的舞蹈，包括现代舞、芭蕾舞、街舞等。例如，当舞蹈者没有伴舞者或因自己技巧达不到要求时，可以通过舞蹈动作模拟来进行动作伴舞。此外，舞蹈训练者用这种技术来检测舞蹈者的技巧，及时对其不足之处进行监督。
通过舞蹈动作模拟，可以更好地实现真实舞蹈动作到虚拟舞蹈动作的迁移，容易受到舞蹈爱好者和舞蹈行业的欢迎。
本文将舞蹈动作模拟技术应用在采摘机器人中，使其能够更加精准地控制，从而能够自动完成采摘任务，准确地捕捉果实，避免了采摘过程中果实损坏或浪费的情况。
2、采摘机器人末端执行器设计
采摘机器人的末端执行器是整个系统中最重要的组成部分，可根据采摘任务完成相应动作。本文以苹果为采摘目标，通过研究其形态结构和力学特征，设计了一种适用于苹果采摘的末端执行器。
2.1 苹果形态结构分析
在设计采摘机器人末端执行器结构时，首先要对采摘目标的形态结构进行分析。由于果实个体大小和质量存在差异，故需要对果实结构进行分析。本文以陕西红星苹果作为试验对象，随机选择20个大小不一的红星苹果并采用如图1所示的方法测量其高度和直径。
图1中，上下夹板和左右夹板之间的距离分别表示苹果的高度和直径。测得的红星苹果的高度在50～70 mm之间，直径在50～90 mm之间。
2.2 苹果力学特征分析
采用如图2所示的Brookfield CT3-4500 质构仪对陕西红星苹果进行压缩测试。CT3-4500的负载范围为0～4 500g, 分辨率为0.50 g。在压缩试验中，压头的压缩速度为25 mm/min, 数据采样频率为100 Hz。在压缩试验中，采集到苹果受到的压力和压缩量如图3所示。
图1 苹果形态尺寸测量方法
图2 Brookfield CT3-4500 质构仪
图3 苹果受到压力的压缩位移关系
由图3可知：当受到的压力小于20 N时，苹果的位移与压力成正比，说明苹果此时还未出现损伤；当压力大于20 N时，压力和位移不成正比，说明苹果表皮虽没有损伤，但内部组织已经有损伤。所以，20 N表示苹果的生物屈服力，而超过40 N时苹果直接出现损伤，此时的力是苹果受到的损坏应力。因此，在设计采摘机器人末端执行器时，应避免其抓取力超过20 N以上。
2.3 采摘机器人末端执行器设计
由于苹果果实表皮比较娇弱，在采摘过程中应尽量增加末端执行器和果实表皮的接触面积。另外，苹果果实体型较小，为了提高末端执行器的灵活性、降低控制复杂度，采用三手指采摘果实，可以减少抓取过程中对果实的破坏性。末端执行器抓取和放开方式包括平动型和回转型，如图4所示。
图4 末端执行器的两种结构
回转型结构的末端执行器具有调整开关闭合角度的作用，使采摘机器人采摘范围更大，而该类结构相比平动型也会更加复杂，有可能会额外引入一些夹持误差，但也可以通过控制策略得到补偿。本文设计的三指回转型结构的末端执行器机械结构如图5所示。
图5 末端执行器机械结构
另外，为了避免采摘过程中拉扯果柄导致果枝断裂，还在末端执行器前段安装了转剪切刀具，在末端执行器夹紧目标果实后，便可以驱动控制该刀具割断果柄。
3、采摘机器人末端执行器参数和采摘动作姿态函数分析
正如舞蹈姿势动作的重要性，采摘机器人末端执行器的采摘姿势动作也非常重要。因此，将舞蹈动作模拟技术应用在采摘机器人中，以提高采摘机器人末端执行器采摘动作的准确度。
3.1 末端执行器采摘动作简化
采摘机器人的末端执行器可以采用不同的姿势动作完成对目标果实的采摘，但要想提高采摘成功率，必须选择最优的姿态执行采摘任务。
当末端执行器的坐标系原点接近苹果果实中心位置时，会对苹果果实的中心位置有一定的影响，此时应该以苹果实际位置和原始位置之间的距离作为评判标准。产生影响的原因包括以下因素：①末端执行器刀具固定架长度lend;②末端执行器刀具固定架的张角φangle;③苹果果柄的角度值θcar;④末端执行器的采摘角度θend。
当采摘机器人末端执行器以不同的姿态动作接近目标果实时，末端执行器的坐标系最后达到的采摘点和果实中心点偏移距离会有差别。为了分析它们之间的关系，将苹果果柄与果枝连接模型简化为铰接模型，也将果柄简化为刚性体，即在采摘过程中不考虑其弹性变形。苹果采摘模型如图6所示。
图6 苹果采摘模型图
为了解决采摘机器人执行器在采摘作业中果柄铰接处不处于采摘面的问题，采用末端轨迹约束使得末端执行器保持固定的姿态沿直线靠近果实，并以果柄为母线进行旋转。同时，将果柄铰接处和采摘面的交合处作为分析的铰接点，如图7所示。
图7 果柄铰接点变换示意图
图7中，苹果果实的中心偏移量便是其转换后的最大偏移量。为了避免采摘作业中末端执行器与果枝或果实发生碰撞，会在靠近采摘目标处设置1个如图8所示的中间准备点；然后，控制末端执行器的采摘姿势动作，并沿直线靠近果实进行准确的采摘。
图8 采摘机器人采摘示意图
3.2 计算末端执行器最优采摘动作
末端执行器进行果实采摘时，若其所在的坐标系中心点和果实中心点重合时，便能准确采摘到目标果实。而在实际采摘过程中，由于末端执行器3个手指会和果实或果柄发生碰撞，会导致果实中心与采摘机器人视觉定位的中心点发生一定的偏差，若偏差太大则会导致采摘失败。因此，在采摘过程中应该对采摘动作进行调整，求解出最优采摘动作，保证采摘成功率。
假设待采摘苹果中心在末端执行器坐标中的位置为(x1,y1)、果柄的铰接位置为(xcar,ycar),那么会存在如下关系，即
其中，lcar和θcar分别表示苹果果柄长度和角度值。
为了分析末端执行器刀具在实际的采摘作业过程中对苹果果实位置的影响，可以根据式(1)对刀片的位置进行计算，即
其中，(xk_up,yk_up)和(xk_down,yk_down)分别表示刀具上下点的坐标；(xk,yk)表示刀具的旋转中心。
这样，可以求出刀具旋转中心和末端执行器中心点的位置关系为
其中，dcenter和dend分别表示末端执行器中心点距离苹果支撑点与苹果最低点的距离。
果柄在末端执行器运动坐标系下的方程表达式为
y=tanθcar(x-x1)+y1(5)
根据以上表达式，可以判断出末端执行器上下刀具与果柄之间的关系，从而计算出碰撞后苹果的中心坐标(x1 _new,y1 _new),即
这样可以计算出变化后的果实位置偏移距离为
其中，θ′car为发生碰撞后果柄和水平方向之间的角度值。
这样便可以将θ′car和disθ′car代入计算末端执行器在采摘过程中应该调整的角度，以保证其能够以最佳的姿态角度准确、成功地采摘到苹果果实。
4、采摘机器人采摘试验分析
为了验证采摘机器人对苹果果实采摘的准确度，本文进行了实际的抓取实验。实验共进行了5次，每次采摘100个苹果，结果如表1所示。
表1 采摘机器人采摘试验结果
由表1可以看出：作业过程中，采摘机器人对苹果采摘准确度比较高，达到98%以上。试验中采摘失败是因为末端执行器与树枝发生碰撞后目标苹果果实晃荡严重，导致苹果采摘后外皮组织损伤较大。为此，需要增强末端执行器避障能力，从而进一步提高采摘成功率。
5、结论
将舞蹈动作模拟应用在采摘机械人动作训练中，可以使末端执行器实现最优采摘动作，有效地提高机器人的动作精准度和速度。未来舞蹈动作模拟将在机器人领域发挥更大的作用，为机器人提供更多的技能，而将一些特殊技能应用在机器人将是机器人行业的下一个重要方向。
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文章来源:陶璐璐.舞蹈动作模拟在采摘机械人动作训练中的应用[J].农机化研究,2025,47(02):200-204.
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