劉曉敏 田德寶 宋懋征 耿德旭 趙云偉

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 吉林 132021)

0 引言

蘋果、梨和柑橘等果樹多分布于山地和坡地，其樹冠高大，人工采摘難度大。在整個(gè)果樹種植生產(chǎn)過程中，采摘作業(yè)工作量占比為33%～50%[1-2]。采用自動(dòng)化設(shè)備或機(jī)器人進(jìn)行采摘，可有效提高采摘效率、降低成本[3-5]。在果樹矮化密植后，果實(shí)密集、遮擋減少，這為自動(dòng)化采摘提供了有利條件。由于球果采摘環(huán)境復(fù)雜、果實(shí)脆弱敏感且形狀各異，為保證采摘品質(zhì)，設(shè)計(jì)安全高效、穩(wěn)定可靠、輕質(zhì)靈活和適應(yīng)性強(qiáng)的采摘執(zhí)行器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化球果采摘的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[6-9]。近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者相繼研制了吸附式[10-13]和抓持式[14-15]等多種采摘執(zhí)行器。吸附式采摘執(zhí)行器主要依靠負(fù)壓吸取或吸盤吸附球果，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采摘時(shí)多余枝葉易阻塞管道，無損采摘球果占比僅為85%[16]。抓持式采摘執(zhí)行器多采用剛性桿件，夾持力不易控制，在快速夾持作業(yè)中產(chǎn)生碰撞沖擊，易損傷果實(shí)，需要建立動(dòng)態(tài)夾持碰撞模型，并提出精確抓取的抓取力調(diào)節(jié)策略[17-20]。為實(shí)現(xiàn)柔順抓取，文獻(xiàn)[21-26]提出了基于氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的全柔性采摘執(zhí)行器，該采摘執(zhí)行器雖柔順性和適應(yīng)性好，但剛度不足。為此，在軟體驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了2自由度多向彎曲氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部添置剛性骨架，組成“剛-柔耦合”結(jié)構(gòu)。在具有較好柔順性的同時(shí)能保持一定剛度，易于控制、動(dòng)作靈活，且具有主動(dòng)安全性，可有效避免損傷果實(shí)；在氣壓下產(chǎn)生弧狀彎曲變形可與球果表面很好貼合，適合作為采摘機(jī)械手的執(zhí)行器，用于球果的采摘、分檢、搬運(yùn)和碼放。

本文采用自主研制的多向彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)2種規(guī)格帶有腕部回轉(zhuǎn)功能的多自由度球果采摘柔性手爪，研究柔性驅(qū)動(dòng)器制造工藝，建立驅(qū)動(dòng)器形變模型和柔性手爪采摘過程力學(xué)模型，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究柔性手爪工作空間，分析其抓取模式，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行多種球果模擬采摘實(shí)驗(yàn)。

1 采摘柔性手爪結(jié)構(gòu)功能

1.1 整體設(shè)計(jì)

針對(duì)球形果實(shí)特點(diǎn)，基于氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器技術(shù)設(shè)計(jì)的具有手腕回轉(zhuǎn)功能的3指采摘柔性手爪，結(jié)構(gòu)及功能見圖1。該柔性手爪的設(shè)計(jì)采用中心對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，3根柔性手指均布于手掌基盤圓周上呈中心對(duì)稱，回轉(zhuǎn)腕部位于掌心處。手指與柔性驅(qū)動(dòng)器復(fù)合一體，具有較好的柔性和夾持能力，氣壓作用下手指彎曲變形與球果表面貼合，腕部由回轉(zhuǎn)氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為擴(kuò)大采摘范圍，手指相對(duì)于手掌平面呈一定傾斜角度且向外側(cè)伸展。

依據(jù)手指布局、目標(biāo)球果的尺寸和質(zhì)量，柔性手爪抓取模式可采用3種方式：手指內(nèi)側(cè)多觸點(diǎn)抓取、手指包裹性握取和指端捏取；摘取方式采用腕部旋轉(zhuǎn)扭斷果梗，使球果與樹枝分離。采摘時(shí)，當(dāng)柔性手爪接近目標(biāo)球果后施加氣壓，各手指彎曲變形協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)抓取球果，然后通過腕部旋轉(zhuǎn)扭斷果梗，完成球果采摘。采摘柔性手爪具有7個(gè)自由度，3個(gè)機(jī)動(dòng)度，質(zhì)量為800 g，其設(shè)計(jì)采摘能力為抓取目標(biāo)球果直徑為30～130 mm，質(zhì)量小于1 kg。

1.2 手掌與腕部設(shè)計(jì)

手掌和手腕結(jié)構(gòu)見圖2。手掌采用盤形結(jié)構(gòu)，手指安裝基座相對(duì)于手掌設(shè)有傾斜角η以保證手指向外側(cè)伸展(圖2a)。針對(duì)目標(biāo)球果尺寸設(shè)計(jì)了2種類型手掌(Ⅰ型和Ⅱ型)，規(guī)格分別為手掌直徑D1=80 mm和手掌直徑D2=120 mm。其中，Ⅰ型采摘手爪適合采摘直徑略小和果樹茂密的球果(d為球果直徑，d≤100 mm)；Ⅱ型采摘手爪適合用于外形較大(d>100 mm)的球果。

手腕的旋轉(zhuǎn)由內(nèi)部回轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)(圖2b、2c)，采用2個(gè)同軸安裝的軸承以保證回轉(zhuǎn)氣缸的同軸度。為分離球果氣缸需提供的扭矩Mg為

(1)

式中Fd——果梗扭斷力，N

采摘蘋果的果梗扭斷力為2～5 N[27]，假設(shè)成熟球果的果梗扭斷力為10 N，當(dāng)d=100 mm時(shí)，由式(1)計(jì)算得所需要的扭矩為0.5 N·m。文中采摘柔性手爪腕部所選用的回轉(zhuǎn)氣缸為葉片式擺動(dòng)氣缸(SMC-CDRBU2WU30-270SZ型)，在0.35 MPa下輸出扭矩為2 N·m，足夠扭斷果梗，分離球果完成采摘。

1.3 手指設(shè)計(jì)

采摘柔性手爪手指與人手手指外形相仿，帶有弧面指尖。本體與驅(qū)動(dòng)器復(fù)合一體具有較好柔性，氣壓作用下產(chǎn)生“圓弧狀”彎曲變形，可實(shí)現(xiàn)正屈和側(cè)擺動(dòng)作(圖3)。指尖處安有觸力傳感器，用于判斷手指與目標(biāo)球果接觸狀態(tài)，并進(jìn)行接觸力反饋。

所設(shè)計(jì)弧狀彎曲手指可較好地貼合球果表面，從而增大接觸面積減小壓力，更好地保護(hù)果實(shí)避免損傷。其寬度與人指寬度相當(dāng)，為20 mm，3指同時(shí)夾緊握取球果時(shí)手指接觸面積覆蓋率為20%。為避免損傷球果表面，柔性手指內(nèi)側(cè)和手掌平面裝有柔性硅膠墊(圖3)，可增加抓持時(shí)的摩擦力。

為實(shí)現(xiàn)包裹性抓取，手指長(zhǎng)度設(shè)計(jì)如圖4所示。圖中紅色CAB線為近似的手指變形曲線，AB弧長(zhǎng)為手指與球果表面接觸區(qū)域，A點(diǎn)為起始點(diǎn)，B點(diǎn)為手指包裹的最遠(yuǎn)指端接觸位置。

由圖4可知，柔性手指長(zhǎng)度L與球果直徑關(guān)系為

(2)

式中γ——包絡(luò)角，(°)

γ取π/2時(shí)，手指可實(shí)現(xiàn)完全性包裹抓取球果，則由式(2)可獲得最小手指設(shè)計(jì)長(zhǎng)度Lmin。當(dāng)d=100 mm，η=80°時(shí)，Lmin=130 mm。

為穩(wěn)定地摘取球果，可適當(dāng)增加手指長(zhǎng)度擴(kuò)大包容區(qū)域，并采用3指交錯(cuò)強(qiáng)力握姿以避免指端干涉。采摘柔性手爪結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 采摘柔性手爪結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of gripper

2 多向彎曲驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的多向彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器屬于復(fù)合彈性體，氣壓作用下可多方向連續(xù)彎曲變形，呈現(xiàn)大變形、非線性等特點(diǎn)。

2.1 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

柔性驅(qū)動(dòng)器為“剛-柔”耦合結(jié)構(gòu)，由2組并聯(lián)的人工肌肉、彈性骨架與外部套裝的片狀約束環(huán)組成(圖5a)。人工肌肉和彈性骨架對(duì)稱分布，且位于同一圓周上，肌肉為氣囊與端蓋之間形成的密閉腔體。氣囊采用超彈性硅橡膠材料，充氣后徑向和軸向膨脹。為限制氣囊的徑向膨脹，在外緊密套裝片狀的約束環(huán)。彈性骨架采用兩根旋向相反的密繞圓柱螺旋彈簧，起到連接、支撐和抑制扭曲作用，可提高柔性驅(qū)動(dòng)器剛性和彈性恢復(fù)。

驅(qū)動(dòng)器組成與連接方式見圖5b。上下端蓋設(shè)有匹配的安裝凹槽和通孔，用于安裝肌肉、骨架和通入壓縮氣體；氣囊上接頭端面留有螺紋孔，下接頭端面設(shè)有螺紋通孔與氣動(dòng)接頭給驅(qū)動(dòng)器通氣；彈簧兩端設(shè)有堵頭，堵頭端部設(shè)有螺紋孔可與端蓋用螺釘配合連接。

基于上述由人工肌肉和彈性元件復(fù)合而成的柔性驅(qū)動(dòng)器，可以看作“無軸多鉸鏈”柔性結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)肌肉內(nèi)腔的氣體壓力，實(shí)現(xiàn)多方向、連續(xù)角度的彎曲變形功能，其形變特性如圖6所示。當(dāng)2根肌肉同時(shí)施加相同氣壓(p1=p2，p1和p2為人工肌肉內(nèi)施加的氣壓)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生類似指狀圓弧型彎曲變形，類似手指的正屈動(dòng)作(圖6a，θ為驅(qū)動(dòng)器端面轉(zhuǎn)角，R為彎曲圓弧半徑)；當(dāng)2根肌肉通入不同氣壓(p1≠p2)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將在β～(π-β)范圍內(nèi)向不同方向彎曲(圖6b)，類似手指的側(cè)擺動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)器彎曲后為圓弧狀，與球果接觸具有較好的包絡(luò)性，適合作為球果采摘柔性手爪的手指。

2.2 驅(qū)動(dòng)器材料與制造工藝

依據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，柔性驅(qū)動(dòng)器由氣囊、彈性骨架和約束環(huán)復(fù)合而成，柔性驅(qū)動(dòng)器的制作工藝較為復(fù)雜，氣囊采用硅膠管，彈性骨架采用圓柱螺旋彈簧，材料為65Mn，約束環(huán)和端蓋采用ABS塑料由3D打印制作完成。氣囊接頭和彈簧堵頭采用鋁合金材質(zhì)。驅(qū)動(dòng)器具體幾何參數(shù)和材料特性見表2。

表2 驅(qū)動(dòng)器幾何參數(shù)和材料特性Tab.2 Structure and material parameters of actuator

氣囊與上下接頭及端蓋采用扣壓式封裝工藝，見圖7，端蓋與接頭上表面分別留有通孔和螺紋孔，并在端蓋內(nèi)側(cè)圓周上和堵頭外表面設(shè)有一圈環(huán)狀凸起，氣囊放置于端蓋與接頭之間的狹小縫隙內(nèi)，使用螺釘將端蓋與接頭鎖緊，通過端蓋與接頭環(huán)狀凸起的擠壓封裝氣囊。

驅(qū)動(dòng)器制造工藝采用機(jī)械裝配方式，主要工藝流程包括氣囊裁剪及封裝、骨架組裝、約束環(huán)套裝和端蓋組裝，裝配工藝流程見圖8。

首先依據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)要求裁剪硅膠氣囊(圖8a)；其次封裝氣囊與接頭(圖8b)；然后依次將封裝好的氣囊與彈性骨架與下端蓋連接(圖8c)；接著依序套裝約束環(huán)(圖8d)，最后將氣囊和彈簧與上端蓋采用螺釘連接方式裝配，并通過旋緊螺桿和氣動(dòng)接頭拉緊端蓋與接頭封裝氣囊(圖8e)，至此完成驅(qū)動(dòng)器制作。采用機(jī)械裝配的方式大大降低了驅(qū)動(dòng)器的制作難度，且部件破損后便于更換。

改變氣囊和彈性元件的材料、幾何尺寸和組裝排布方式都會(huì)影響到驅(qū)動(dòng)器的形變特性。接下來將針對(duì)驅(qū)動(dòng)器的形變特性建立模型，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性對(duì)彎曲方向和角度的影響。

2.3 驅(qū)動(dòng)器建模

施加氣壓后，人工肌肉(J1、J2)內(nèi)氣囊受壓膨脹。在端部彎曲力矩的作用下，驅(qū)動(dòng)器沿約束環(huán)鉸接處彎曲變形。氣壓下柔性驅(qū)動(dòng)器彎曲形變，如圖9所示。除受到端部的驅(qū)動(dòng)力矩Mh外，還將受到人工肌肉和彈性骨架由于阻礙驅(qū)動(dòng)器變形而產(chǎn)生的阻抗力矩MJ和MT，見圖9a。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)器彎曲力矩平衡方程可知

M1+M2=MJ1+MJ2+MT1+MT2

(3)

2.3.1驅(qū)動(dòng)器彎曲方向

當(dāng)2根人工肌肉(J1、J2)通入不同氣壓(p1≠p2)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器(在α≤β≤π-α范圍內(nèi))沿中性層自主彎曲變形(圖9b、9c，圖中y軸負(fù)向?yàn)閺澢较蚪菧y(cè)量起始點(diǎn))，彎曲方向即肌肉充氣變形在端部產(chǎn)生合力矩方向。

肌肉膨脹后在驅(qū)動(dòng)器端部產(chǎn)生的合力矩為

Mh=M1+M2=p1S1l+p2S2l

(4)

式中S1、S2——肌肉變形后的內(nèi)腔橫截面面積，mm2

人工肌肉在驅(qū)動(dòng)器端部產(chǎn)生合力矩的方向與x軸的夾角即為驅(qū)動(dòng)器的彎曲方向角β?？捎珊狭豿軸和y軸的分量比值求得，則驅(qū)動(dòng)器彎曲方向角為

(5)

式中Mhx——合力矩在x軸方向的分量，N·m

Mhy——合力矩在y軸方向的分量，N·m

α——人工肌肉驅(qū)動(dòng)力矩方向與y軸的夾角

將式(4)代入式(5)得合力矩彎曲方向與通入氣壓的關(guān)系

(6)

式(6)表明驅(qū)動(dòng)器的材料特性不影響其彎曲方向，結(jié)構(gòu)參數(shù)是主影響因素。式中結(jié)構(gòu)參數(shù)S1、S2影響作用在各肌肉端部的驅(qū)動(dòng)力；α影響肌肉力矩方向和分量，決定彎曲方向極限角度。

2.3.2驅(qū)動(dòng)器彎曲角度

驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力矩為

M1+M2=p2S2l2-p1S1l1

(7)

其中

(8)

驅(qū)動(dòng)器內(nèi)2組人工肌肉和彈性骨架位于同一圓周上且沿x軸對(duì)稱分布，肌肉和骨架分列于y軸兩側(cè)。肌肉和彈性骨架阻礙驅(qū)動(dòng)器彎曲變形時(shí)，除繞本體彎曲產(chǎn)生的彎曲力矩，還有繞驅(qū)動(dòng)器彎曲中心彎曲產(chǎn)生的耦合力矩。則肌肉和彈性骨架的阻抗力矩分別為

(9)

MT1+MT2=2Mk+kT(Δll′2-Δll′1)+kT(l′12+l′22)θ

(10)

式中Mk、Mn——彈簧和肌肉彎曲力矩，N·m

kR、kT——乳膠管軸向剛度和彈簧剛度，N·m

Δl——驅(qū)動(dòng)器軸向伸長(zhǎng)量，mm

l1、l2、l′1、l′2——人工肌肉和彈性骨架中心到關(guān)節(jié)彎曲變形中性層的距離，由圖9c可知，l′1=l2,l′2=l1

驅(qū)動(dòng)器彎曲狀態(tài)下彈性骨架和肌肉的變形協(xié)調(diào)方程分別為

(11)

(12)

將式(7)～(12)代入式(3)可得，驅(qū)動(dòng)器在變形Ⅰ區(qū)內(nèi)的彎曲角為

(13)

式(13)中變量S1、S2、Δl、Mk、Mn、kR、kT為伸長(zhǎng)型人工肌肉形變特性，可根據(jù)表2所示驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性，由文獻(xiàn)[28]所建立模型計(jì)算求得。由式(13)可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性同時(shí)影響驅(qū)動(dòng)器彎曲角，改變氣囊和彈性骨架的尺寸、排列方式、材料都將影響其彎曲形變程度。采用大內(nèi)徑、低硬度的氣囊可獲得較大的驅(qū)動(dòng)力矩，同時(shí)降低彈性骨架剛度可加大驅(qū)動(dòng)器的彎曲變形；反之，其變形減少剛性提升。上述表明驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要從形變能力和剛性之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

3 采摘過程力學(xué)分析

采摘柔性手爪抓緊球果后，通過腕部回轉(zhuǎn)扭斷果梗完成采摘?jiǎng)幼鳌Ｕ麄€(gè)采摘過程存在2個(gè)關(guān)鍵作用力：抓持力與扭斷力。

3.1 抓持力

采摘柔性手爪手指與目標(biāo)球果接觸過程中產(chǎn)生正壓力和摩擦力。其中正壓力為各肌肉輸出力的分力，則正壓力Fn和摩擦力Ff可分別描述為

(14)

式中K——比例協(xié)調(diào)系數(shù)μ——摩擦因數(shù)

該采摘柔性手爪在抓持目標(biāo)球果時(shí)，抓取方式分為手指前段多觸點(diǎn)抓取、手指內(nèi)側(cè)與手掌聯(lián)合的包裹性握取和指端閉合捏取。手指與球果接觸點(diǎn)的正壓力變化見圖10。當(dāng)采用抓取模式采摘大直徑球果時(shí)，手指前段內(nèi)側(cè)與球果表面小面積接觸形成力封閉抓取(圖10a)，此時(shí)手指作用在球果表面的正壓力和摩擦力的合力大小與球果重力一致；采摘柔性手爪握取球果時(shí)，與手掌配合形成力封閉抓取，手指內(nèi)側(cè)與球果表面大面積接觸產(chǎn)生較大的抓持力(圖10b)，此種方式適合中型尺寸、大質(zhì)量球果；指端捏取球果時(shí)，手指指尖與球果點(diǎn)接觸受力與抓取模式類似(圖10c)，此方式適合小型球果。

以柔性手爪垂直抓取球果為例，球果抓取模型見圖11，以球心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，圖中紅色陰影部分為手指與球果接觸區(qū)域；φ為手指在接觸點(diǎn)位置產(chǎn)生正壓力方向與xOy平面夾角。

假設(shè)柔性手指具有一致性，當(dāng)3根手指充氣彎曲同時(shí)與目標(biāo)球果表面接觸后，由力平衡分析可知，摩擦力與球果重力的關(guān)系為

G=3(Fnsinφ+Ffcosφ)=
3K(sinφ+μcosφ)(p1S1+p2S2)

(15)

3.2 扭斷力

采用扭斷果梗的方式采摘球果，其過程主要依靠手指與球果接觸所產(chǎn)生的摩擦力，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定采摘球果，采摘柔性手爪扭斷果梗需要滿足條件

(16)

式中f——手指與球果間的靜摩擦力，N

Fd——扭斷力，N

由式(16)可知，采摘時(shí)球果所承受極限的扭斷力為

(17)

采摘過程中該采摘柔性手爪扭斷果梗時(shí)，腕部氣缸輸出扭矩產(chǎn)生扭斷力Fd，且Fdmin≤Fd≤Fdmax。

4 驅(qū)動(dòng)器形變性能實(shí)驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)器作為采摘柔性手爪的關(guān)鍵部件，其氣壓作用下的形變性能直接影響球果采摘能否順利完成。由圖12所示的靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了驅(qū)動(dòng)器的形變特性，包含彎曲方向角、彎曲角和輸出力。

2根肌肉通入相同氣壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的彎曲角在充放氣過程中隨氣壓的變化情況見圖13。可見人工肌肉和彈性骨架組成的該柔性驅(qū)動(dòng)器在氣壓下的彎曲變形呈現(xiàn)大變形、非線性。由于氣動(dòng)人工肌肉的遲滯性，驅(qū)動(dòng)器在充氣過程中彎曲角略低于回程，最大偏差為11.9%。

圖14為驅(qū)動(dòng)器充氣變形后，其彎曲方向角和彎曲角與氣壓的關(guān)系。由圖14可知，通過調(diào)整2根人工肌肉通入的氣體壓力，可以控制驅(qū)動(dòng)器在xOy平面60°～120°的空間范圍內(nèi)任意彎曲。隨著氣壓的增加，驅(qū)動(dòng)器彎曲方向角的變化趨勢(shì)相對(duì)平緩(圖14a)，而彎曲角隨之大幅非線性遞增(圖14b)。

將表2所示驅(qū)動(dòng)器各參數(shù)代入式(6)、(13)，可得驅(qū)動(dòng)器彎曲方向角和彎曲角隨氣壓的變化情況(圖15)。由圖15可知，形變后驅(qū)動(dòng)器的彎曲方向角和彎曲角的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，吻合較好，能夠真實(shí)反映驅(qū)動(dòng)器氣壓下的形變情況。

當(dāng)通入氣壓p1保持恒定不變時(shí)，隨著氣壓p2的增加，驅(qū)動(dòng)器將在第Ⅱ變形區(qū)內(nèi)彎曲變形，彎曲方向角在60°～90°范圍變化(圖15a)；當(dāng)肌肉通入相同氣壓p1=p2=p時(shí)，驅(qū)動(dòng)器沿y軸方向彎曲，其彎曲角隨氣壓的增加而增大且呈非線性(圖15b)。

由驅(qū)動(dòng)器形變實(shí)驗(yàn)分析可知，氣壓下驅(qū)動(dòng)器可向兩側(cè)小幅擺動(dòng)且大角度彎曲與人手手指相似，適合作為采摘柔性手爪的末端執(zhí)行器。

5 采摘實(shí)驗(yàn)

采摘柔性手爪控制系統(tǒng)圖見圖16。當(dāng)目標(biāo)球果位于采摘范圍時(shí)，由控制器發(fā)出控制指令，通過氣壓系統(tǒng)內(nèi)電磁比例閥2、3、4、5、6、7調(diào)節(jié)各手指肌肉通入的氣體壓力驅(qū)動(dòng)柔性手爪抓取球果，利用比例閥1連接的2個(gè)電磁換向閥1、2控制手腕內(nèi)氣缸的回轉(zhuǎn)方向摘取球果。系統(tǒng)內(nèi)氣壓傳感器將測(cè)得的氣壓信號(hào)反饋給控制器，觸力傳感器用于測(cè)試手指與球果的接觸力并進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。

5.1 位姿實(shí)驗(yàn)

由采摘柔性手爪3指工作空間分析，可知柔性手爪針對(duì)不同尺寸的球果抓取位姿。

當(dāng)柔性手指形變時(shí)，指端向掌心內(nèi)彎曲，其工作空間見圖17，由三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(Optotrak Certus)測(cè)得。

可見指端運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧形，工作空間外形類似“卷曲柳葉”狀，上寬下窄，施加氣壓后柔性手指彎曲變形可完成抓握動(dòng)作。柳葉左右邊緣為手指擺動(dòng)極限位置，當(dāng)通入極限氣壓p1=pmax或p2=pmax時(shí)，在形變區(qū)域內(nèi)達(dá)到擺動(dòng)極限角(60°或120°)，葉尖為彎曲極限位置p1=p2=pmax。正屈時(shí)達(dá)到極限彎曲角(277°)。

每根手指的工作空間相同，當(dāng)3根手指同時(shí)正屈時(shí)，各手指運(yùn)動(dòng)軌跡和相應(yīng)抓取位姿見圖18。可見采摘時(shí)該柔性手爪手指彎曲變形，指端運(yùn)動(dòng)軌跡呈圓弧狀(圖18a)。3根手指同時(shí)彎曲變形協(xié)同運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)較大球果抓取(圖18b)；當(dāng)手指在氣壓的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)一步彎曲變形時(shí)，其指端運(yùn)動(dòng)軌跡出現(xiàn)交叉和閉合，采摘柔性手爪可實(shí)現(xiàn)包裹式握取和捏取(圖18c、18d)。

以Ⅰ型采摘柔性手爪為例，其在xOy平面工作空間的投影見圖19。由圖19可知，指端邊緣工作空間范圍為λ<150 mm，λ表示手指工作范圍的直徑；當(dāng)3指端運(yùn)動(dòng)到50 mm<λ<150 mm，柔性手爪可實(shí)現(xiàn)對(duì)d<100 mm球果的抓取；3指工作點(diǎn)密集在掌心位置中心區(qū)域λ<100 mm范圍內(nèi)，3指工作空間出現(xiàn)重疊區(qū)域，表明柔性手爪可對(duì)球果實(shí)現(xiàn)包裹性的封閉握取和對(duì)小型球果的指端捏取。

由于球果尺寸和形狀不同，柔性手爪與目標(biāo)球果接觸時(shí)需要調(diào)整指端接觸位置進(jìn)行穩(wěn)固抓取，指端位置調(diào)整方式見圖20。圖20a中陰影區(qū)域表示xOy面內(nèi)手指運(yùn)動(dòng)范圍，柔性手爪3指向掌心相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成正常抓握動(dòng)作(圖20b)，抓取異形球果可根據(jù)實(shí)際情況分別調(diào)整各手指指端位置(圖20c)；若3指同時(shí)正屈完成握取位姿時(shí)，3指運(yùn)動(dòng)軌跡在掌心處重合，抓取球果時(shí)出現(xiàn)手指碰撞干涉，此時(shí)柔性手指可以左右擺動(dòng)(順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))，調(diào)整手指運(yùn)動(dòng)軌跡(圖20d)；使手指交叉避免干涉實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力包裹性抓取(3指交錯(cuò)強(qiáng)力握取)。

5.2 抓持力實(shí)驗(yàn)

充氣后柔性手指彎曲變形與目標(biāo)球果表面接觸產(chǎn)生正壓力，接觸點(diǎn)處的正壓力可通過安裝在xy移動(dòng)滑臺(tái)上的六維力傳感器測(cè)得，xy滑臺(tái)用于調(diào)整傳感器與指端相對(duì)的位置。圖21為每增加一個(gè)梯度氣壓Δp=0.05 MPa，手指發(fā)生相應(yīng)彎曲變形后與接觸點(diǎn)產(chǎn)生正壓力隨氣壓的變化。由圖中可見，柔性手指產(chǎn)生的正壓力與氣壓呈正比，通過調(diào)整手指內(nèi)肌肉通入的氣壓可以控制采摘時(shí)手指輸出力。

采摘時(shí)，當(dāng)施加氣壓p0，柔性手指彎曲變形包裹球果后，繼續(xù)施加氣壓Δp，柔性手指仍可保持較大的正壓力輸出，有效完成對(duì)目標(biāo)球果的采摘。

圖22為手指承受外力后，其彎曲角隨氣壓的變化。柔性手指在承受一定外力的作用下仍可繼續(xù)彎曲達(dá)到抓持位置進(jìn)而抓緊球果。

圖23為柔性手指正壓力隨接觸點(diǎn)位置的變化。ld為接觸點(diǎn)相距指根距離，每隔距離增量Δld=10 mm，取1個(gè)點(diǎn)，共11個(gè)點(diǎn)；指根處為測(cè)量起始點(diǎn)，測(cè)量時(shí)保持初始位置(p=0 MPa)。由圖中可知，隨著遠(yuǎn)離指根位置，正壓力隨之先增大后減小，最大正壓力出現(xiàn)在接觸點(diǎn)3的位置(30 mm處)，隨著抓握的位置遠(yuǎn)離該觸點(diǎn)區(qū)域輸出力隨之減小。在指端處產(chǎn)生的正壓力最小，因而小型輕質(zhì)的球果易采取指端捏取(圖18d)；抓取大型球果時(shí)，接觸點(diǎn)為5、6、7，為獲得較大的夾持力，應(yīng)盡量使目標(biāo)球果靠近指根處，以便獲得較大的夾持力(圖18b)。握取球果時(shí)，手指幾乎與球果全接觸，而且接觸位置靠近指根，此種抓取方式更易獲得大的夾持力，適合抓取中型較重球果(圖18c)。

圖24為柔性手爪抓持同一尺寸、不同質(zhì)量球果所需氣壓與重物重量的關(guān)系。球果尺寸為d=83 mm，蘋果手指與上硅膠墊的摩擦因數(shù)為1.35。采用在球果下懸掛砝碼累加負(fù)重的方式分別對(duì)Ⅰ型和Ⅱ型柔性手爪抓持能力進(jìn)行了測(cè)試。由圖中可知，隨著重力的增加，所需提供的壓力呈線性變化，通過增加Δp完成重物抓取。抓取同等重量的球果時(shí)，Ⅰ型柔性手爪所需提供的壓力小于Ⅱ型柔性手爪。

柔性手爪在不同抓取模式下的極限抓取物重量，見圖25。隨著抓取物重量的增加，抓取模式和所需氣壓隨之改變。以Ⅰ型柔性手爪為例抓取d=83 mm的球果，指端捏取球果極限質(zhì)量為424 g，p=0.1 MPa；抓取球果極限質(zhì)量為724 g，p=0.24 MPa；抓取最大物質(zhì)量球果方式為3指交叉握取，抓取球果極限質(zhì)量為1 224 g，p=0.28 MPa；表明包裹性抓取為最穩(wěn)定的抓取方式。

根據(jù)該氣動(dòng)采摘柔性手爪的工作特點(diǎn)，選取柔性手爪動(dòng)作頻率、氣壓和氣壓信號(hào)等動(dòng)態(tài)載荷特征，描述夾持過程中碰撞力變化規(guī)律，如圖26～28所示。球果夾持過程分為3個(gè)階段，包括碰撞初始階段、碰撞加載階段、夾持完成階段。

柔性手爪動(dòng)作頻率表示在快速夾持作業(yè)中手爪與球果表面的接觸時(shí)間，即夾持速度。采用階躍信號(hào)在施加0.22 MPa氣壓下，夾持碰撞力隨柔性手爪動(dòng)作頻率變化見圖26?？芍谂鲎渤跏茧A段，柔性手爪與球果間產(chǎn)生較大的沖擊，碰撞力大幅跳躍，此時(shí)易對(duì)果實(shí)表面產(chǎn)生損傷；在快速加載階段碰撞力出現(xiàn)小幅波動(dòng)，0.2～0.3 s后達(dá)到峰值完成夾持停止運(yùn)動(dòng)。手爪低速夾持時(shí)表現(xiàn)為準(zhǔn)靜態(tài)加載過程；隨著手爪動(dòng)作頻率(夾持速度)的增加，夾持加載階段時(shí)間隨之下降，但在碰撞初始階段碰撞力隨之顯著增加。

當(dāng)柔性手爪動(dòng)作頻率5 Hz時(shí)，夾持碰撞過程的力隨手爪內(nèi)施加氣壓變化見圖27。由圖27可知，隨著施加氣壓的增加，峰值碰撞力隨之大幅增加，但在碰撞初始階段產(chǎn)生的碰撞力隨之增大，且夾持加載階段時(shí)間隨之增加。

圖28為不同氣壓信號(hào)下夾持碰撞過程中力的變化。由圖可知，采用斜坡信號(hào)可有效降低夾持初始階段的沖擊，但夾持加載階段時(shí)間相對(duì)階躍信號(hào)明顯增加。

由上述分析可知，為實(shí)現(xiàn)球果快速采摘作業(yè)，同時(shí)避免損傷果實(shí)表面，應(yīng)針對(duì)目標(biāo)球果選擇適合的準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)的夾持氣壓，抓取時(shí)可選擇柔性手爪的動(dòng)作頻率為2 Hz的斜坡信號(hào)。關(guān)于氣動(dòng)采摘柔性手爪動(dòng)態(tài)作業(yè)進(jìn)一步深化研究將在后續(xù)研究工作中展開，接下來將針對(duì)不同尺寸和質(zhì)量球果的夾持氣壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

5.3 球果采摘實(shí)驗(yàn)

Ⅰ型和Ⅱ型采摘柔性手爪針對(duì)不同尺寸的球果抓取如圖29和圖30所示，16種球果抓取具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。表中p0為柔性手指與球果表面接觸時(shí)的氣體壓力，繼續(xù)施加氣壓增量Δp后，柔性手爪抓緊球果，并保證抓取球果在一定空間范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，不產(chǎn)生滑動(dòng)掉落。由于球果質(zhì)量、表面不規(guī)則性和抓取位姿的不同，抓取時(shí)所需的p0和Δp隨之不同。

表3 采摘柔性手爪抓取實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Experimental parameters of grasping for gripper

采摘實(shí)驗(yàn)過程中，所有實(shí)驗(yàn)球果表面接觸區(qū)內(nèi)均未見明顯壓痕，放置7 d后手指施力處果皮表面及果肉組織也均未見破損。以3指交錯(cuò)強(qiáng)力握取方式采摘蘋果(圖25)為例，在極限氣壓下pmax=0.28 MPa下，柔性手指與球果接觸后其接觸點(diǎn)產(chǎn)生最高正壓力Fnmax=12 N，遠(yuǎn)小于破壞壓力(蘋果表面被壓縮量Δd≤1 mm，即Fn≤20 N[29-31])。可見應(yīng)用該柔性手爪采摘球果主動(dòng)、安全且接觸力可控，可實(shí)現(xiàn)無損采摘。

采摘柔性手爪安裝在履帶式機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上，由多自由度機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)完成球果采摘(圖31)，采摘過程共為4個(gè)步驟(圖32)。以Ⅱ型柔性手爪采摘蘋果為例，首先操控移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)械臂接近目標(biāo)球果，使球果位于采摘范圍內(nèi)(圖32a)；然后微調(diào)手爪形成抓取位姿(圖32b)；同時(shí)施加氣壓驅(qū)動(dòng)手指彎曲包裹球果(圖32c)；與目標(biāo)球果接觸后，繼續(xù)施加氣壓抓緊球果，最后由手腕旋扭完成采摘(圖32d)。

球果采摘實(shí)驗(yàn)表明，該采摘柔性手爪動(dòng)作靈活、物形適應(yīng)性強(qiáng)、主動(dòng)安全、易于控制，具有抓、握和捏抓取模式。通過調(diào)節(jié)手指內(nèi)的氣壓，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸和質(zhì)量的球果穩(wěn)定、無損傷采摘。

6 結(jié)論

(1)基于氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了Ⅰ型和Ⅱ型2種規(guī)格的采摘柔性手爪。其中Ⅰ型手掌規(guī)格為D1=80 mm，適于采摘尺寸范圍為30～100 mm、較重的球果；Ⅱ型手掌規(guī)格為D2=120 mm，相對(duì)于Ⅰ型更適于采摘大直徑的球果，采摘范圍為30～130 mm。

(2)設(shè)計(jì)了2自由度“剛-柔耦合”驅(qū)動(dòng)器，并研究其材料和制造工藝，建立了驅(qū)動(dòng)器形變模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了氣壓下彎曲方向角和彎曲角隨氣壓的變形規(guī)律。施加氣壓后，驅(qū)動(dòng)器在60°～120°范圍內(nèi)連續(xù)彎曲，最大彎曲角為277°；其彎曲變形類似圓弧狀，與球果表面很好地貼合，適合作為球果采摘執(zhí)行器。

(3)建立了采摘力模型，進(jìn)行了采摘過程中的抓持力和扭斷力力學(xué)分析，并進(jìn)行了不同物重球果的抓取實(shí)驗(yàn)，獲得了不同彎曲形變下不同接觸點(diǎn)處手指的輸出力和抓持重物能力與氣壓的變化規(guī)律。經(jīng)驗(yàn)證，手指正壓力和抓持球果物重與氣壓呈正比。說明通過調(diào)節(jié)氣壓可以靈活、有效地控制手指輸出力，使抓取時(shí)能有效避免損傷球果。單根手指輸出的最大正壓力為12 N，3指交錯(cuò)強(qiáng)力握取重物最大質(zhì)量為1.28 kg。

(4)研究了采摘柔性手爪工作空間，分析了柔性手爪3種抓取模式，其中最穩(wěn)定的抓取模式為3指交錯(cuò)強(qiáng)力握取方式。對(duì)16種球果進(jìn)行了模擬采摘實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，采摘柔性手爪可以靈活、穩(wěn)定、無損傷抓取多種尺寸的球果。