田輝，張駐軍，王玲，陳永，李銳霞，吳鑫

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州市，450002)

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，果蔬年產(chǎn)量常年居于世界首位，已成為許多地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化程度越來越高。農(nóng)業(yè)采摘作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為重要的環(huán)節(jié)，如何高效無(wú)損采摘，對(duì)于節(jié)省成本，提高采摘品質(zhì)，促進(jìn)我國(guó)果蔬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義[1]。

隨著3D打印技術(shù)、高分子材料以及智能材料的快速發(fā)展，軟體抓手成為近年來國(guó)內(nèi)外研究的熱門課題[2]。與傳統(tǒng)的機(jī)械手相比，軟體抓手因具備柔順性好[3]、靈活度高[4]、控制簡(jiǎn)單[5]等優(yōu)點(diǎn)，不僅解決了剛性?shī)A持器在采摘時(shí)受到果蔬大小不一、形狀各異限制的難題，同時(shí)也解決了采摘時(shí)果蔬表皮易受損的難題。這種特點(diǎn)使得軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方法與傳統(tǒng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)不同，常見的軟體末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)方法主要包括氣壓驅(qū)動(dòng)、介電彈性體驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)等[6],其中氣壓驅(qū)動(dòng)是軟體機(jī)器人應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動(dòng)方式[7]。氣壓驅(qū)動(dòng)通過改變系統(tǒng)壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出力的連續(xù)調(diào)節(jié)，且由于氣體具有一定的壓縮性，可提高末端執(zhí)行器的緩沖和保護(hù)效果[8]。目前為止，研究者們提出了纖維增強(qiáng)型[9]、多腔體型[10]、粒狀干擾型[11]等軟體氣動(dòng)執(zhí)行器。但傳統(tǒng)的軟體抓手存在剛度低、指尖力小等問題，不利于實(shí)際推廣應(yīng)用。基于上述問題，本文設(shè)計(jì)制作了一種剛度增強(qiáng)型軟體抓手，在多腔體型軟體氣動(dòng)執(zhí)行器的基礎(chǔ)上，提出了通過對(duì)發(fā)生層的腔體頂部及兩側(cè)增加限制性材料(尼龍布)以增大夾持力的方法。首先設(shè)計(jì)了剛度增強(qiáng)型末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，其次建立了數(shù)學(xué)模型分析執(zhí)行器末端位置與輸入氣壓之間的關(guān)系，接著通過Abaqus軟件仿真分析執(zhí)行器彎曲角度、支反力的變化規(guī)律，最后通過對(duì)比抓取試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證剛度增強(qiáng)型軟體抓手具有更好的抓取性能。

1 軟體末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

1.1 軟體末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)原理

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)型末端執(zhí)行器主要分為纖維增強(qiáng)型與多腔體型，纖維增強(qiáng)型澆注工序多，制作周期長(zhǎng)，纏繞纖維困難[12]。多腔體型末端執(zhí)行器制作過程簡(jiǎn)單，澆注過程少，適應(yīng)性好，但因結(jié)構(gòu)不同，澆注過程較為困難，易產(chǎn)生澆注不均勻且易產(chǎn)生氣泡[13]，兩種執(zhí)行器各有長(zhǎng)處與不足。本文設(shè)計(jì)的剛度增強(qiáng)型軟體抓手的末端執(zhí)行器采用多腔體型末端執(zhí)行器，如圖1所示。執(zhí)行器可分為限制層與應(yīng)變發(fā)生層，限制層為下層非彈性材料。應(yīng)變發(fā)生層由上層超彈性硅膠制成，中間由多個(gè)腔室由通道聯(lián)通,發(fā)生層腔體頂部及兩側(cè)添加尼龍布。

圖1 軟體末端執(zhí)行器裝配圖Fig. 1 Assembly diagram of soft end actuator1.剛度增強(qiáng)結(jié)構(gòu) 2.應(yīng)變發(fā)生層 3.應(yīng)變限制層

本文設(shè)計(jì)的軟體抓手是由三個(gè)剛度增強(qiáng)型軟體執(zhí)行器和連接法蘭組成，使用四通將氣源與執(zhí)行器連接，如圖2所示。當(dāng)氣體通入執(zhí)行器氣腔時(shí)，超彈性材料發(fā)生膨脹，與應(yīng)變限制層產(chǎn)生“差動(dòng)效應(yīng)”，使得執(zhí)行器整體向底部限制層方向彎曲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟體抓手對(duì)物體的包裹式抓取。執(zhí)行器腔體頂部及徑向兩側(cè)的限制性材料限制執(zhí)行器的頂部及兩側(cè)膨脹，增大了執(zhí)行器的剛度并有效減小了氣球效應(yīng)。

圖2 軟體抓手抓取實(shí)物圖Fig. 2 Assembly diagram of soft end actuator

1.2 軟體末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

多腔體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟體末端執(zhí)行器上腔結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Upper cavity structure of soft end actuator

圖3中L為執(zhí)行器的總長(zhǎng)；L1為氣腔的高；L2為氣腔的寬；L3為氣腔的長(zhǎng)；L4、L5、L6分別為氣道的長(zhǎng)高寬；L7、L8、L9分別為一個(gè)腔體的長(zhǎng)寬高；L#7為連接密封墊的腔體長(zhǎng)度；L10、L11為兩腔體之間的距離與兩腔體之間連接件的高度。根據(jù)多次制作對(duì)比及經(jīng)驗(yàn)積累，執(zhí)行器尺寸如表1所示。根據(jù)執(zhí)行器尺寸用Solidworks軟件建立模具模型，利用3D打印技術(shù)打印出模具，進(jìn)而澆注出執(zhí)行器。

表1 執(zhí)行器尺寸參數(shù)Tab. 1 Actuator size parameters mm

2 執(zhí)行器的仿真與分析

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

將運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與執(zhí)行器受力結(jié)合表示輸入氣壓與彎曲角度之間的關(guān)系，以此確定指尖位置與輸入氣壓之間的關(guān)系。通過對(duì)執(zhí)行器的受力分析，根據(jù)能量守恒定律建立方程。軟體執(zhí)行器的彎曲角度是由兩個(gè)相鄰腔體之間的彎曲角度φ與單腔彎曲角度θ共同構(gòu)成[14]。將每個(gè)氣腔看作一個(gè)單獨(dú)膨脹的小節(jié)，由于限制層的限制使執(zhí)行器產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)?？稍O(shè)下層長(zhǎng)度為c，底層厚度為t。則底層彎曲曲率如式(1)所示。

(1)

軟體腔體由超彈性材料硅膠制成，當(dāng)氣體通入氣腔時(shí)硅膠受到氣壓發(fā)生膨脹彎曲。上層彎曲曲率由式(2)表示。

(2)

式中：h——軟體末端執(zhí)行器的高度。

因kc，kt都表示同一腔室的彎曲角度θ。因此每一腔室的彎曲曲率由式(3)所示。

(3)

式中：λ1——伸長(zhǎng)比。

壓強(qiáng)與伸長(zhǎng)量的關(guān)系可由式(4)所示。

(4)

式中：J——剪切模量，對(duì)于本文硅膠材料剪切模量為常量1。

則由式(2)～式(4)可得腔室彎曲角度θ與輸入氣壓P之間的關(guān)系由式(5)所示。

(5)

當(dāng)通入氣體時(shí)，腔體膨脹腔室由體積V1膨脹至體積V2。氣體所作的功由式(6)所示。

(6)

膨脹時(shí)中心線由c變化為b由式(7)所示。

(7)

由于氣體做功使執(zhí)行器彎曲，即彎曲扭矩τi所做的功等于氣體所做的功，則扭矩τi與氣壓P之間存在如式(8)、式(9)所示關(guān)系。

W1=W2

(8)

(9)

式中：W2——扭矩τi所做的功。

扭矩所做的功由式(10)所示。

(10)

由此得到兩個(gè)腔體之間彎曲角度φ與氣壓P之間的關(guān)系，通過式(6)～式(10)可以得到總彎曲角度與氣壓之間的關(guān)系，如式(11)所示。

(11)

式中：α——總彎曲角度；

n——腔體個(gè)數(shù)，腔體個(gè)數(shù)為8。

2.2 仿真及結(jié)果分析

2.2.1 仿真模型及參數(shù)

Ecoflex 00-30硅膠屬于超彈性材料，超彈性材料在受拉力壓力變形時(shí)，變形是非線性的，不能用彈性模量來表示。對(duì)于超彈性材料能描述其力學(xué)特性的本構(gòu)模型有Mooney-Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Ogden模型和Yeoh模型[15]。其中Mooney-Rivlin模型與Neo-Hookean模型適用于描述材料形變較小的情況，對(duì)于形變較大的情況其力學(xué)特征不能準(zhǔn)確的表達(dá)[16]。 Yeoh模型在變形時(shí)存在較好的適應(yīng)性，也因此我們通常將Yeoh模型作為分析超彈性材料硅膠的本構(gòu)模型[17]。Yeoh模型需要拉伸試驗(yàn)確定材料常數(shù)，其典型密度函數(shù)的二項(xiàng)參數(shù)形式[18]由式(12)所示。

W=C1(I1-3)+C2(I1-3)2

(12)

式中：I1——初始變形張量；

C1、C2——材料參數(shù)；

W——應(yīng)變勢(shì)能。

根據(jù)硅膠的拉伸應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)與Yeoh模型擬合曲線擬合得出C1=0.11，C2=0.02。

本文限制層采用楊氏模量為6 500 MPa，泊松比為0.2，密度為750 kg/m3的尼龍布。發(fā)生層為Ecoflex 00-30硅膠，密度為1 070 kg/m3；為了增加軟體執(zhí)行器的剛度，本文在執(zhí)行器腔體頂部及徑向兩側(cè)加入尼龍布，與底層限制層的材料相同。

2.2.2 仿真過程

對(duì)于剛度增強(qiáng)型軟體末端執(zhí)行器的性能測(cè)試，本文采用執(zhí)行器的柔順性即彎曲角度以及相同彎曲角度下的尖端力來確定。本文將Abaqus仿真結(jié)果以圖片形式保存，利用Picpick軟件對(duì)圖片進(jìn)行編輯，畫出彎曲擬合曲線保存圖片，最后對(duì)角度進(jìn)行測(cè)量。如圖4所示，彎曲尖端末端與圓心形成的夾角為執(zhí)行器彎曲角度。如圖5所示為剛度增強(qiáng)型軟體執(zhí)行器仿真結(jié)果圖。

(a) 0.06 MPa

(b) 0.05 MPa

(c) 0.04 MPa

(d) 0.03 MPa

(e) 0.02 MPa

(f) 0.01 MPa圖4 傳統(tǒng)軟體執(zhí)行器仿真圖像Fig. 4 Simulation image of the traditional software actuator

(a) 0.06 MPa

(b) 0.05 MPa

(c) 0.04 MPa

(d) 0.03 MPa

(e) 0.02 MPa

(f) 0.01 MPa圖5 剛度增強(qiáng)型軟體末端執(zhí)行器仿真圖像Fig. 5 Stiffness-enhanced soft end effector simulation image

2.2.3 仿真結(jié)果分析

如圖6(a)所示為傳統(tǒng)型末端執(zhí)行器與剛度增強(qiáng)型末端執(zhí)行器關(guān)系對(duì)比曲線圖。由曲線圖可知：隨著壓強(qiáng)的增大傳統(tǒng)型和剛度增強(qiáng)型末端執(zhí)行器隨著壓強(qiáng)的增大彎曲角度逐步增大，相同壓強(qiáng)下剛度增強(qiáng)型末端執(zhí)行器彎曲角度略小于傳統(tǒng)型，即剛度增強(qiáng)型軟體執(zhí)行器柔順性小于傳統(tǒng)型。如圖6(b)所示為傳統(tǒng)型與剛度增強(qiáng)型執(zhí)行器工作壓力與末端支反力的關(guān)系對(duì)比圖，支反力是執(zhí)行器在一定氣壓下施加端部支反力約束時(shí)測(cè)得力的大小[19]。由曲線圖可知：隨著壓強(qiáng)的增大，執(zhí)行器的末端力變大；相同壓強(qiáng)下剛度增強(qiáng)型軟體末端執(zhí)行器末端力大于傳統(tǒng)型；此外，傳統(tǒng)型末端執(zhí)行器僅能承受0.06 MPa左右的壓強(qiáng)，剛度增強(qiáng)型執(zhí)行器可至少承受0.08 MPa的工作壓強(qiáng)。

如圖6(c)所示為傳統(tǒng)型與剛度增強(qiáng)型彎曲角度與末端支反力的關(guān)系對(duì)比圖。由曲線圖可知：相同彎曲角度下，剛度增強(qiáng)型軟體末端執(zhí)行器末端力遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)型軟體末端執(zhí)行器。

(a) 壓力與彎曲角度關(guān)系圖

(b) 壓力與末端支反力關(guān)系圖

(c) 彎曲角度與末端支反力關(guān)系圖圖6 傳統(tǒng)型與剛度增強(qiáng)型執(zhí)行器性能仿真對(duì)比圖Fig. 6 Traditional and stiffness enhancement actuator performance simulation comparison

2.3 執(zhí)行器的制作與試驗(yàn)研究

2.3.1 剛度增強(qiáng)型執(zhí)行器的制作

根據(jù)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模具，腔體部分精度要求較高選用光敏樹脂，限制層精度要求較低，選用較為實(shí)惠的PLA材料，通過3D打印制作模具。

如圖7所示：裝配在一起進(jìn)行澆注過程。此時(shí)將修剪好的尼龍布依次放入模具的左右兩側(cè)，緊貼模具，在將Ecoflex 00-30硅膠的A、B硅膠按1∶1混合均勻，放入真空泵抽取氣泡?；旌蠑嚢柽^程中要注意朝一個(gè)方向緩慢攪拌，攪拌時(shí)間不易過長(zhǎng)，待A、B兩種硅膠完全混合均勻即可，抽取氣泡時(shí)間同樣不易過長(zhǎng)。將脫泡后的硅膠倒入模具，為確保硅膠完全填滿模具將模具傾斜硅膠朝一側(cè)倒入，再將尼龍布放置在上側(cè)。

常溫下凝固后，取出應(yīng)變層發(fā)生層，為確保應(yīng)變層與限制層氣密性。在澆注限制層時(shí)將應(yīng)變層輕輕的放置在限制層上。待完全凝固后，將執(zhí)行器放入密封墊中澆注硅膠。

圖7 澆注模具Fig. 7 Casting the mold

2.3.2 抓取試驗(yàn)

為探究剛度增強(qiáng)型軟體抓手相對(duì)于傳統(tǒng)軟體抓手的優(yōu)點(diǎn)，本文通過抓取試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。首先將所需要抓取的物品進(jìn)行稱重，其次通過抓取試驗(yàn)對(duì)比兩種抓手抓取性能。通過對(duì)比抓手抓取物體最大重量來測(cè)試抓取性能，選擇不同大小，不同品種的水果進(jìn)行抓取試驗(yàn)[20]，每次抓取水果保持5 s不松落說明試驗(yàn)成功。為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，不同物體進(jìn)行多次試驗(yàn)。如圖8所示為軟體末端抓手的抓取試驗(yàn)，如表2所示為剛度增強(qiáng)型抓手抓取物體的重量表。

(a) 傳統(tǒng)軟體抓手抓取試驗(yàn)

(b) 剛度增強(qiáng)型軟體抓手抓取試驗(yàn)圖8 傳統(tǒng)軟體抓手與剛度增強(qiáng)型軟體抓手抓取試驗(yàn)圖Fig. 8 Traditional software stickle and stiffness enhancedsoftware claps experiment map

表2 抓取物體重量表Tab. 2 Grab weight table

如圖8(a)所示，傳統(tǒng)型軟體抓手在抓取質(zhì)量較輕的物體(擺件、小油桃)時(shí)尚能保持良好的性能，在抓取西紅柿?xí)r執(zhí)行器已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的局部變形；如圖8(b)所示，剛度增強(qiáng)型軟體抓手在抓取白瓜、芒果、香蕉時(shí)仍可保持執(zhí)行器與物體表面貼合，執(zhí)行器未出現(xiàn)變形；通過物體抓取并結(jié)合表2可知：剛度增強(qiáng)型軟體抓手最大抓取重量約為414 g，傳統(tǒng)型軟體抓手最大抓取重量約為108 g；可見剛度增強(qiáng)型軟體抓手抓取的最大負(fù)載約為4 N，傳統(tǒng)軟體抓手抓取的最大負(fù)載約為1 N，剛度增強(qiáng)型軟體抓手的最大抓取重量約為傳統(tǒng)型軟體抓手的4倍。

3 結(jié)論

本文采用尼龍布與硅膠混合將尼龍布作為限制層以及剛性構(gòu)建將尼龍布放置在應(yīng)變層腔體的左側(cè)右側(cè)以及上側(cè)組合而成的剛度增強(qiáng)型軟體末端執(zhí)行器。本文通過理論分析，仿真模擬，試驗(yàn)對(duì)比分析得出如下結(jié)論。

1) 剛度增強(qiáng)型軟體末端執(zhí)行器在相同壓強(qiáng)下的彎曲角度略小于傳統(tǒng)型軟體末端執(zhí)行器，但不影響執(zhí)行器的彎曲性能。

2) 剛度增強(qiáng)型軟體末端執(zhí)行器可承載更大的工作壓強(qiáng)，且在相同壓強(qiáng)和彎曲角度下，剛度增強(qiáng)型末端執(zhí)行器的末端力大于傳統(tǒng)型末端執(zhí)行器。

3) 剛度增強(qiáng)型軟體抓手的抓持力約為傳統(tǒng)型軟體抓手的4倍。