李健，閆杰，黃美珍，王揚(yáng)威

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 ，哈爾濱 150040)

0 引言

蔬菜水果蛋白質(zhì)和脂類含量低，而人體必需的無機(jī)鹽及維生素含量很豐富[1-2]，是人們生活中必不可少的食物。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，水果產(chǎn)量和消費(fèi)量巨大，目前果蔬的種植面積仍呈波動性增加趨勢[3-4]。在果蔬生產(chǎn)銷售的全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)中，果蔬采摘無疑是最耗時、費(fèi)力的一個環(huán)節(jié)，由于目前的果蔬采摘仍大量依賴于人工，因此存在采摘效率低、采摘成本高和勞動量大等問題。果蔬的生長環(huán)境復(fù)雜多樣，且形狀復(fù)雜多變，容易在采摘過程中受到傷害，導(dǎo)致出現(xiàn)破損甚至無法食用的情況，會直接影響果蔬的儲存、加工和銷售[5]。

因此，研究能夠減小果蔬損傷率的機(jī)械手和驅(qū)動器，對于解放勞動力、提高生產(chǎn)效率以及保證果蔬品質(zhì)等具有重要意義。由于果蔬采摘環(huán)境的特殊性，驅(qū)動器需要一定的適應(yīng)性，能夠盡可能地避免周圍環(huán)境以及驅(qū)動器本體對果蔬造成破壞傷害，且能夠較好地應(yīng)對采摘對象的質(zhì)地脆弱易傷特性，具有較好的包裹性。除此之外，驅(qū)動器和采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單可靠，可控性好，價格合理，能夠大面積推廣及應(yīng)用[6-10]。

針對果蔬采摘的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對果蔬采摘機(jī)械手進(jìn)行了大量的研究，研制出許多果蔬采摘裝置。傳統(tǒng)的果蔬采摘機(jī)械手存在動作僵硬、環(huán)境適應(yīng)性差、采摘專一性高、效率低、損壞率高、裝置復(fù)雜和造價昂貴等缺陷，無法適應(yīng)對于易損果蔬的采摘，不能實(shí)現(xiàn)真正的商業(yè)化推廣應(yīng)用，缺少實(shí)用價值。與剛性機(jī)械手相比，軟體機(jī)械手具有高度的靈活性、柔韌性和通用性，因此采用軟體機(jī)械手作為果蔬采摘裝置的末端執(zhí)行器可以最大程度地適應(yīng)易損果蔬的采摘要求。軟體手的設(shè)計靈感來源于自然界中的軟體動物觸角，如水母、章魚和海星等，通常由柔軟材料制成，具有較大的變形能力和無限的自由度，可在較大范圍內(nèi)根據(jù)目標(biāo)物體的形狀改變自身的形狀和尺寸，因此軟體手可通過變形實(shí)現(xiàn)與被抓取物體的形態(tài)匹配，并最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的抓取動作[11-14]。以氣壓和線纜作為驅(qū)動，德國festo和北京航空航天大學(xué)合作研制了象鼻、章魚觸手和氣動肌肉等[15]。美國哈佛大學(xué)Whiteside課題組以彈性硅膠作為材料，結(jié)合3D打印技術(shù)，設(shè)計制造了以氣動網(wǎng)格為執(zhí)行器的軟體手，具有承壓小、變形大、運(yùn)動靈活、能夠與環(huán)境實(shí)現(xiàn)互容等特點(diǎn)。有關(guān)研究提出一種新的4D打印技術(shù)可使軟體手根據(jù)被抓物體形狀尺寸調(diào)整其有效長度。智能材料的運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)將物理刺激轉(zhuǎn)化為位移，如介電彈性體、導(dǎo)電聚合物、相形狀記憶合金和形狀聚合物等在軟體機(jī)器人上的應(yīng)用，使其具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價值[16-21]。因此，結(jié)合軟體機(jī)械手和驅(qū)動器的優(yōu)點(diǎn)，綜合改進(jìn)果蔬的栽植方式，軟體機(jī)械手和驅(qū)動器在無損采摘領(lǐng)域和提高采摘效率方面將會發(fā)揮巨大的作用。

1 捕蠅草啟發(fā)的腔室化驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

捕蠅草在捕捉昆蟲時主要由4個步驟組成：引誘昆蟲、捕捉昆蟲、分解與吸收，以維持自身生長。捕蠅草的捕捉過程極為復(fù)雜，對稱的葉片通過葉柄相連接。捕蠅草引誘蟲子主要依靠葉片邊緣的蜜腺所分泌的蜜汁。昆蟲被吸引落在葉片上時，當(dāng)捕蠅草一定時間間隔內(nèi)受到昆蟲2次刺激時，通過傳遞信號，葉片會迅速閉合，完成捕捉動作。葉片邊緣有規(guī)則狀的刺毛，在葉片閉合時，刺毛正好交錯排布，形成一個籠子，使昆蟲無法逃出。且在刺毛的終端存在分泌黏液的系統(tǒng)，黏液可以黏住昆蟲，防止昆蟲逃脫。隨后昆蟲會被消化吸收，吸收的養(yǎng)分用來維持捕蠅草的自身生長。捕蠅草葉片經(jīng)過透明化處理后得到捕蠅葉片的葉脈和微觀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。捕蠅草的葉脈結(jié)構(gòu)具有明顯的層次特征，軸向葉脈呈扇形規(guī)則分布，徑向葉脈將葉片劃分為不同大小的細(xì)胞腔室，形成一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。葉片的細(xì)胞腔室大小越靠近刺毛附近，腔室越致密且越小。刺毛呈一定間隔均勻分布在葉片的頂端。整個葉片的頂部和底部呈現(xiàn)出一條橢圓曲線。葉片在不閉合時呈現(xiàn)外凸?fàn)顟B(tài)，在閉合時呈現(xiàn)內(nèi)凹狀態(tài)。

圖1 捕蠅草葉片透明化處理Fig.1 Transparent treatment of blades of the Venus flytrap

很多植物的運(yùn)動都是依靠膨壓驅(qū)動，即細(xì)胞內(nèi)的水對細(xì)胞壁的壓力驅(qū)動。同樣，在捕蠅草葉片感觸運(yùn)動的初始階段，葉片在細(xì)胞膨壓驅(qū)動下進(jìn)行運(yùn)動。離子的運(yùn)動引起水在細(xì)胞和組織間的輸送，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞的膨脹和壓縮，在呈現(xiàn)一定排列規(guī)律的細(xì)胞群的變形累積下，整體葉片發(fā)生緩慢運(yùn)動和剛度的變化。捕蠅草的葉片運(yùn)動是最震撼的快速感觸運(yùn)動，速度在毫秒量級，其運(yùn)動的一般過程為：捕蠅草葉片初始狀態(tài)為向外側(cè)彎曲，當(dāng)內(nèi)側(cè)觸發(fā)絨毛感受到機(jī)械刺激后，電信號會引起組織內(nèi)離子的定向運(yùn)動，形成化學(xué)勢差，并引起水的流動，在水壓的作用下引起細(xì)胞壁的緩慢變形，并存儲了彈性勢能，葉片的曲率逐漸變平；當(dāng)水壓到達(dá)一個臨界閾值時，在幾何約束的作用下，本體彈性勢能突然釋放并轉(zhuǎn)換成動能，葉片快速屈曲，實(shí)現(xiàn)曲率從凸到凹的變化，引起的被動流可以提供黏性阻力以平衡彈性，持續(xù)的壓力供給使得葉片保持在向內(nèi)彎曲的狀態(tài)。

捕蠅草啟發(fā)的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先選取合適的捕蠅草葉片，如圖2(a)所示，通過三維掃描儀對捕蠅草葉片進(jìn)行三維掃描獲得捕蠅草的葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和篩選得到捕蠅草葉片優(yōu)質(zhì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對捕蠅草葉片進(jìn)行逆向建模，從而得到捕蠅草的三維葉片模型。提取捕蠅草葉片表面，同時對葉片表面進(jìn)行關(guān)鍵尺寸測量，得到捕蠅草葉片的二維尺寸參數(shù)，最終對參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整得到捕蠅草葉片的二維模型參數(shù)。由于捕蠅草葉片本體尺寸較小，不利于后期仿真和制作，因此對捕蠅草葉片的二維模型尺寸參數(shù)進(jìn)行5倍放大，得到捕蠅草葉片放大后的模型，如圖2(b)所示。

受捕蠅草啟發(fā)的氣動柔性驅(qū)動器主要由變形層和限制層組成，其工作原理是通過利用變形層與限制層延展性的較大差異及硅橡膠基體結(jié)構(gòu)的不對稱性實(shí)現(xiàn)腔室的彎曲變形。通過對氣動柔性驅(qū)動器的變形層腔室進(jìn)行設(shè)計規(guī)則的制定，從而得到具有一定規(guī)則的腔室設(shè)計方案。圖2(c)為氣動柔性驅(qū)動器腔室的設(shè)計規(guī)則。黑色粗實(shí)線為氣動柔性驅(qū)動器的邊界曲線，藍(lán)色實(shí)線為氣動柔性驅(qū)動器的內(nèi)邊界曲線，黑色虛線為無效網(wǎng)格線，綠色虛線為有效網(wǎng)格線，綠色實(shí)線為有效腔室外邊界，黑色細(xì)實(shí)線為腔室內(nèi)邊界線，紅色點(diǎn)劃線為中心線，藍(lán)色實(shí)線為角度線。具體規(guī)則如下。

(1)對氣動柔性驅(qū)動器進(jìn)行扇形網(wǎng)格劃分。對于氣動柔性驅(qū)動器，考慮到氣動柔性驅(qū)動器內(nèi)部腔室邊界與驅(qū)動器邊緣距離較小時，會增加氣動柔性驅(qū)動器的制作難度以及出現(xiàn)驅(qū)動器在壓力作用下破裂的情況，因此以距離外邊緣為d1建立驅(qū)動器的內(nèi)邊界。在對驅(qū)動器進(jìn)行扇形網(wǎng)格劃分時，對驅(qū)動器上邊界曲線以d2為標(biāo)尺進(jìn)行等間距縱向平移畫線，平移得到的等間距曲線與以O(shè)點(diǎn)為圓心的角度線相交，其中角度線以θ為標(biāo)尺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)畫線，從而得到以d1、d2、θ為標(biāo)尺的葉片網(wǎng)格劃分方案。O點(diǎn)是上邊界曲線的最小曲率半徑為標(biāo)尺的圓的圓心。選擇劃分后有效的網(wǎng)格，以d4為腔室厚度，得到驅(qū)動器的腔室劃分方案，從而得到驅(qū)動器的扇形腔室設(shè)計方案，如圖2(d)所示。

(a)捕蠅草葉片

(2)通過對氣動柔性驅(qū)動器的整體結(jié)構(gòu)和腔室設(shè)計規(guī)則的確定，制作了驅(qū)動器并進(jìn)行彎曲變形預(yù)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)驅(qū)動器的預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定驅(qū)動器的關(guān)鍵尺寸參數(shù)：限制層的厚度設(shè)置為t=2 mm，變形層厚度為t1=4 mm，腔室高度t3=2 mm，邊緣距離d1=2 mm，腔室縱向間距d2=4 mm，腔室厚度d4=2 mm，角度θ=5°。通過三維實(shí)體建模軟件建立氣動柔性驅(qū)動器的實(shí)體模型，為后續(xù)的仿真以及實(shí)驗(yàn)提供結(jié)構(gòu)和模型基礎(chǔ)。

2 氣動柔性驅(qū)動器的仿真分析與流道設(shè)計

2.1 氣動柔性驅(qū)動器的仿真分析

為了使氣動柔性驅(qū)動器在實(shí)現(xiàn)抓取以及面向無損采摘時能夠產(chǎn)生較好的效果，驅(qū)動器需要實(shí)現(xiàn)多個維度的屈曲變形，呈現(xiàn)包裹狀態(tài)，且具有一定的剛度，從而達(dá)到完全封閉的抓取采摘效果。

對腔室化設(shè)計的氣動柔性驅(qū)動器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，采用硅橡膠作為驅(qū)動器的基體材料，對硅橡膠進(jìn)行配比實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)、硬度實(shí)驗(yàn)，選擇既能夠滿足大變形要求，又具有較好的形狀保持能力的硅橡膠配比組合，結(jié)合硅橡膠的本構(gòu)模型和理論基礎(chǔ)確定仿真分析的材料參數(shù)?；诔瑥椥圆牧系姆蔷€性力學(xué)理論模型(yeoh模型)，運(yùn)用Abaqus有限元分析軟件對驅(qū)動器進(jìn)行仿真分析研究。

在Abaqus中對氣動柔性驅(qū)動器進(jìn)行有限元仿真分析，流體設(shè)置為空氣，驅(qū)動氣壓設(shè)置為0.3 kPa，仿真步時為6 s。根據(jù)仿真分析結(jié)果觀察驅(qū)動器的變形情況，圖3為驅(qū)動器的變形情況示意圖。仿真的響應(yīng)指標(biāo)是2個維度的彎曲角度以及變形協(xié)調(diào)性，2個維度上的彎曲變形情況會影響驅(qū)動器的彎曲性能以及驅(qū)動器的包裹性。通過仿真結(jié)果不難看出，氣動柔性驅(qū)動器可以發(fā)生2個維度變形，呈包裹狀態(tài)，與真實(shí)捕蠅草的變形和捕捉狀態(tài)相比，具有較高的一致性，達(dá)到了較好的仿生設(shè)計效果，在實(shí)現(xiàn)抓取和無損采摘方面，呈現(xiàn)出較好的性能表現(xiàn)。

圖3 驅(qū)動器的變形仿真結(jié)果分析Fig.3 Analysis of deformation simulation results of driver

2.2 氣動柔性驅(qū)動器的流道設(shè)計及優(yōu)化分析

通過對腔室化設(shè)計的氣動柔性驅(qū)動器進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)彎曲變形的可行性。在此基礎(chǔ)上，對氣動柔性驅(qū)動器進(jìn)行基于腔室化的流道設(shè)計，通過改變驅(qū)動器內(nèi)部的流道設(shè)計方案，研究最佳的流道路徑和驅(qū)動器腔室布局。流道設(shè)計方案的改變會直接影響到驅(qū)動器本體的孔隙率和腔室占比，驅(qū)動器的孔隙率和腔室占比越大，驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的抵抗變形能力隨之降低，驅(qū)動器整體的彎曲變形情況也會發(fā)生改變。優(yōu)化驅(qū)動器內(nèi)部的流道設(shè)計，使其不僅能夠達(dá)到最佳的彎曲變形效果，而且具有較好的形狀保持性能和變形恢復(fù)能力。

驅(qū)動器流道設(shè)計仿真如圖4所示，流道方案1為在上述腔室設(shè)計規(guī)則下的腔室布局，全部腔室在氣壓激勵下發(fā)生變形，此時驅(qū)動器在X-Y面內(nèi)的彎曲角度為38.11°，X-Z面內(nèi)彎曲角度為24.46°。在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行流道設(shè)計，由圖4可知，驅(qū)動器在X-Y面內(nèi)的最大彎曲角度為58.96°，發(fā)生在方案5的流道設(shè)計中，此時驅(qū)動器在X-Z面內(nèi)的彎曲角度為32°。驅(qū)動器在X-Z面內(nèi)的最大彎曲角度為33.18°，發(fā)生在方案2的流道設(shè)計中，此時驅(qū)動器在X-Y面內(nèi)的彎曲角度為41.04°。綜合考慮2個方向上的彎曲情況以及變形協(xié)調(diào)性，選擇流道設(shè)計方案5進(jìn)行驅(qū)動器性能實(shí)驗(yàn)和可行性實(shí)驗(yàn)。

圖4 驅(qū)動器流道設(shè)計仿真Fig.4 Flow channel design and simulation of driver

不同流道設(shè)計方案與彎曲角度之間的關(guān)系如圖5所示，通過對仿真數(shù)據(jù)的分析可得，隨著氣腔占比和氣腔孔隙率的升高，氣動柔性驅(qū)動器在X-Z面內(nèi)的彎曲角度呈現(xiàn)不規(guī)則波動，流道的設(shè)計方案對于2個方向的彎曲有著至關(guān)重要的影響，在不同腔室耦合變形結(jié)果下，氣動柔性驅(qū)動器可以發(fā)生較大的彎曲變形。

圖5 流道設(shè)計方案與彎曲角度之間的關(guān)系Fig.5 Flow design scheme and the relationship between the bending angle

3 氣動柔性驅(qū)動器的性能測試與對比分析

3.1 氣動柔性驅(qū)動器的制作與實(shí)驗(yàn)測試平臺搭建

通過對氣動柔性驅(qū)動器進(jìn)行腔室設(shè)計和流道設(shè)計，在驅(qū)動器仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，得到了最佳的流道設(shè)計方案。氣動柔性驅(qū)動器的制作，通過3D打印的制造方法打印模具，通過模具澆注制造工藝制作驅(qū)動器。由圖6可知，氣動柔性驅(qū)動器的制作分為兩部分：一部分為變形層的制作，一部分為限制層的制作。對于變形層，通過模具運(yùn)用硅膠填充澆注；對于限制層，在氣動柔性驅(qū)動器底面鋪設(shè)編織網(wǎng)，用硅膠填充澆注。再對兩者進(jìn)行復(fù)合澆注，使兩者能夠完整黏合在一起，從而完成氣動柔性驅(qū)動器的制作。

圖6 氣動柔性驅(qū)動器的制作Fig.6 Pneumatic flexible driver production

氣動柔性驅(qū)動器的實(shí)驗(yàn)測試平臺如圖7所示，實(shí)驗(yàn)臺主要設(shè)備有：電源、氣泵、PWM驅(qū)動板、外置電位器調(diào)速器、氣閥和泵管。通過氣泵和氣閥為氣動柔性驅(qū)動器提供穩(wěn)定的氣壓激勵，通過PWM驅(qū)動板和外置電位器調(diào)速器調(diào)節(jié)氣泵電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對氣泵流量和流速的調(diào)節(jié)，從而探索氣動柔性驅(qū)動器在不同的氣壓激勵情況下的變形情況，以及在不同的流量和流速下響應(yīng)時間的變化情況。

圖7 氣動柔性驅(qū)動器的實(shí)驗(yàn)測試平臺Fig.7 Experimental test platform for pneumatic flexible driver

3.2 測試與對比

氣動柔性驅(qū)動器采用氣體驅(qū)動方式，以硅膠作為本體材料，驅(qū)動硅膠發(fā)生變形，可以重復(fù)使用。對氣動柔性驅(qū)動器進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，如圖8所示，由圖8可知，在0.3 kPa氣壓激勵，以及3 L/min的流量下，氣動柔性驅(qū)動器能夠在3 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在2個維度上對氣動柔性驅(qū)動器的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖9所示。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用腔室化設(shè)計的氣動柔性驅(qū)動器能夠發(fā)生2個維度的彎曲變形。氣壓為0.3 kPa時，氣動柔性驅(qū)動器X-Y面內(nèi)的彎曲角度為48.9°，相較于仿真結(jié)果，誤差為6°；X-Z面內(nèi)彎曲角度為24.18°，相較于仿真結(jié)果，誤差為2.62°。

圖8 氣動柔性驅(qū)動器彎曲實(shí)驗(yàn)Fig.8 Bending experiments of the pneumatic flexible driver

圖9 氣動柔性驅(qū)動器彎曲角度與氣壓的關(guān)系Fig.9 Bending angle and pressure relationship of the pneumatic flexible driver

氣動柔性驅(qū)動器的彎曲角度隨氣壓的增高而增大，且與仿真結(jié)果誤差較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。受氣泵功率限制，氣泵最大僅能提供0.35 kPa的氣壓，因此可預(yù)見，隨著氣壓增大，氣動柔性驅(qū)動器的彎曲角度也會繼續(xù)增大，直至氣動柔性驅(qū)動器腔室破裂。

氣動柔性驅(qū)動器響應(yīng)時間與流量的關(guān)系如圖10所示。通過調(diào)節(jié)氣壓閥門使其氣壓值為0.3 kPa，通過PWM驅(qū)動板和外置電位器調(diào)速器調(diào)節(jié)氣泵電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對氣泵流量在0～4 L/min調(diào)節(jié)，研究氣泵流量與氣動柔性驅(qū)動器的響應(yīng)時間之間的關(guān)系。流量的大小取決于流體流速與橫截面積，由于氣泵出口的橫截面積一定，因此流量的變化趨勢在一定程度上也表征了流速的大小變化，且具有正相關(guān)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，隨著氣泵流量/流速的增加，氣動柔性驅(qū)動器的響應(yīng)時間呈現(xiàn)遞減趨勢，當(dāng)流量為3 L/min時，葉片能夠在3 s內(nèi)完成變形，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖10 氣動柔性驅(qū)動器響應(yīng)時間與流量的關(guān)系Fig.10 Relationship between response time and traffic of the pneumatic flexible driver

4 氣動柔性驅(qū)動器的抓取與無損采摘實(shí)驗(yàn)

4.1 氣動柔性驅(qū)動器的抓取實(shí)驗(yàn)

通過氣泵和氣閥為氣動柔性驅(qū)動器提供穩(wěn)定的氣壓激勵，如圖11所示。將氣動柔性驅(qū)動器通過夾具以一定的夾角固定，本實(shí)驗(yàn)中兩驅(qū)動器的夾角設(shè)置為80°。當(dāng)氣源打開時，驅(qū)動器在氣壓激勵下迅速變形，驅(qū)動氣壓為0.3 kPa，彎曲變形能夠在3 s內(nèi)完成，然后驅(qū)動器末端開始接觸。在實(shí)驗(yàn)中，通過對不同物體進(jìn)行抓取，觀察其抓取效果。

圖11 氣動柔性驅(qū)動器抓取實(shí)驗(yàn)Fig.11 Grab experiment of the pneumatic flexible driver

對正四棱錐、正方體、長方體、球體進(jìn)行抓取，驅(qū)動器發(fā)生2個維度的耦合彎曲變形，在X-Y面內(nèi)，驅(qū)動器能夠很好地貼合以及包裹抓取物；在X-Z面內(nèi)，驅(qū)動器對于小物體實(shí)現(xiàn)全包裹，且貼合度良好。通過對正四棱錐、正方體、長方體、球體進(jìn)行抓取，氣動柔性驅(qū)動器能夠完成對于規(guī)則物體不同形狀的自適應(yīng)抓取，并能夠?qū)ψト∥飳?shí)現(xiàn)包裹或者半包裹式抓取，且抓取牢固。在對不規(guī)則物體，例如核桃和小玩偶的抓取過程中，基于腔室化設(shè)計的氣動柔性驅(qū)動器，能夠很好地完成抓取，對不規(guī)則物體實(shí)現(xiàn)包裹式與半包裹式自適應(yīng)抓取。氣動柔性驅(qū)動器能夠在3 s內(nèi)完成對于目標(biāo)物體的抓取，在關(guān)閉氣壓激勵時，驅(qū)動器能夠在室溫下快速恢復(fù)至初始狀態(tài)，能夠在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取任務(wù)，具有良好的抓取性能。驅(qū)動器的響應(yīng)時間以及抓取周期可以根據(jù)抓取任務(wù)進(jìn)行有針對性地設(shè)置和調(diào)整，從而適應(yīng)不同的抓取任務(wù)。受限于氣動柔性驅(qū)動的結(jié)構(gòu)尺寸，驅(qū)動器在實(shí)現(xiàn)包裹式抓取時，對于抓取目標(biāo)具有一定的尺寸要求。通過改變氣動柔性驅(qū)動的結(jié)構(gòu)尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)對于不同尺寸大小的物體包裹式抓取和半包裹式自適應(yīng)抓取。

4.2 氣動柔性驅(qū)動器的無損采摘實(shí)驗(yàn)

對草莓以及花生柿子進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)，如圖12所示。實(shí)驗(yàn)選取草莓的小果和大果進(jìn)行采摘實(shí)驗(yàn)，小果草莓直徑為45 mm，質(zhì)量約25 g；大果草莓直徑為55 mm，質(zhì)量約42 g。氣動柔性驅(qū)動器在氣壓激勵下，發(fā)生彎曲變形，對草莓進(jìn)行抓取。對于小果草莓，驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)2個維度的包裹式自適應(yīng)抓取，對于大果能夠?qū)崿F(xiàn)2個維度的半包裹式自適應(yīng)抓取，且抓取牢固，抓取效果良好。通過調(diào)節(jié)氣泵可以實(shí)現(xiàn)對于驅(qū)動器抓取時間和周期的精確控制，通過改變輸入氣壓激勵大小可以實(shí)現(xiàn)對于抓取力的精確調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對于不同成熟度草莓的無損采摘。

圖12 氣動柔性驅(qū)動器采摘實(shí)驗(yàn)Fig.12 Picking experiment of the pneumatic flexible driver

在對花生柿子進(jìn)行抓取采摘時，同樣選取小果和大果，小果花生柿子的直徑為25 mm，質(zhì)量約20 g；大果花生柿子直徑為35 mm，質(zhì)量約35 g。氣動柔性驅(qū)動器在氣壓激勵下，發(fā)生彎曲變形，對花生柿子進(jìn)行抓取。對于花生柿子，驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)2個維度的包裹式自適應(yīng)抓取，且抓取牢固，抓取效果良好。

5 結(jié)論

本研究提出并設(shè)計了一種面向無損采摘的腔室化設(shè)計驅(qū)動器，在捕蠅草葉片的啟發(fā)下，對驅(qū)動器進(jìn)行腔室化設(shè)計，制定了腔室設(shè)計規(guī)則；在此基礎(chǔ)上對驅(qū)動器進(jìn)行了仿真分析以及流道設(shè)計仿真分析，研究探索了流道設(shè)計思路和方案；對驅(qū)動器進(jìn)行了性能測試和對比分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性和可靠性。在0.3 kPa的氣壓激勵和3 L/min的流速下，驅(qū)動器能夠在3 s內(nèi)完成2個維度的彎曲變形，在X-Y面內(nèi)的彎曲角度為48.9°，X-Z面內(nèi)彎曲角度為24.18°，與仿真結(jié)果具有較高的一致性。最后，完成了氣動柔性驅(qū)動器的抓取實(shí)驗(yàn)和無損采摘實(shí)驗(yàn)，氣動柔性驅(qū)動器能夠完成對于不同形狀大小的物體自適應(yīng)抓取和對采摘物體的無損采摘，能夠?qū)ψト∥飳?shí)現(xiàn)包裹或者半包裹式抓取，且抓取效果與采摘效果良好。在本研究中對氣動柔性器本體進(jìn)行了設(shè)計以及性能分析，氣動柔性驅(qū)動器作為末端執(zhí)行器，結(jié)合機(jī)械臂以及其他作業(yè)平臺可以適應(yīng)不同工作的需要完成不同的任務(wù)，下一步將對驅(qū)動器結(jié)合草莓采摘平臺，輔助以相應(yīng)裝置，實(shí)現(xiàn)對草莓的定位、采摘和收集等功能，為驅(qū)動器的進(jìn)一步應(yīng)用和無損采摘研究應(yīng)用提供參考價值和研究思路。