李 健，戴楚彥，王揚(yáng)威，查富生，苗文亮

(1.黑龍江省林業(yè)智能裝備工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150040；2.機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱150090)

傳統(tǒng)的剛性鏈接機(jī)械手具備高精度、迅速響應(yīng)和重復(fù)執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)重量和體積較大物品可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓握[1]。受到非結(jié)構(gòu)化的采摘環(huán)境和復(fù)雜的天氣因素影響，機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用仍存在諸多的難點(diǎn)。近年來(lái)，軟體機(jī)器人技術(shù)已成為發(fā)展最快的領(lǐng)域，研究人員通過對(duì)自然界的仿生，提出了大量的多自由度柔軟結(jié)構(gòu)[2-6]。通過在末端手指或者整體結(jié)構(gòu)上使用超彈性軟材料，軟體機(jī)器人可以在抓取過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則、表皮較脆弱的果實(shí)的有效保護(hù)，其結(jié)構(gòu)自身具備較高的柔順性和靈活性[7-8]，可以在有限的采摘空間中實(shí)現(xiàn)多形態(tài)的變化[9-10]。

氣動(dòng)軟體手爪的研究最早始于1990年，日立制作所的鈴森康一設(shè)計(jì)了一種三自由度的軟體致動(dòng)器[11-12]，使用有限元分析和特征方程的方法分析了其運(yùn)動(dòng)特性。近年來(lái)研究學(xué)者對(duì)軟體機(jī)械手開展了持續(xù)的研究[13-14]。京都大學(xué)的Kondo等[15]研制了一種末端執(zhí)行器，可以一次收獲單個(gè)番茄果實(shí)或是一個(gè)番茄簇，每次采摘時(shí)間約為15 s。新加坡國(guó)立大學(xué)Low等[16]研制了四指氣動(dòng)軟體抓手，通過改變驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度和寬度，穩(wěn)定抓取和固定50～1 100 g的目標(biāo)物。北華大學(xué)的趙云偉等[17]仿照人手的外形和功能，設(shè)計(jì)了一種多自由度采摘機(jī)械手，適用于抓取球形和圓柱形目標(biāo)物。國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心的馮青春等[18]研發(fā)了草莓采摘機(jī)器人，使用風(fēng)琴式吸盤和電熱絲熔斷組成的柔性末端執(zhí)行器，有效降低了對(duì)表皮的損傷。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手體積較大、控制精度要求高、自適應(yīng)能力較差[19-20]，難以實(shí)現(xiàn)無(wú)損采摘。目前，常見的三指軟體抓手已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性的抓握，作為抓取作業(yè)中設(shè)計(jì)核心的末端驅(qū)動(dòng)器[21]，通常采用氣體驅(qū)動(dòng)、多腔式設(shè)計(jì)。但是，針對(duì)果蔬的不規(guī)則外形特點(diǎn)，現(xiàn)有的軟體驅(qū)動(dòng)器難以實(shí)現(xiàn)果實(shí)的完全包裹和對(duì)末端力的精確控制。因而，軟體抓手在無(wú)損采摘中仍存在很大的研究空間。本研究設(shè)計(jì)了一種貼合草莓表面的軟體抓手，設(shè)計(jì)原理來(lái)自草莓的外部輪廓曲線，采用氣體驅(qū)動(dòng)的方式。通過建立軟體抓手的模型，優(yōu)化仿真分析的算法，獲得葉片在不同氣壓下的變形量，進(jìn)而調(diào)整氣體通道的排布。在抓取實(shí)驗(yàn)前，測(cè)試草莓表面的破壞應(yīng)力和軟體抓手的末端力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓的安全抓握。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方法

針對(duì)不同品種的草莓，傳統(tǒng)的機(jī)械抓手很難做到適應(yīng)草莓的表皮輪廓，因而采用柔性機(jī)械手實(shí)現(xiàn)抓取操作，其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是確保對(duì)抓取對(duì)象外表面的完全包裹和無(wú)損保護(hù)。目前，市面上的草莓多為工廠化的大棚種植，每個(gè)品種在經(jīng)過培育后，其果實(shí)的大小和形狀大多相似。論文由此選取市面上常見的五個(gè)品種的草莓作為觀測(cè)對(duì)象，選用各品種最具代表性的果實(shí)圖像，利用Matlab軟件提取清晰的草莓輪廓曲線，如圖1所示。為使圖像輪廓具備更好的清晰度，依次采用顏色空間識(shí)別、圖像膨脹、腐蝕和二值化操作，選用色相和保護(hù)度較好的圖像，然后填充目標(biāo)對(duì)象的空洞，減小噪聲的形狀和體積，連接斷開的輪廓線，最后獲得清晰的草莓曲線。調(diào)整圖像角度使草莓輪廓的中線豎直于圖像中央，添加1根草莓中心線縱軸和41根間距為5 mm橫軸的分割線，根據(jù)分割線與輪廓曲線的交點(diǎn)，將圖像中的輪廓線轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)數(shù)值。分別提取每個(gè)品種草莓的左右兩側(cè)曲線，獲得如圖2(a)所示草莓輪廓曲線。

圖1 草莓輪廓提取過程Fig.1 Strawberry contour extraction process

針對(duì)草莓外部輪廓設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器的限制層，輪廓曲線的邊緣凹凸較多、曲率變化較大，會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部接觸面的平滑度。抓取不同品種草莓時(shí)，曲線的最大寬度會(huì)影響抓手的穩(wěn)定性和安全性，較小寬度會(huì)對(duì)體型較大的目標(biāo)對(duì)象造成額外的壓力，而較大的寬度會(huì)在抓取較小目標(biāo)對(duì)象時(shí)出現(xiàn)松動(dòng)的情況。因此在相同的Y軸坐標(biāo)下，對(duì)不同曲線的X軸數(shù)值做均值處理，最終獲得一條平滑曲線作為設(shè)計(jì)曲線(如圖2(b)所示)。

(a)草莓輪廓曲線

如圖3所示，為實(shí)現(xiàn)軟體抓手對(duì)草莓外表面的完全包裹，基于Solidworks軟件對(duì)草莓曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)基體獲得草莓3D模型，然后在模型的橫向最寬位置和縱向中線位置切除實(shí)體，寬度為2 mm，最后使用展平操作將3D模型生成一個(gè)平面，作為軟體抓手的限制層平面。按照草莓曲線的尺寸設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在抓取的過程中，降低抓取不牢和草莓外表面破損的情況。

(a)草莓設(shè)計(jì)曲線 (b)橫縱切除2 mm展平曲面圖3 軟體抓手設(shè)計(jì)原理Fig.3 Principles of soft gripper design

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究利用草莓設(shè)計(jì)曲線，設(shè)計(jì)了一種新型四葉片軟體抓手Ⅰ型，結(jié)構(gòu)模型如圖4(a)所示，其主要結(jié)構(gòu)由限制層和腔室層兩大部分組成。

(a)軟體抓手剖面圖

限制層使用硅橡膠材料制備而成，加入具有較小伸長(zhǎng)率的紗網(wǎng)，限制硅橡膠材料的膨脹拉伸。腔室層由4個(gè)在縱軸兩側(cè)完全相同的葉片組成，每個(gè)葉片中均勻排布?xì)怏w腔室，隨著氣壓的升高，軟體抓手的葉片向內(nèi)部收緊完成抓握動(dòng)作，四葉片協(xié)調(diào)彎曲動(dòng)作如圖4(b)所示。軟體抓手結(jié)構(gòu)基本參數(shù)如表1所示。

表1 軟體抓手設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of soft gripper mm

1.3 氣體通道的仿真分析

軟體抓手在實(shí)際抓取過程中，葉片需要按照草莓輪廓包裹貼合，因此對(duì)于Ⅰ型四葉片軟體抓手提出了如下設(shè)想，不同的氣體通道設(shè)計(jì)能否影響葉片曲面的彎曲方向；氣體通道的曲率如果與葉片上側(cè)曲率相同，能否實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓表面的適應(yīng)性包裹。

本研究對(duì)圖5(a)和(b)所示的軟體抓手進(jìn)行了有限元分析測(cè)試，分別有兩種氣體通道：Ⅰ型直線型和Ⅱ型弧線型，通過對(duì)上、下葉片的氣體通道施加氣壓，對(duì)比兩種軟體抓手的彎曲性能和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟體抓手氣體通道的優(yōu)化。

如圖5(c)仿真分析所示，在輸入氣壓為10～15 kPa時(shí)，彎曲速度明顯增快；隨后軟體抓手速率降低，腔室體積快速增長(zhǎng)。上葉片最大輸入氣壓為21 kPa，Ⅱ型通道軟體抓手末端點(diǎn)最大彎曲角度為65.7°，Ⅰ型軟體抓手為63.5°。在下葉片中，具備較大的內(nèi)部腔室體積，因此需要更大的輸入氣壓，以達(dá)到與上葉片相同的彎曲角度。在輸入氣壓為23 kPa時(shí)，Ⅱ型軟體抓手下葉片的末端點(diǎn)最大彎曲角度為63.1°，Ⅰ型軟體抓手為61.3°。因此氣體通道的結(jié)構(gòu)變化對(duì)彎曲性能有一定的提升，上下葉片之間最大彎曲角度的差距約為2°。但是在不同氣體通道結(jié)構(gòu)的仿真過程中，腔室上側(cè)的膨脹曲面具備不同的彎曲速率，這種變化將會(huì)影響到軟體抓手的葉片對(duì)目標(biāo)物的包裹狀態(tài)和壓力分布，如果接觸面未能實(shí)現(xiàn)在曲面的弧度上的同時(shí)接觸，可能會(huì)增加對(duì)目標(biāo)物表面破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

(a)Ⅰ型直線型通道 (b)Ⅱ型弧線型通道

2 驅(qū)動(dòng)器的制造

相較于傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人，軟體抓手多選用硅橡膠材料等軟質(zhì)材料[22-24]。這類超彈性軟體材料可以依靠本身的自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的變形工作，有效降低了機(jī)械抓手對(duì)目標(biāo)抓取物的破壞。其自身穩(wěn)定的化學(xué)性、耐高溫、耐寒，可以在復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境中維持工作的穩(wěn)定性。

2.1 軟體抓手的材料選擇與測(cè)試

為研究材料的力學(xué)性能，本研究選用雙組份液體硅橡膠材料中的5、10和15度，每種度數(shù)的硅橡膠材料分為A、B兩組獨(dú)立包裝，在使用時(shí)按照1∶1比例混合，在室溫或加熱狀態(tài)下靜置4 h后，即可凝聚為驅(qū)動(dòng)器所需的彈性體。在材料選擇的過程中，度數(shù)越小的硅橡膠材料，其本身剛性將越低，在相同氣壓條件下，所制備的驅(qū)動(dòng)器將有更好的彎曲性能，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)較重目標(biāo)物的有效抓取。因此，為了提升軟體抓手的工作穩(wěn)定性，測(cè)試不同度數(shù)混合的硅橡膠材料，如圖6(a)所示，按照GB/T 528-2009標(biāo)準(zhǔn)制備了啞鈴狀試樣的模具，選用了5種不同配比，分別為5度、10度、15度、5度與10度1∶1混合和10度與15度1∶1混合，分別制備硅橡膠測(cè)試件。如圖6(b)所示，使用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，對(duì)彈性啞鈴試件以拉伸速率為100 mm/min，進(jìn)行了拉伸應(yīng)力和伸長(zhǎng)率的測(cè)試，并用曲線擬合計(jì)算不同配比材料的彈性模量；然后使用A型邵氏硬度計(jì)，在測(cè)試件上多次采樣，記錄不同配比硅橡膠材料的硬度值。

(a)測(cè)試件模具 (b)萬(wàn)能拉力機(jī)圖6 硅橡膠材料測(cè)試Fig.6 Silicone rubber material test

硅橡膠的材料分析如圖7所示，為了實(shí)現(xiàn)軟體抓手在彎曲行動(dòng)中產(chǎn)生較大的彎曲量，同時(shí)保證一定的剛性能力，選擇使用5度和10度硅橡膠進(jìn)行1∶1混合，該配比具有5.5 HA的硬度，0.18 MPa的彈性模量和293.8±2.5 mm的伸長(zhǎng)量。通過應(yīng)力應(yīng)變曲線看出，隨著應(yīng)變量增大，材料的性質(zhì)發(fā)生改變。應(yīng)力在0～0.95 MPa之間是彈性變形，0.95～2.02 MPa之間是均勻塑形變形，大于2.02 MPa是不均勻塑形變形；應(yīng)力達(dá)到2.19 MPa時(shí)測(cè)試件斷裂。

(1)

在制作軟體抓手的時(shí)候，抓取的草莓重量m在10～50 g之間，抓手的末端受力面積S約為1 cm2，代入公式(1)中，其最大應(yīng)力僅為5×10-5MPa，遠(yuǎn)低于0.95 MPa，因此這種材料滿足軟體抓手的工作狀況。

2.2 制造工藝

軟體抓手的主要制作過程如圖8所示。模具采用PLA材料，通過FDM3D打印機(jī)制作而成。首先，將硅橡膠5度和10度的AB膠分別按照1∶1的比例混合，再將兩份硅膠按1∶1比例混合，在混合的過程中，使用攪拌棒按照同一方向多次攪拌均勻，并利用真空泵去除硅橡膠混合過程中產(chǎn)生的微小氣泡。然后，將硅橡膠材料分別注入腔室層和限制層的模具當(dāng)中，其中限制層模具需要提前將限制層紗網(wǎng)鋪好，紗網(wǎng)的尺寸與限制層相同，使用裁刀按照模具完成切割。在硅橡膠液面與模具同一水平位置平齊時(shí)停止注膠，擦除模具外遺留的多余硅橡膠材料，放置于室溫23 ℃環(huán)境中靜置4 h，待固化成型后，即可將腔室層和限制層部件脫模，并用美工刀對(duì)各部件邊角的多余材料處理。最后采用多次刷膠的固定工藝，將限制層和腔室層固定，在腔室層的固定部分鉆孔、給每個(gè)葉片插入2 mm氣管，并涂抹少量硅橡膠密封連接部位，再次靜置4 h后，獲得一個(gè)完整的四葉片軟體抓手。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 軟體抓手制造過程Fig.8 Manufacturing process of soft gripper

3 末端力分析

3.1 草莓破壞應(yīng)力分析

軟體抓手實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓目標(biāo)物的安全抓握，需要證明每個(gè)葉片的末端力應(yīng)小于草莓表皮破壞的最小應(yīng)力。本研究測(cè)量1～6 N施壓條件下的草莓外表面的破損情況和塑料薄板的上的陰影面積，測(cè)試夾具如圖9(a)所示。

(a)測(cè)試夾具 (b)6N草莓表面陰影圖9 草莓表面破損應(yīng)力測(cè)試Fig.9 Test of damage stress on strawberry surface

如圖10所示，使用Matlab提取陰影面積，并進(jìn)行線性擬合。當(dāng)X值為2.87 N時(shí)，塑料薄板出現(xiàn)陰影面積，此時(shí)草莓表面出現(xiàn)破損情況。因此四葉片軟體抓手的末端力最大值應(yīng)小于2.87 N，可實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓目標(biāo)物的安全抓握。

圖10 草莓表面破損應(yīng)力分析Fig.10 Analysis of damage stress on strawberry surface

3.2 葉片末端力測(cè)試

本研究根據(jù)壓力傳感器測(cè)試Ⅰ型軟體抓手和Ⅱ型軟體抓手的葉片末端力，將軟體抓手末端放置于壓力傳感器上，均勻的施加壓力，并記錄傳感器數(shù)值。如果小于破壞的最小壓力，則證明軟體抓手在實(shí)際工作狀態(tài)下，不會(huì)對(duì)草莓的表皮產(chǎn)生破壞，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11所示。

上葉片的最大輸入氣壓為21 kPa，下葉片為23 kPa。在測(cè)試過程中，葉片與傳感器保留微小距離，當(dāng)氣壓達(dá)到2 kPa時(shí)，壓力傳感器感應(yīng)到數(shù)值。上葉片氣體腔室體積較小，當(dāng)氣壓升高時(shí)，彎曲速度較快，末端與傳感器表面接觸后，壓力數(shù)值增速較快；隨著氣壓繼續(xù)增加，上葉片的體積將持續(xù)增加，壓力數(shù)值增速降低。在氣壓達(dá)到21 kPa時(shí)，葉片對(duì)應(yīng)達(dá)到最大彎曲角度，此時(shí)Ⅱ型軟體抓手上葉片的最大末端力為2.48 N，Ⅰ型為2.54 N。下葉片腔室體積較大，需要更多的氣壓實(shí)現(xiàn)與上葉片同樣的彎曲效果，使用相同速率輸入氣壓，下葉片和上葉片同樣為先速率較大后速率下降的曲線，由于下葉片具有較大面積的末端和不規(guī)則的形狀，因此壓力曲線相對(duì)平滑，在氣壓達(dá)到23 kPa時(shí)，葉片達(dá)到最大彎曲角度，此時(shí)Ⅱ型軟體抓手下葉片的最大末端力為2.53 N，Ⅰ型為2.66 N。兩種軟體抓手的上下葉片末端力均小于2.87 N，證明四葉片軟體抓手的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓目標(biāo)物的安全抓握。

但是在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型軟體抓手的上下葉片壓力明顯大于弧線氣體通道，然而兩種氣體通道的腔室體積近似為完全相同。因此Ⅱ型軟體抓手在彎曲過程中，葉片并非按照末端的垂直方向彎曲，部分末端力被分到了葉片的邊緣上；而直線通道的葉片在氣體通道兩側(cè)均勻膨脹，末端與壓力傳感器完全接觸。

4 軟體抓手抓取性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.1 葉片空間位移量測(cè)試及分析

軟體抓手在彎曲運(yùn)動(dòng)中，葉片平面的彎曲角度并不同步，可能會(huì)造成過大的接觸壓力，進(jìn)而破壞草莓表皮。為進(jìn)一步探究葉片在空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，選用動(dòng)作捕捉技術(shù)精確記錄葉片在受到氣壓后平面的位移量。如圖12所示，總共在軟體抓手的葉片上側(cè)添加7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。由于葉片的面積較小，為提升實(shí)驗(yàn)精度，觀測(cè)點(diǎn)之間的間隔不能太密。因而觀測(cè)點(diǎn)在下葉片處，選擇葉片腔室層的最大寬度和長(zhǎng)度處，放置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。在上葉片處，選擇腔室層末端和最大寬度處，放置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

圖12 軟體抓手觀測(cè)點(diǎn)安放位置Fig.12 Position of soft gripper observation points

兩個(gè)型號(hào)的軟體抓手分別固定于拍攝場(chǎng)景中，當(dāng)葉片在輸入氣壓實(shí)現(xiàn)彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用相互交疊的八臺(tái)高速攝像頭，記錄反光觀測(cè)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中的位移變化，處理并分析出觀測(cè)點(diǎn)的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)，經(jīng)過一段時(shí)間的記錄合成出觀測(cè)點(diǎn)的空間軌跡。反復(fù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，記錄下葉片觀測(cè)點(diǎn)在空間中的位移量，繪制出上、下葉片觀測(cè)點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

如圖13下葉片的空間位移量所示，空間中葉片曲面的運(yùn)動(dòng)過程轉(zhuǎn)化為4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的位移量。兩種設(shè)計(jì)的輸入氣壓和測(cè)試時(shí)間相同，當(dāng)氣壓升高時(shí)，葉片向觀測(cè)點(diǎn)1方向彎曲，葉片曲面在Z軸上的位移量最大，在X和Y軸上的運(yùn)動(dòng)則受到腔室膨脹影響，觀測(cè)點(diǎn)向葉片外側(cè)移動(dòng)造成。Ⅱ型軟體抓手下葉片的觀測(cè)點(diǎn)3比觀測(cè)點(diǎn)2的位移距離更長(zhǎng)，在Z軸的位移量中，相差12.01 mm；在X軸的位移量中多位移2.72 mm，在Y軸的位移量中多位移2.35mm。因而，Ⅱ型軟體抓手上葉片在遠(yuǎn)離氣體通道的觀測(cè)點(diǎn)3運(yùn)動(dòng)速率更快。在Ⅰ型軟體抓手的下葉片中，觀測(cè)點(diǎn)2和觀測(cè)點(diǎn)3 在Z軸上的位移相差2.66mm，在X軸和Y軸的位移僅相差0.006 mm和0.07 mm，Ⅰ型軟體抓手的下葉片在彎曲運(yùn)動(dòng)中，以氣體通道和觀測(cè)點(diǎn)1為主要運(yùn)動(dòng)方向，葉片的上下兩端運(yùn)動(dòng)速率近似相同。

(a)Ⅰ型軟體抓手下葉片空間位移量

軟體抓手上葉片觀測(cè)點(diǎn)空間位移量如圖14所示，在觀測(cè)點(diǎn)5和6中，Ⅰ型軟體抓手的觀測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)沿著氣體通道和末端，向觀測(cè)點(diǎn)7的方向彎曲；在Ⅱ型軟體抓手中，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相似于直線氣體通道。兩種氣體通道的上葉片其觀測(cè)點(diǎn)7的位移狀態(tài)不相同，Ⅱ型軟體抓手的觀測(cè)點(diǎn)7在X、Y和Z軸上的位移比直線氣體通道多17.68 mm、0.33 mm和4.60 mm，因此弧線氣體通道的上葉片沿著氣體通道的曲率，呈現(xiàn)向內(nèi)側(cè)觀測(cè)點(diǎn)5彎曲包裹的現(xiàn)象。

(a)Ⅰ型軟體抓手上葉片空間位移量

當(dāng)氣流進(jìn)入腔室層后，氣體腔室的體積比氣流通道的體積更大，氣球效應(yīng)更明顯；而氣體通道連接多個(gè)氣體腔室，與限制層的接觸面積更大，隨著氣壓的增加，材料內(nèi)部應(yīng)力的限制將阻礙氣體通道體積的進(jìn)一步增加。進(jìn)而，Ⅰ型軟體抓手的氣體腔室在氣體通道的兩側(cè)，葉片發(fā)生膨脹彎曲后，垂直于彎曲方向的截面近似位移速率相同，沿著氣體通道的方向彎曲；Ⅱ型軟體抓手的腔室在氣體通道的一側(cè)，葉片在膨脹后具備不同的彎曲速率，氣體通道的外側(cè)腔室有更快的運(yùn)動(dòng)速率和位移，葉片將向氣體通道內(nèi)側(cè)包裹，更貼合草莓的果實(shí)外壁。因此，氣體通道的結(jié)構(gòu)將會(huì)影響到腔室上側(cè)曲面不同點(diǎn)的彎曲速率，這種變化可以實(shí)現(xiàn)軟體抓手葉片對(duì)不規(guī)則草莓目標(biāo)物的安全包裹，接觸面能實(shí)現(xiàn)在曲面弧度上的同時(shí)接觸，有效降低對(duì)目標(biāo)物表面破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 抓取測(cè)試

驗(yàn)證Ⅱ型四葉片軟體抓手的實(shí)際工作能力，本研究通過STM32開發(fā)板連接兩路光耦-高低電平繼電器，分別控制兩個(gè)氣泵對(duì)上下葉片輸入不同的氣壓，實(shí)現(xiàn)各葉片間對(duì)目標(biāo)物的同步抓握。抓取實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖15(a)所示，抓取物草莓的平均重量為30 g，平均半徑為16 mm。

(a)抓取測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

草莓抓取實(shí)驗(yàn)過程如圖15(b)和(c)所示，在抓取實(shí)驗(yàn)中，上葉片的輸入氣壓從0逐漸加至21 kPa，下葉片最大輸入氣壓為23 kPa，兩組葉片在草莓抓取平面上同時(shí)向下完成彎曲運(yùn)動(dòng)。四葉片軟體抓手隨著氣壓的升高，葉片的彎曲角度增加，只需要輕微調(diào)整軟體抓手的高度，在其本身重力的作用下，葉片將主動(dòng)貼合到目標(biāo)物曲面上，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)抓取物的完全包裹。達(dá)到設(shè)定的輸入氣壓時(shí)間后，STM32板在控制程序下終止氣泵工作，為了測(cè)試軟體抓手在草莓自身的慣性下出現(xiàn)的擺動(dòng)現(xiàn)象，用于固定軟體抓手氣管的機(jī)械臂帶動(dòng)抓手實(shí)現(xiàn)豎直方向的提升，最大高度為200 mm，隨后在0～200 mm之間往復(fù)升降。經(jīng)過多次測(cè)試，軟體抓手仍能實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓的完全包裹，其穩(wěn)定性和抗干擾能力可以實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓的有效拾取。

Ⅱ型四葉片軟體抓手能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)草莓外表面的完全包裹，其自身的適應(yīng)能力可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位姿草莓的有效抓取。對(duì)5個(gè)品種草莓分別進(jìn)行10次抓取測(cè)試，成功抓取的概率可以達(dá)到90%，檢測(cè)每次抓取后的草莓表皮，其破損率為2%。

5 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)的草莓曲線四葉片軟體抓手，針對(duì)抓取成功率和表皮破損率，分別對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面進(jìn)行了進(jìn)一步的探索。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)合草莓設(shè)計(jì)曲線，提出了一種新型四葉片軟體抓手。在材料選用中，對(duì)5種不同配比的硅橡膠材料做了測(cè)試分析，選用了5度和10度硅橡膠進(jìn)行1∶1混合，具有5.5 HA的硬度，0.18 MPa的彈性模量和293.8±2.5 mm的伸長(zhǎng)量。使用壓力傳感器測(cè)試草莓表面破壞應(yīng)力和軟體抓手末端壓力，四葉片軟體抓手的上葉片末端力最大值為2.48 N，下葉片為2.53 N，小于草莓表面破壞應(yīng)力2.87 N，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓目標(biāo)物的安全抓握。使用Abaqus仿真軟件和動(dòng)作捕捉技術(shù)，證明了氣體通道的結(jié)構(gòu)可以影響軟體抓手的彎曲狀態(tài)，Ⅱ型四葉片軟體抓手的上下葉片在膨脹后具備不同的彎曲速率，氣體通道的外側(cè)腔室將有更快的運(yùn)動(dòng)速率和位移，葉片將向氣體通道內(nèi)側(cè)彎曲運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則草莓目標(biāo)物的安全包裹。最后選用弧線型氣體通道的Ⅱ型四葉片軟體抓手進(jìn)行了實(shí)際抓取測(cè)試，其具備較好的穩(wěn)定性、抗干擾能力、自適應(yīng)能力、靈活性和柔性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓的有效拾取，成功抓取的概率達(dá)到90%，對(duì)抓取物表面的破損率為2%。本文僅開展了面向草莓無(wú)損采摘軟體抓手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和彎曲特性的初步研究，在繼續(xù)優(yōu)化軟體抓手的結(jié)構(gòu)上，下一步分析各葉片在接觸不同形狀果實(shí)時(shí)的壓力分布及角度變化，實(shí)現(xiàn)各葉片能夠獨(dú)立控制氣壓的輸出，為軟體手爪的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。