氣動球果采摘柔性手爪設計與實驗

劉曉敏 田德寶 宋懋征 耿德旭 趙云偉

(北華大學機械工程學院， 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。在整個果樹種植生產過程中，采摘作業工作量占比為33%～50%[1-2]。采用自動化設備或機器人進行采摘，可有效提高采摘效率、降低成本[3-5]。在果樹矮化密植后，果實密集、遮擋減少，這為自動化采摘提供了有利條件。由于球果采摘環境復雜、果實脆弱敏感且形狀各異，為保證采摘品質，設計安全高效、穩定可靠、輕質靈活和適應性強的采摘執行器是實現自動化球果采摘的關鍵環節之一[6-9]。近年來，國內外許多學者相繼研制了吸附式[10-13]和抓持式[14-15]等多種采摘執行器。吸附式采摘執行器主要依靠負壓吸取或吸盤吸附球果，其結構復雜，采摘時多余枝葉易阻塞管道，無損采摘球果占比僅為85%[16]。抓持式采摘執行器多采用剛性桿件，夾持力不易控制，在快速夾持作業中產生碰撞沖擊，易損傷果實，需要建立動態夾持碰撞模型，并提出精確抓取的抓取力調節策略[17-20]。為實現柔順抓取，文獻[21-26]提出了基于氣動軟體驅動器的全柔性采摘執行器，該采摘執行器雖柔順性和適應性好，但剛度不足。為此，在軟體驅動器的基礎上，本文設計了2自由度多向彎曲氣動柔性驅動器，驅動器內部添置剛性骨架，組成“剛-柔耦合”結構。在具有較好柔順性的同時能保持一定剛度，易于控制、動作靈活，且具有主動安全性，可有效避免損傷果實；在氣壓下產生弧狀彎曲變形可與球果表面很好貼合，適合作為采摘機械手的執行器，用于球果的采摘、分檢、搬運和碼放。

本文采用自主研制的多向彎曲柔性驅動器設計2種規格帶有腕部回轉功能的多自由度球果采摘柔性手爪，研究柔性驅動器制造工藝，建立驅動器形變模型和柔性手爪采摘過程力學模型，進行相關實驗驗證，研究柔性手爪工作空間，分析其抓取模式，并在實驗室環境下進行多種球果模擬采摘實驗。

1 采摘柔性手爪結構功能

1.1 整體設計

針對球形果實特點，基于氣動柔性驅動器技術設計的具有手腕回轉功能的3指采摘柔性手爪，結構及功能見圖1。該柔性手爪的設計采用中心對稱式結構，3根柔性手指均布于手掌基盤圓周上呈中心對稱，回轉腕部位于掌心處。手指與柔性驅動器復合一體，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，腕部由回轉氣缸進行驅動。為擴大采摘范圍，手指相對于手掌平面呈一定傾斜角度且向外側伸展。

依據手指布局、目標球果的尺寸和質量，柔性手爪抓取模式可采用3種方式：手指內側多觸點抓取、手指包裹性握取和指端捏??；摘取方式采用腕部旋轉扭斷果梗，使球果與樹枝分離。采摘時，當柔性手爪接近目標球果后施加氣壓，各手指彎曲變形協調運動抓取球果，然后通過腕部旋轉扭斷果梗，完成球果采摘。采摘柔性手爪具有7個自由度，3個機動度，質量為800 g，其設計采摘能力為抓取目標球果直徑為30～130 mm，質量小于1 kg。

1.2 手掌與腕部設計

手掌和手腕結構見圖2。手掌采用盤形結構，手指安裝基座相對于手掌設有傾斜角η以保證手指向外側伸展(圖2a)。針對目標球果尺寸設計了2種類型手掌(Ⅰ型和Ⅱ型)，規格分別為手掌直徑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。

手腕的旋轉由內部回轉氣缸驅動(圖2b、2c)，采用2個同軸安裝的軸承以保證回轉氣缸的同軸度。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]，假設成熟球果的果梗扭斷力為10 N，當d=100 mm時，由式(1)計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氣缸為葉片式擺動氣缸(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 手指設計

采摘柔性手爪手指與人手手指外形相仿，帶有弧面指尖。本體與驅動器復合一體具有較好柔性，氣壓作用下產生“圓弧狀”彎曲變形，可實現正屈和側擺動作(圖3)。指尖處安有觸力傳感器，用于判斷手指與目標球果接觸狀態，并進行接觸力反饋。

所設計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，更好地保護果實避免損傷。其寬度與人指寬度相當，為20 mm，3指同時夾緊握取球果時手指接觸面積覆蓋率為20%。為避免損傷球果表面，柔性手指內側和手掌平面裝有柔性硅膠墊(圖3)，可增加抓持時的摩擦力。

為實現包裹性抓取，手指長度設計如圖4所示。圖中紅色CAB線為近似的手指變形曲線，AB弧長為手指與球果表面接觸區域，A點為起始點，B點為手指包裹的最遠指端接觸位置。

由圖4可知，柔性手指長度L與球果直徑關系為

(2)

式中γ——包絡角，(°)

γ取π/2時，手指可實現完全性包裹抓取球果，則由式(2)可獲得最小手指設計長度Lmin。當d=100 mm，η=80°時，Lmin=130 mm。

為穩定地摘取球果，可適當增加手指長度擴大包容區域，并采用3指交錯強力握姿以避免指端干涉。采摘柔性手爪結構參數如表1所示。

表1 采摘柔性手爪結構參數Tab.1 Structure parameters of gripper

2 多向彎曲驅動器設計

所設計的多向彎曲柔性驅動器屬于復合彈性體，氣壓作用下可多方向連續彎曲變形，呈現大變形、非線性等特點。

2.1 驅動器結構

柔性驅動器為“剛-柔”耦合結構，由2組并聯的人工肌肉、彈性骨架與外部套裝的片狀約束環組成(圖5a)。人工肌肉和彈性骨架對稱分布，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。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，可提高柔性驅動器剛性和彈性恢復。

驅動器組成與連接方式見圖5b。上下端蓋設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，下接頭端面設有螺紋通孔與氣動接頭給驅動器通氣；彈簧兩端設有堵頭，堵頭端部設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合而成的柔性驅動器，可以看作“無軸多鉸鏈”柔性結構，通過調節肌肉內腔的氣體壓力，實現多方向、連續角度的彎曲變形功能，其形變特性如圖6所示。當2根肌肉同時施加相同氣壓(p1=p2，p1和p2為人工肌肉內施加的氣壓)時，驅動器產生類似指狀圓弧型彎曲變形，類似手指的正屈動作(圖6a，θ為驅動器端面轉角，R為彎曲圓弧半徑)；當2根肌肉通入不同氣壓(p1≠p2)時，驅動器將在β～(π-β)范圍內向不同方向彎曲(圖6b)，類似手指的側擺動作。驅動器彎曲后為圓弧狀，與球果接觸具有較好的包絡性，適合作為球果采摘柔性手爪的手指。

2.2 驅動器材料與制造工藝

依據上述設計方案，柔性驅動器由氣囊、彈性骨架和約束環復合而成，柔性驅動器的制作工藝較為復雜，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。驅動器具體幾何參數和材料特性見表2。

表2 驅動器幾何參數和材料特性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，并在端蓋內側圓周上和堵頭外表面設有一圈環狀凸起，氣囊放置于端蓋與接頭之間的狹小縫隙內，使用螺釘將端蓋與接頭鎖緊，通過端蓋與接頭環狀凸起的擠壓封裝氣囊。

驅動器制造工藝采用機械裝配方式，主要工藝流程包括氣囊裁剪及封裝、骨架組裝、約束環套裝和端蓋組裝，裝配工藝流程見圖8。

首先依據驅動器設計要求裁剪硅膠氣囊(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(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接頭拉緊端蓋與接頭封裝氣囊(圖8e)，至此完成驅動器制作。采用機械裝配的方式大大降低了驅動器的制作難度，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影響到驅動器的形變特性。接下來將針對驅動器的形變特性建立模型，分析結構參數和材料特性對彎曲方向和角度的影響。

2.3 驅動器建模

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

根據驅動器彎曲力矩平衡方程可知

M1+M2=MJ1+MJ2+MT1+MT2

(3)

2.3.1驅動器彎曲方向

當2根人工肌肉(J1、J2)通入不同氣壓(p1≠p2)時，驅動器(在α≤β≤π-α范圍內)沿中性層自主彎曲變形(圖9b、9c，圖中y軸負向為彎曲方向角測量起始點)，彎曲方向即肌肉充氣變形在端部產生合力矩方向。

肌肉膨脹后在驅動器端部產生的合力矩為

Mh=M1+M2=p1S1l+p2S2l

(4)

式中S1、S2——肌肉變形后的內腔橫截面面積，mm2

人工肌肉在驅動器端部產生合力矩的方向與x軸的夾角即為驅動器的彎曲方向角β。可由合力矩x軸和y軸的分量比值求得，則驅動器彎曲方向角為

(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——人工肌肉驅動力矩方向與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系

(6)

式(6)表明驅動器的材料特性不影響其彎曲方向，結構參數是主影響因素。式中結構參數S1、S2影響作用在各肌肉端部的驅動力；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驅動器彎曲角度

驅動器驅動力矩為

M1+M2=p2S2l2-p1S1l1

(7)

其中

(8)

驅動器內2組人工肌肉和彈性骨架位于同一圓周上且沿x軸對稱分布，肌肉和骨架分列于y軸兩側。肌肉和彈性骨架阻礙驅動器彎曲變形時，除繞本體彎曲產生的彎曲力矩，還有繞驅動器彎曲中心彎曲產生的耦合力矩。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——驅動器軸向伸長量，mm

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

驅動器彎曲狀態下彈性骨架和肌肉的變形協調方程分別為

(11)

(12)

將式(7)～(12)代入式(3)可得，驅動器在變形Ⅰ區內的彎曲角為

(13)

式(13)中變量S1、S2、Δl、Mk、Mn、kR、kT為伸長型人工肌肉形變特性，可根據表2所示驅動器結構參數和材料特性，由文獻[28]所建立模型計算求得。由式(13)可知，結構參數和材料特性同時影響驅動器彎曲角，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。采用大內徑、低硬度的氣囊可獲得較大的驅動力矩，同時降低彈性骨架剛度可加大驅動器的彎曲變形；反之，其變形減少剛性提升。上述表明驅動器的優化設計，需要從形變能力和剛性之間找到一個平衡點。

3 采摘過程力學分析

采摘柔性手爪抓緊球果后，通過腕部回轉扭斷果梗完成采摘動作。整個采摘過程存在2個關鍵作用力：抓持力與扭斷力。

3.1 抓持力

采摘柔性手爪手指與目標球果接觸過程中產生正壓力和摩擦力。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——比例協調系數μ——摩擦因數

該采摘柔性手爪在抓持目標球果時，抓取方式分為手指前段多觸點抓取、手指內側與手掌聯合的包裹性握取和指端閉合捏取。手指與球果接觸點的正壓力變化見圖10。當采用抓取模式采摘大直徑球果時，手指前段內側與球果表面小面積接觸形成力封閉抓取(圖10a)，此時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，與手掌配合形成力封閉抓取，手指內側與球果表面大面積接觸產生較大的抓持力(圖10b)，此種方式適合中型尺寸、大質量球果；指端捏取球果時，手指指尖與球果點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為坐標原點，圖中紅色陰影部分為手指與球果接觸區域；φ為手指在接觸點位置產生正壓力方向與xOy平面夾角。

假設柔性手指具有一致性，當3根手指充氣彎曲同時與目標球果表面接觸后，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生的摩擦力，為實現穩定采摘球果，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，腕部氣缸輸出扭矩產生扭斷力Fd，且Fdmin≤Fd≤Fdmax。

4 驅動器形變性能實驗

驅動器作為采摘柔性手爪的關鍵部件，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所示的靜力學實驗系統，測試了驅動器的形變特性，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，驅動器的彎曲角在充放氣過程中隨氣壓的變化情況見圖13?？梢娙斯ぜ∪夂蛷椥怨羌芙M成的該柔性驅動器在氣壓下的彎曲變形呈現大變形、非線性。由于氣動人工肌肉的遲滯性，驅動器在充氣過程中彎曲角略低于回程，最大偏差為11.9%。

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

將表2所示驅動器各參數代入式(6)、(13)，可得驅動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，形變后驅動器的彎曲方向角和彎曲角的理論計算結果與實驗數據趨勢一致，吻合較好，能夠真實反映驅動器氣壓下的形變情況。

當通入氣壓p1保持恒定不變時，隨著氣壓p2的增加，驅動器將在第Ⅱ變形區內彎曲變形，彎曲方向角在60°～90°范圍變化(圖15a)；當肌肉通入相同氣壓p1=p2=p時，驅動器沿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)。

由驅動器形變實驗分析可知，氣壓下驅動器可向兩側小幅擺動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行器。

5 采摘實驗

采摘柔性手爪控制系統圖見圖16。當目標球果位于采摘范圍時，由控制器發出控制指令，通過氣壓系統內電磁比例閥2、3、4、5、6、7調節各手指肌肉通入的氣體壓力驅動柔性手爪抓取球果，利用比例閥1連接的2個電磁換向閥1、2控制手腕內氣缸的回轉方向摘取球果。系統內氣壓傳感器將測得的氣壓信號反饋給控制器，觸力傳感器用于測試手指與球果的接觸力并進行實時反饋。

5.1 位姿實驗

由采摘柔性手爪3指工作空間分析，可知柔性手爪針對不同尺寸的球果抓取位姿。

當柔性手指形變時，指端向掌心內彎曲，其工作空間見圖17，由三維運動捕捉系統(Optotrak Certus)測得。

可見指端運動軌跡為圓弧形，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作。柳葉左右邊緣為手指擺動極限位置，當通入極限氣壓p1=pmax或p2=pmax時，在形變區域內達到擺動極限角(60°或120°)，葉尖為彎曲極限位置p1=p2=pmax。正屈時達到極限彎曲角(277°)。

每根手指的工作空間相同，當3根手指同時正屈時，各手指運動軌跡和相應抓取位姿見圖18?？梢姴烧獣r該柔性手爪手指彎曲變形，指端運動軌跡呈圓弧狀(圖18a)。3根手指同時彎曲變形協同運動，可實現較大球果抓取(圖18b)；當手指在氣壓的驅動下進一步彎曲變形時，其指端運動軌跡出現交叉和閉合，采摘柔性手爪可實現包裹式握取和捏取(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3指端運動到50 mm<λ<150 mm，柔性手爪可實現對d<100 mm球果的抓??；3指工作點密集在掌心位置中心區域λ<100 mm范圍內，3指工作空間出現重疊區域，表明柔性手爪可對球果實現包裹性的封閉握取和對小型球果的指端捏取。

由于球果尺寸和形狀不同，柔性手爪與目標球果接觸時需要調整指端接觸位置進行穩固抓取，指端位置調整方式見圖20。圖20a中陰影區域表示xOy面內手指運動范圍，柔性手爪3指向掌心相對運動完成正常抓握動作(圖20b)，抓取異形球果可根據實際情況分別調整各手指指端位置(圖20c)；若3指同時正屈完成握取位姿時，3指運動軌跡在掌心處重合，抓取球果時出現手指碰撞干涉，此時柔性手指可以左右擺動(順時針或逆時針旋轉)，調整手指運動軌跡(圖20d)；使手指交叉避免干涉實現強力包裹性抓取(3指交錯強力握取)。

5.2 抓持力實驗

充氣后柔性手指彎曲變形與目標球果表面接觸產生正壓力，接觸點處的正壓力可通過安裝在xy移動滑臺上的六維力傳感器測得，xy滑臺用于調整傳感器與指端相對的位置。圖21為每增加一個梯度氣壓Δp=0.05 MPa，手指發生相應彎曲變形后與接觸點產生正壓力隨氣壓的變化。由圖中可見，柔性手指產生的正壓力與氣壓呈正比，通過調整手指內肌肉通入的氣壓可以控制采摘時手指輸出力。

采摘時，當施加氣壓p0，柔性手指彎曲變形包裹球果后，繼續施加氣壓Δp，柔性手指仍可保持較大的正壓力輸出，有效完成對目標球果的采摘。

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彎曲達到抓持位置進而抓緊球果。

圖23為柔性手指正壓力隨接觸點位置的變化。ld為接觸點相距指根距離，每隔距離增量Δld=10 mm，取1個點，共11個點；指根處為測量起始點，測量時保持初始位置(p=0 MPa)。由圖中可知，隨著遠離指根位置，正壓力隨之先增大后減小，最大正壓力出現在接觸點3的位置(30 mm處)，隨著抓握的位置遠離該觸點區域輸出力隨之減小。在指端處產生的正壓力最小，因而小型輕質的球果易采取指端捏取(圖18d)；抓取大型球果時，接觸點為5、6、7，為獲得較大的夾持力，應盡量使目標球果靠近指根處，以便獲得較大的夾持力(圖18b)。握取球果時，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、不同質量球果所需氣壓與重物重量的關系。球果尺寸為d=83 mm，蘋果手指與上硅膠墊的摩擦因數為1.35。采用在球果下懸掛砝碼累加負重的方式分別對Ⅰ型和Ⅱ型柔性手爪抓持能力進行了測試。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，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量為424 g，p=0.1 MPa；抓取球果極限質量為724 g，p=0.24 MPa；抓取最大物質量球果方式為3指交叉握取，抓取球果極限質量為1 224 g，p=0.28 MPa；表明包裹性抓取為最穩定的抓取方式。

根據該氣動采摘柔性手爪的工作特點，選取柔性手爪動作頻率、氣壓和氣壓信號等動態載荷特征，描述夾持過程中碰撞力變化規律，如圖26～28所示。球果夾持過程分為3個階段，包括碰撞初始階段、碰撞加載階段、夾持完成階段。

柔性手爪動作頻率表示在快速夾持作業中手爪與球果表面的接觸時間，即夾持速度。采用階躍信號在施加0.22 MPa氣壓下，夾持碰撞力隨柔性手爪動作頻率變化見圖26。可知在碰撞初始階段，柔性手爪與球果間產生較大的沖擊，碰撞力大幅跳躍，此時易對果實表面產生損傷；在快速加載階段碰撞力出現小幅波動，0.2～0.3 s后達到峰值完成夾持停止運動。手爪低速夾持時表現為準靜態加載過程；隨著手爪動作頻率(夾持速度)的增加，夾持加載階段時間隨之下降，但在碰撞初始階段碰撞力隨之顯著增加。

當柔性手爪動作頻率5 Hz時，夾持碰撞過程的力隨手爪內施加氣壓變化見圖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生的碰撞力隨之增大，且夾持加載階段時間隨之增加。

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

由上述分析可知，為實現球果快速采摘作業，同時避免損傷果實表面，應針對目標球果選擇適合的準靜態時的夾持氣壓，抓取時可選擇柔性手爪的動作頻率為2 Hz的斜坡信號。關于氣動采摘柔性手爪動態作業進一步深化研究將在后續研究工作中展開，接下來將針對不同尺寸和質量球果的夾持氣壓進行實驗。

5.3 球果采摘實驗

Ⅰ型和Ⅱ型采摘柔性手爪針對不同尺寸的球果抓取如圖29和圖30所示，16種球果抓取具體實驗參數見表3。表中p0為柔性手指與球果表面接觸時的氣體壓力，繼續施加氣壓增量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移動時，不產生滑動掉落。由于球果質量、表面不規則性和抓取位姿的不同，抓取時所需的p0和Δp隨之不同。

表3 采摘柔性手爪抓取實驗參數Tab.3 Experimental parameters of grasping for gripper

采摘實驗過程中，所有實驗球果表面接觸區內均未見明顯壓痕，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指交錯強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產生最高正壓力Fnmax=12 N，遠小于破壞壓力(蘋果表面被壓縮量Δd≤1 mm，即Fn≤20 N[29-31])?？梢姂迷撊嵝允肿Σ烧蚬鲃?、安全且接觸力可控，可實現無損采摘。

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

球果采摘實驗表明，該采摘柔性手爪動作靈活、物形適應性強、主動安全、易于控制，具有抓、握和捏抓取模式。通過調節手指內的氣壓，可實現對不同尺寸和質量的球果穩定、無損傷采摘。

6 結論

(1)基于氣動柔性驅動器設計了Ⅰ型和Ⅱ型2種規格的采摘柔性手爪。其中Ⅰ型手掌規格為D1=80 mm，適于采摘尺寸范圍為30～100 mm、較重的球果；Ⅱ型手掌規格為D2=120 mm，相對于Ⅰ型更適于采摘大直徑的球果，采摘范圍為30～130 mm。

(2)設計了2自由度“剛-柔耦合”驅動器，并研究其材料和制造工藝，建立了驅動器形變模型，并進行實驗驗證，獲得了氣壓下彎曲方向角和彎曲角隨氣壓的變形規律。施加氣壓后，驅動器在60°～120°范圍內連續彎曲，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行器。

(3)建立了采摘力模型，進行了采摘過程中的抓持力和扭斷力力學分析，并進行了不同物重球果的抓取實驗，獲得了不同彎曲形變下不同接觸點處手指的輸出力和抓持重物能力與氣壓的變化規律。經驗證，手指正壓力和抓持球果物重與氣壓呈正比。說明通過調節氣壓可以靈活、有效地控制手指輸出力，使抓取時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指交錯強力握取重物最大質量為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，其中最穩定的抓取模式為3指交錯強力握取方式。對16種球果進行了模擬采摘實驗，結果表明，采摘柔性手爪可以靈活、穩定、無損傷抓取多種尺寸的球果。