軟體水果采摘機械手系統(tǒng)設計分析與試驗

華超，褚凱梅，陳昕，朱銀龍

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院，南京 210037)

水果采摘是農(nóng)林生產(chǎn)過程中最重要的環(huán)節(jié)，目前水果采摘主要依靠人工完成，存在效率低、成本高、勞動量大等問題[1]，因此實現(xiàn)水果采摘的自動化變得越來越迫切[2]。目前，很多農(nóng)林采摘機器人都實現(xiàn)了智能化，大大提高了采摘效率[3]，但大部分末端執(zhí)行器都使用傳統(tǒng)的剛性機械手，一般存在結(jié)構(gòu)復雜、靈活性差、與環(huán)境交互性低等問題，極易在抓取過程中損壞抓取產(chǎn)品，難以實現(xiàn)無損采摘[4-5]。

軟體機械手的出現(xiàn)為水果采摘提供了新的思路和方法。Hao等[6]基于氣壓驅(qū)動設計了一種軟體手爪，可以根據(jù)所抓取物體的形狀改變自身的長度，達到穩(wěn)定抓取的效果。Wehner等[7]采用硅橡膠材料，制作了一種基于氣動網(wǎng)絡的執(zhí)行器，具有變形大、柔順性好、交互性好的特點。She等[8]設計了一種內(nèi)嵌驅(qū)動和傳感器的軟體手爪，可以實時反映手爪的工作狀態(tài)，具有活動靈活、交互性好等特點。Brown等[9]設計了一種新型基于顆粒堵塞的軟體機器人，由軟材料和顆粒狀咖啡豆組成，通過施加負壓，可實現(xiàn)對整體結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)整，在抓取物體時可以自適應物體的形狀，并且可以通過提高剛度，提高抗干擾能力。

軟體機械手的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)剛性機械手結(jié)構(gòu)復雜、交互差等問題，由于材料的柔順性，減小了對抓取物體的損傷，并且能夠自動適應抓取物體的形狀大小,通過變剛度結(jié)構(gòu)提高抗干擾能力。可以看出軟體機械手適用于對水果的無損抓取，具有廣闊的應用前景[10-11]。本研究利用仿真分析得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設計軟體機械手樣機，通過試驗研究末端力的輸出大小以及抓取的效果，設計的軟體機械手能夠?qū)崿F(xiàn)對水果產(chǎn)品的無損抓取，在一定程度上解決了剛性機械手柔順性差、交互性差等問題。

1 軟體采摘機械手的設計與制作

1.1 軟體采摘機械手的結(jié)構(gòu)設計

軟體機械手通常利用局部應變差產(chǎn)生彎曲自由度，即在同一氣壓驅(qū)動下，不同剛度材料層產(chǎn)生的應變不同，層間會產(chǎn)生不均勻的位移，在材料自身應力的作用下，軟體機械手會向應變較小的材料層彎曲[12]。

基于上述原理，軟體采摘機械手由4個驅(qū)動手指和法蘭盤組成，如圖1所示。每個驅(qū)動手指由應變層和限制層構(gòu)成，應變層是由硅膠材料制成的多氣囊結(jié)構(gòu)，各個氣囊間通過腔道連接，限制層是一層壁厚均勻的硅膠。利用硅膠黏合劑將限制層和應變層粘合起來，使驅(qū)動手指成為一個空腔結(jié)構(gòu)。法蘭盤和驅(qū)動手指通過螺栓連接，其中裝配法蘭盤的中心孔用于與機械臂連接。充氣時，應變層的氣囊結(jié)構(gòu)應變較大，受限制層的約束，驅(qū)動手指向內(nèi)彎曲；抽氣時，應變層的收縮率大于限制層的收縮率，驅(qū)動手指向外彎曲；當排盡腔體內(nèi)的氣體，由于材料的柔順性，驅(qū)動手指恢復原形。

圖1 軟體采摘機械手的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of software picking manipulator

1.2 軟體驅(qū)動手指的制備

本研究采用3D打印技術(shù)對模具進行制作，模具由應變層模具和限制層模具兩部分組成，如圖2所示，制備過程如下：

1)硅膠選用Smooth-ON公司生產(chǎn)的Dragon Skin 20材料，將硅膠A、B兩組按1∶1的比例混合，分別取20 g，利用攪拌機攪拌均勻。

2)將配制好的硅膠材料均勻倒入模具中，并用端蓋進行密封，為了避免氣泡的產(chǎn)生，在應變層端蓋模具上預留幾個孔，用來排除多余的硅膠。

3)靜置5 h后，將端蓋模具從底部模具中拔出，得到應變層和限制層，通過硅膠將兩部分黏合在一起，待其完全黏合，即可得到驅(qū)動手指實體。

4)為了保證氣路的密封性，便于氣管的插入，在通氣孔插入快插接頭，利用硅膠黏合劑將接口密封。

圖2 驅(qū)動手指制備流程圖Fig. 2 Driving finger preparation flow chart

2 軟體采摘機械手有限元分析

設計的驅(qū)動手指結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，主要有腔體厚度h、氣囊個數(shù)k、氣囊間隙d以及限制層厚度t，為了分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對驅(qū)動手指彎曲性能的影響，采用ABAQUS對其進行有限元仿真分析，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。驅(qū)動手指的彎曲變形屬于非線性大變形，Yeoh模型能夠表述其材料的特征[13]，其應變能密度函數(shù)表示為：

(1)

式中：Ci0和Di為待定系數(shù)；I1為變形張量；J為彈性體積比，硅膠視為不可壓縮材料時，J=1。

通常使用二項參數(shù)形式的應變能密度函數(shù)[14]，Yeoh模型典型的二項參數(shù)形式為：

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2

(2)

(3)

聯(lián)立式(2)和式(3)，可得主應力σ1和主伸長比λ1之間的關(guān)系：

(4)

通過拉伸實驗得到應力與應變的擬合曲線，如圖3所示，經(jīng)過ABAQUS處理分析得到其材料參數(shù)C10=0.11，C20=0.02。

圖3 拉伸實驗應力與應變的關(guān)系Fig. 3 Relationship between stress and strain in tensile test

仿真過程中，采用流體腔模型來實現(xiàn)充氣模擬，并將充氣端所在平面完全約束。由于屬于大變形，分析步中需打開幾何非線性開關(guān)。在網(wǎng)格單元類型設置中，選擇四面體網(wǎng)格，幾何階次為二次，考慮到硅膠材料不可壓縮，故采用雜交單元類型，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 驅(qū)動手指網(wǎng)格劃分圖Fig. 4 Grid division diagram of drivefinger

2.1 腔體壁厚對驅(qū)動手指彎曲性能的影響

分別對腔體壁厚為1.5，2.0，2.5以及3.0 mm的驅(qū)動手指仿真分析，其中氣囊個數(shù)為8個，氣囊間的間隙為3 mm，限制層厚度為2.5 mm。

不同腔體壁厚對彎曲特性影響的仿真結(jié)果見圖5a。在相同氣壓下，腔體壁厚越大，彎曲角度越小，且隨著氣壓的增大，彎曲角度增大的趨勢逐漸放緩。壁厚為1.5 mm驅(qū)動手指在氣壓為40 kPa時的仿真圖見圖5b，由于壁厚太薄，無法約束驅(qū)動手指的徑向膨脹，在限制層和應變層的連接處應力較大，極易損壞驅(qū)動手指；當壁厚3 mm時，材料自身的應力會大大限制其彎曲變形，故腔體的壁厚不宜太大。當壁厚2.5 mm時，既能滿足彎曲角度的要求，且彎曲趨勢較為平緩，驅(qū)動手指不易損壞。

圖5 腔體壁厚對驅(qū)動手指彎曲特性的影響Fig. 5 Influence of cavity wall thickness on bending characteristics

2.2 氣囊個數(shù)對驅(qū)動手指彎曲特性的影響

分別對氣囊個數(shù)為8，10和12個的驅(qū)動手指進行仿真分析，其中腔體壁厚為2.5 mm，氣囊間隙為3 mm，其厚度為2.5 mm。

氣囊個數(shù)對驅(qū)動手指彎曲特性影響的仿真結(jié)果見圖6，可見氣囊個數(shù)對驅(qū)動手指彎曲特性影響不大，軟體機械手實際使用時可根據(jù)被抓取物體的大小，選擇合適的氣囊個數(shù)，改變驅(qū)動手指的長度，達到對物體的穩(wěn)定抓取。

圖6 氣囊個數(shù)對驅(qū)動手指彎曲特性的影響Fig. 6 Influence of the number of air bags on the bending characteristics

2.3 氣囊間隙對驅(qū)動手指彎曲特性的影響

分別對氣囊間隙為1，3和5 mm的驅(qū)動手指進行仿真分析，其中腔體壁厚為2.5 mm，氣囊個數(shù)為8個，限制層厚度為2.5 mm。

氣囊間隙對驅(qū)動手指彎曲特性影響的仿真結(jié)果見圖7。當間隙為1 mm時，氣壓高于30 kPa時，由于氣囊間隙較小，相鄰氣囊間變形發(fā)生干擾，且限制層的變形較大，導致彎曲角度變化較小；當間隙為5 mm，氣壓在20～50 kPa時，彎曲角度基本不變，氣壓大于50 kPa后，由氣囊間隙太大，應變層無法限制其徑向膨脹，導致驅(qū)動手指失效。故本研究采用間隙為3 mm的驅(qū)動手指結(jié)構(gòu)。

圖7 氣囊間隙對驅(qū)動手指彎曲特性的影響Fig. 7 Influence of airbag clearance on bending characteristics

2.4 限制層厚度對驅(qū)動手指彎曲特性的影響

分別對限制層厚度為1.5，2.0，2.5和3.0 mm的驅(qū)動手指進行仿真分析。其中腔體壁厚為2.5 mm，氣囊個數(shù)為8個，氣囊間隙為3 mm。

限制層厚度對驅(qū)動手指彎曲特性的影響見圖8。同一氣壓上，限制層壁厚越大，彎曲角度越小。當限制層厚度為1.5 mm，氣壓超過50 kPa時，由于限制層厚度太薄，限制層一側(cè)變形較大，徑向膨脹無法限制，最終導致驅(qū)動手指失效，彎曲角度不再變化。

圖8 限制層厚度對驅(qū)動手指彎曲特性影響Fig. 8 Influence of limiting layer thickness on bending characteristics

通過上述對驅(qū)動手指各參數(shù)的有限元分析，其結(jié)構(gòu)參數(shù)既要滿足驅(qū)動手指能夠達到一定彎曲角度，也要避免由于徑向膨脹等原因造成驅(qū)動手指失效，故得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：腔體壁厚為2.5 mm，氣囊個數(shù)為8個，氣囊間隙為3 mm，限制層厚度為2.5 mm。

3 軟體采摘機械手試驗分析

3.1 軟體采摘機械手彎曲特性試驗

軟體采摘機械手試驗平臺如圖9所示，利用Stm32單片機與Labview通訊，實時獲取比例閥的輸出氣壓大小。繼電器模塊控制電磁閥的通斷，控制氣體的流向；DAC模塊進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換控制輸出模擬電壓的大小，決定比例閥的開合大小，調(diào)節(jié)氣壓的大小。

1. Labview上位機；2. 繼電器模塊；3. 三極管放大電路；4. Stm32單片機；5. 比例閥；6. 直流電源；7. 真空發(fā)生器；8. 電磁閥；9. 驅(qū)動手指。圖9 試驗現(xiàn)場Fig. 9 Experimental site

當真空發(fā)生器工作時，驅(qū)動手指內(nèi)部產(chǎn)生負壓，向外側(cè)彎曲；當比例閥工作時，驅(qū)動手指根據(jù)輸入氣壓的大小，向內(nèi)彎曲相應的角度。為了驗證仿真結(jié)果的準確性，利用比例閥控制輸入氣壓的大小，在網(wǎng)格上繪制出不同氣壓下驅(qū)動手指的彎曲圖，如圖10a所示。

圖10 軟體采摘機械手彎曲特性試驗Fig. 10 Bending characteristic test of soft picking manipulator

試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比曲線見圖10b。可以得到有限元仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，能夠準確反映驅(qū)動手指的彎曲特性，但當氣壓為10 kPa時，誤差較大，分析原因可能是：1)剛開始充氣時，氣壓輸出不太穩(wěn)定，驅(qū)動手指無法保持在穩(wěn)定狀態(tài)導致的測量誤差；2)有限元仿真中本構(gòu)模型的材料參數(shù)與實際參數(shù)存在一定誤差。

3.2 軟體采摘機械手末端輸出力試驗

軟體采摘機械手末端輸出力的大小決定著其負載能力，設計了如圖11所示的試驗裝置對其進行測量。

圖11 驅(qū)動手指末端輸出力試驗Fig. 11 Output force experiment at the end of driving finger

利用推拉力計分別在彎曲角度為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°對不同氣壓作用下的驅(qū)動手指輸出力進行測量。由于驅(qū)動手指的末端輸出力與抓取物體表面垂直，應保證推拉力計與末端所在平面垂直。試驗結(jié)果如表1所示，在驅(qū)動手指彎曲過程中，末端輸出力隨著彎曲角度的增大而減小，當彎曲到最大角度時，末端輸出力為0；并且在相同彎曲角度下，充氣壓力越大，末端輸出力越大。

表1 驅(qū)動手指末端輸出力Table 1 Output force at the end of the drive finger

可見當軟體采摘機械手抓取物體時，應該根據(jù)抓取物體的大小和抓取力的大小來選擇適當?shù)臍鈮骸?/p>

3.3 軟體采摘機械手抓取試驗

利用如圖12所示的機械臂與軟體采摘機械手連接，方便進行抓取試驗。當抓取較大物體時，可先采用真空發(fā)生器產(chǎn)生負壓，使各個驅(qū)動手指向外側(cè)彎曲(圖12a)，以適應抓取物體的大小，待機械臂到達抓取位置時，切換比例閥工作，使驅(qū)動手指向內(nèi)彎曲，抓取物體。抓取可分為包絡抓取和指尖抓取[15]，針對這兩種抓取方式進行分析。

圖12 軟體采摘機械手抓取實驗Fig. 12 Soft picking manipulator grasping experiment

首先對包絡抓取進行分析。由于包絡抓取是將整個物體包裹住，與物體接觸面積大，通過彎矩產(chǎn)生較大的抓取力，適用于體積較大的物體，故選用蘋果、梨、西紅柿和芒果進行抓取，如圖12b所示。可以看出軟體采摘機械手可以很好地貼合物體表面，實現(xiàn)穩(wěn)定抓取，且抓取物表面無損壞。

各水果的質(zhì)量及驅(qū)動氣壓如表2所示。隨著抓取物體質(zhì)量的增加，所需的驅(qū)動氣壓也增大。當抓取芒果時，驅(qū)動氣壓達到最大，可見軟體采摘機械手包絡抓取的最大負載約為5.8 N。

表2 抓取物體質(zhì)量及驅(qū)動氣壓Table 2 Grasping object mass and driving air pressure

然后對指尖抓取進行分析。指尖抓取是通過驅(qū)動手指的指尖與物體接觸，接觸面積較小，末端輸出力無法提供較大的抓取力，主要針對體積較小的物體，故選用圣女果作為抓取對象，質(zhì)量為15.3 g，在驅(qū)動氣壓為10 kPa時，即可實現(xiàn)抓取，如圖12c所示。指尖抓取雖然可以實現(xiàn)對體積較小物體的無損抓取，但抓取的穩(wěn)定性不足，容易造成抓取物體的脫落。造成這種現(xiàn)象的主要原因是驅(qū)動手指剛度太小，可以通過減小其長度或者添加變剛度結(jié)構(gòu)來提高剛度。

對比上述兩種抓取方式，包絡抓取自動適應物體的形狀和大小，能夠?qū)崿F(xiàn)對體積較大物體的抓取；指尖抓取可以對體積較小的物體進行抓取，但抓取的抗干擾能力較弱，通過適當提高其剛度以達到穩(wěn)定抓取。可以根據(jù)不同的工作環(huán)境和抓取對象選擇合適的抓取類型，對水果進行無損抓取。

4 結(jié) 論

基于軟體機器人的工作原理，提出了一種用于水果無損抓取的軟體采摘機械手，利用3D打印技術(shù)制作的模具，制備出驅(qū)動手指，并通過法蘭盤將4個驅(qū)動手指裝配成軟體采摘機械手。為了分析驅(qū)動手指的結(jié)構(gòu)參數(shù)對彎曲特性的影響，采用ABAQUS有限元分析對各個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，優(yōu)化了驅(qū)動手指的結(jié)構(gòu)參數(shù)。搭建試驗平臺，在0～60 kPa驅(qū)動氣壓作用下，通過彎曲特性試驗驗證了有限元仿真的準確性，通過末端輸出力試驗得到彎曲角度與末端輸出力的關(guān)系，最后對包絡抓取和指尖抓取兩種抓取方式進行對比分析，得出軟體采摘機械手的最大輸出力大約為5.8 N。