面向無損采摘的腔室化氣動柔性驅動器研制

李健，閆杰，黃美珍，王揚威

(東北林業大學 機電工程學院 ，哈爾濱 150040)

0 引言

蔬菜水果蛋白質和脂類含量低，而人體必需的無機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。中國是一個農業大國，水果產量和消費量巨大，目前果蔬的種植面積仍呈波動性增加趨勢[3-4]。在果蔬生產銷售的全產業鏈環節中，果蔬采摘無疑是最耗時、費力的一個環節，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。果蔬的生長環境復雜多樣，且形狀復雜多變，容易在采摘過程中受到傷害，導致出現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械手和驅動器，對于解放勞動力、提高生產效率以及保證果蔬品質等具有重要意義。由于果蔬采摘環境的特殊性，驅動器需要一定的適應性，能夠盡可能地避免周圍環境以及驅動器本體對果蔬造成破壞傷害，且能夠較好地應對采摘對象的質地脆弱易傷特性，具有較好的包裹性。除此之外，驅動器和采摘機械手的結構應簡單可靠，可控性好，價格合理，能夠大面積推廣及應用[6-10]。

針對果蔬采摘的特點，國內外學者對果蔬采摘機械手進行了大量的研究，研制出許多果蔬采摘裝置。傳統的果蔬采摘機械手存在動作僵硬、環境適應性差、采摘專一性高、效率低、損壞率高、裝置復雜和造價昂貴等缺陷，無法適應對于易損果蔬的采摘，不能實現真正的商業化推廣應用，缺少實用價值。與剛性機械手相比，軟體機械手具有高度的靈活性、柔韌性和通用性，因此采用軟體機械手作為果蔬采摘裝置的末端執行器可以最大程度地適應易損果蔬的采摘要求。軟體手的設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，可在較大范圍內根據目標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現與被抓取物體的形態匹配，并最終實現穩定的抓取動作[11-14]。以氣壓和線纜作為驅動，德國festo和北京航空航天大學合作研制了象鼻、章魚觸手和氣動肌肉等[15]。美國哈佛大學Whiteside課題組以彈性硅膠作為材料，結合3D打印技術，設計制造了以氣動網格為執行器的軟體手，具有承壓小、變形大、運動靈活、能夠與環境實現互容等特點。有關研究提出一種新的4D打印技術可使軟體手根據被抓物體形狀尺寸調整其有效長度。智能材料的運用，能夠實現將物理刺激轉化為位移，如介電彈性體、導電聚合物、相形狀記憶合金和形狀聚合物等在軟體機器人上的應用，使其具有廣闊的發展前景和應用價值[16-21]。因此，結合軟體機械手和驅動器的優點，綜合改進果蔬的栽植方式，軟體機械手和驅動器在無損采摘領域和提高采摘效率方面將會發揮巨大的作用。

1 捕蠅草啟發的腔室化驅動器結構設計

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，當捕蠅草一定時間間隔內受到昆蟲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，黏液可以黏住昆蟲，防止昆蟲逃脫。隨后昆蟲會被消化吸收，吸收的養分用來維持捕蠅草的自身生長。捕蠅草葉片經過透明化處理后得到捕蠅葉片的葉脈和微觀結構，如圖1所示。捕蠅草的葉脈結構具有明顯的層次特征，軸向葉脈呈扇形規則分布，徑向葉脈將葉片劃分為不同大小的細胞腔室，形成一個網狀結構。葉片的細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出一條橢圓曲線。葉片在不閉合時呈現外凸狀態，在閉合時呈現內凹狀態。

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

很多植物的運動都是依靠膨壓驅動，即細胞內的水對細胞壁的壓力驅動。同樣，在捕蠅草葉片感觸運動的初始階段，葉片在細胞膨壓驅動下進行運動。離子的運動引起水在細胞和組織間的輸送，進而導致細胞的膨脹和壓縮，在呈現一定排列規律的細胞群的變形累積下，整體葉片發生緩慢運動和剛度的變化。捕蠅草的葉片運動是最震撼的快速感觸運動，速度在毫秒量級，其運動的一般過程為：捕蠅草葉片初始狀態為向外側彎曲，當內側觸發絨毛感受到機械刺激后，電信號會引起組織內離子的定向運動，形成化學勢差，并引起水的流動，在水壓的作用下引起細胞壁的緩慢變形，并存儲了彈性勢能，葉片的曲率逐漸變平；當水壓到達一個臨界閾值時，在幾何約束的作用下，本體彈性勢能突然釋放并轉換成動能，葉片快速屈曲，實現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，持續的壓力供給使得葉片保持在向內彎曲的狀態。

捕蠅草啟發的驅動器結構設計，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行三維掃描獲得捕蠅草的葉片點云數據，然后對葉片的點云數據進行數據處理和篩選得到捕蠅草葉片優質的點云數據。根據點云數據對捕蠅草葉片進行逆向建模，從而得到捕蠅草的三維葉片模型。提取捕蠅草葉片表面，同時對葉片表面進行關鍵尺寸測量，得到捕蠅草葉片的二維尺寸參數，最終對參數進行適當的調整得到捕蠅草葉片的二維模型參數。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進行5倍放大，得到捕蠅草葉片放大后的模型，如圖2(b)所示。

受捕蠅草啟發的氣動柔性驅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構的不對稱性實現腔室的彎曲變形。通過對氣動柔性驅動器的變形層腔室進行設計規則的制定，從而得到具有一定規則的腔室設計方案。圖2(c)為氣動柔性驅動器腔室的設計規則。黑色粗實線為氣動柔性驅動器的邊界曲線，藍色實線為氣動柔性驅動器的內邊界曲線，黑色虛線為無效網格線，綠色虛線為有效網格線，綠色實線為有效腔室外邊界，黑色細實線為腔室內邊界線，紅色點劃線為中心線，藍色實線為角度線。具體規則如下。

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

(a)捕蠅草葉片

(2)通過對氣動柔性驅動器的整體結構和腔室設計規則的確定，制作了驅動器并進行彎曲變形預實驗。根據驅動器的預實驗結果確定驅動器的關鍵尺寸參數：限制層的厚度設置為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°。通過三維實體建模軟件建立氣動柔性驅動器的實體模型，為后續的仿真以及實驗提供結構和模型基礎。

2 氣動柔性驅動器的仿真分析與流道設計

2.1 氣動柔性驅動器的仿真分析

為了使氣動柔性驅動器在實現抓取以及面向無損采摘時能夠產生較好的效果，驅動器需要實現多個維度的屈曲變形，呈現包裹狀態，且具有一定的剛度，從而達到完全封閉的抓取采摘效果。

對腔室化設計的氣動柔性驅動器結構進行仿真分析，采用硅橡膠作為驅動器的基體材料，對硅橡膠進行配比實驗、拉伸實驗、硬度實驗，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，結合硅橡膠的本構模型和理論基礎確定仿真分析的材料參數。基于超彈性材料的非線性力學理論模型(yeoh模型)，運用Abaqus有限元分析軟件對驅動器進行仿真分析研究。

在Abaqus中對氣動柔性驅動器進行有限元仿真分析，流體設置為空氣，驅動氣壓設置為0.3 kPa，仿真步時為6 s。根據仿真分析結果觀察驅動器的變形情況，圖3為驅動器的變形情況示意圖。仿真的響應指標是2個維度的彎曲角度以及變形協調性，2個維度上的彎曲變形情況會影響驅動器的彎曲性能以及驅動器的包裹性。通過仿真結果不難看出，氣動柔性驅動器可以發生2個維度變形，呈包裹狀態，與真實捕蠅草的變形和捕捉狀態相比，具有較高的一致性，達到了較好的仿生設計效果，在實現抓取和無損采摘方面，呈現出較好的性能表現。

圖3 驅動器的變形仿真結果分析Fig.3 Analysis of deformation simulation results of driver

2.2 氣動柔性驅動器的流道設計及優化分析

通過對腔室化設計的氣動柔性驅動器進行仿真分析，驗證了結構彎曲變形的可行性。在此基礎上，對氣動柔性驅動器進行基于腔室化的流道設計，通過改變驅動器內部的流道設計方案，研究最佳的流道路徑和驅動器腔室布局。流道設計方案的改變會直接影響到驅動器本體的孔隙率和腔室占比，驅動器的孔隙率和腔室占比越大，驅動器結構的抵抗變形能力隨之降低，驅動器整體的彎曲變形情況也會發生改變。優化驅動器內部的流道設計，使其不僅能夠達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能力。

驅動器流道設計仿真如圖4所示，流道方案1為在上述腔室設計規則下的腔室布局，全部腔室在氣壓激勵下發生變形，此時驅動器在X-Y面內的彎曲角度為38.11°，X-Z面內彎曲角度為24.46°。在此基礎上對其進行流道設計，由圖4可知，驅動器在X-Y面內的最大彎曲角度為58.96°，發生在方案5的流道設計中，此時驅動器在X-Z面內的彎曲角度為32°。驅動器在X-Z面內的最大彎曲角度為33.18°，發生在方案2的流道設計中，此時驅動器在X-Y面內的彎曲角度為41.04°。綜合考慮2個方向上的彎曲情況以及變形協調性，選擇流道設計方案5進行驅動器性能實驗和可行性實驗。

圖4 驅動器流道設計仿真Fig.4 Flow channel design and simulation of driver

不同流道設計方案與彎曲角度之間的關系如圖5所示，通過對仿真數據的分析可得，隨著氣腔占比和氣腔孔隙率的升高，氣動柔性驅動器在X-Z面內的彎曲角度呈現不規則波動，流道的設計方案對于2個方向的彎曲有著至關重要的影響，在不同腔室耦合變形結果下，氣動柔性驅動器可以發生較大的彎曲變形。

圖5 流道設計方案與彎曲角度之間的關系Fig.5 Flow design scheme and the relationship between the bending angle

3 氣動柔性驅動器的性能測試與對比分析

3.1 氣動柔性驅動器的制作與實驗測試平臺搭建

通過對氣動柔性驅動器進行腔室設計和流道設計，在驅動器仿真結果的指導下，得到了最佳的流道設計方案。氣動柔性驅動器的制作，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動器。由圖6可知，氣動柔性驅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，通過模具運用硅膠填充澆注；對于限制層，在氣動柔性驅動器底面鋪設編織網，用硅膠填充澆注。再對兩者進行復合澆注，使兩者能夠完整黏合在一起，從而完成氣動柔性驅動器的制作。

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

氣動柔性驅動器的實驗測試平臺如圖7所示，實驗臺主要設備有：電源、氣泵、PWM驅動板、外置電位器調速器、氣閥和泵管。通過氣泵和氣閥為氣動柔性驅動器提供穩定的氣壓激勵，通過PWM驅動板和外置電位器調速器調節氣泵電機，實現對氣泵流量和流速的調節，從而探索氣動柔性驅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時間的變化情況。

圖7 氣動柔性驅動器的實驗測試平臺Fig.7 Experimental test platform for pneumatic flexible driver

3.2 測試與對比

氣動柔性驅動器采用氣體驅動方式，以硅膠作為本體材料，驅動硅膠發生變形，可以重復使用。對氣動柔性驅動器進行彎曲實驗，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，氣動柔性驅動器能夠在3 s內達到穩態。在2個維度上對氣動柔性驅動器的仿真與實驗結果進行了對比，如圖9所示。通過實驗發現，采用腔室化設計的氣動柔性驅動器能夠發生2個維度的彎曲變形。氣壓為0.3 kPa時，氣動柔性驅動器X-Y面內的彎曲角度為48.9°，相較于仿真結果，誤差為6°；X-Z面內彎曲角度為24.18°，相較于仿真結果，誤差為2.62°。

圖8 氣動柔性驅動器彎曲實驗Fig.8 Bending experiments of the pneumatic flexible driver

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

氣動柔性驅動器的彎曲角度隨氣壓的增高而增大，且與仿真結果誤差較小，進一步驗證了仿真結果的可靠性。受氣泵功率限制，氣泵最大僅能提供0.35 kPa的氣壓，因此可預見，隨著氣壓增大，氣動柔性驅動器的彎曲角度也會繼續增大，直至氣動柔性驅動器腔室破裂。

氣動柔性驅動器響應時間與流量的關系如圖10所示。通過調節氣壓閥門使其氣壓值為0.3 kPa，通過PWM驅動板和外置電位器調速器調節氣泵電機，從而實現對氣泵流量在0～4 L/min調節，研究氣泵流量與氣動柔性驅動器的響應時間之間的關系。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，且具有正相關關系。實驗表明，隨著氣泵流量/流速的增加，氣動柔性驅動器的響應時間呈現遞減趨勢，當流量為3 L/min時，葉片能夠在3 s內完成變形，達到穩態。

圖10 氣動柔性驅動器響應時間與流量的關系Fig.10 Relationship between response time and traffic of the pneumatic flexible driver

4 氣動柔性驅動器的抓取與無損采摘實驗

4.1 氣動柔性驅動器的抓取實驗

通過氣泵和氣閥為氣動柔性驅動器提供穩定的氣壓激勵，如圖11所示。將氣動柔性驅動器通過夾具以一定的夾角固定，本實驗中兩驅動器的夾角設置為80°。當氣源打開時，驅動器在氣壓激勵下迅速變形，驅動氣壓為0.3 kPa，彎曲變形能夠在3 s內完成，然后驅動器末端開始接觸。在實驗中，通過對不同物體進行抓取，觀察其抓取效果。

圖11 氣動柔性驅動器抓取實驗Fig.11 Grab experiment of the pneumatic flexible driver

對正四棱錐、正方體、長方體、球體進行抓取，驅動器發生2個維度的耦合彎曲變形，在X-Y面內，驅動器能夠很好地貼合以及包裹抓取物；在X-Z面內，驅動器對于小物體實現全包裹，且貼合度良好。通過對正四棱錐、正方體、長方體、球體進行抓取，氣動柔性驅動器能夠完成對于規則物體不同形狀的自適應抓取，并能夠對抓取物實現包裹或者半包裹式抓取，且抓取牢固。在對不規則物體，例如核桃和小玩偶的抓取過程中，基于腔室化設計的氣動柔性驅動器，能夠很好地完成抓取，對不規則物體實現包裹式與半包裹式自適應抓取。氣動柔性驅動器能夠在3 s內完成對于目標物體的抓取，在關閉氣壓激勵時，驅動器能夠在室溫下快速恢復至初始狀態，能夠在短時間內實現精準抓取任務，具有良好的抓取性能。驅動器的響應時間以及抓取周期可以根據抓取任務進行有針對性地設置和調整，從而適應不同的抓取任務。受限于氣動柔性驅動的結構尺寸，驅動器在實現包裹式抓取時，對于抓取目標具有一定的尺寸要求。通過改變氣動柔性驅動的結構尺寸能夠實現對于不同尺寸大小的物體包裹式抓取和半包裹式自適應抓取。

4.2 氣動柔性驅動器的無損采摘實驗

對草莓以及花生柿子進行抓取實驗，如圖12所示。實驗選取草莓的小果和大果進行采摘實驗，小果草莓直徑為45 mm，質量約25 g；大果草莓直徑為55 mm，質量約42 g。氣動柔性驅動器在氣壓激勵下，發生彎曲變形，對草莓進行抓取。對于小果草莓，驅動器能夠實現2個維度的包裹式自適應抓取，對于大果能夠實現2個維度的半包裹式自適應抓取，且抓取牢固，抓取效果良好。通過調節氣泵可以實現對于驅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現對于抓取力的精確調控，從而實現對于不同成熟度草莓的無損采摘。

圖12 氣動柔性驅動器采摘實驗Fig.12 Picking experiment of the pneumatic flexible driver

在對花生柿子進行抓取采摘時，同樣選取小果和大果，小果花生柿子的直徑為25 mm，質量約20 g；大果花生柿子直徑為35 mm，質量約35 g。氣動柔性驅動器在氣壓激勵下，發生彎曲變形，對花生柿子進行抓取。對于花生柿子，驅動器能夠實現2個維度的包裹式自適應抓取，且抓取牢固，抓取效果良好。

5 結論

本研究提出并設計了一種面向無損采摘的腔室化設計驅動器，在捕蠅草葉片的啟發下，對驅動器進行腔室化設計，制定了腔室設計規則；在此基礎上對驅動器進行了仿真分析以及流道設計仿真分析，研究探索了流道設計思路和方案；對驅動器進行了性能測試和對比分析，驗證了結構設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，驅動器能夠在3 s內完成2個維度的彎曲變形，在X-Y面內的彎曲角度為48.9°，X-Z面內彎曲角度為24.18°，與仿真結果具有較高的一致性。最后，完成了氣動柔性驅動器的抓取實驗和無損采摘實驗，氣動柔性驅動器能夠完成對于不同形狀大小的物體自適應抓取和對采摘物體的無損采摘，能夠對抓取物實現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行了設計以及性能分析，氣動柔性驅動器作為末端執行器，結合機械臂以及其他作業平臺可以適應不同工作的需要完成不同的任務，下一步將對驅動器結合草莓采摘平臺，輔助以相應裝置，實現對草莓的定位、采摘和收集等功能，為驅動器的進一步應用和無損采摘研究應用提供參考價值和研究思路。