氣動軟體采摘機械手設計及實驗研究

李三平，孫騰佳，袁龍強，吳立國,2

（1.東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040；2.國家林業和草原局哈爾濱林業機械研究所，黑龍江哈爾濱 150086）

水果、蔬菜在人們日常消費中占很大比例，其種植面積逐年增加，單靠人力采摘已無法滿足人們的消費需求，亟須實現自動化采摘。在自動化采摘中，采摘機械手是農業采摘機器人的重要組成部分[1-2]。但是，傳統的剛性采摘機械手具有體積大、交互性弱、環境適應性差及對果蔬損傷大等缺點[3-4]，導致其在農業采摘中的應用受到限制。近年來，隨著柔性制造技術的發展，由柔性材料制成的軟體機械手脫穎而出，受到了國內外研究人員和機構的廣泛關注[5-9]。軟體機械手靈活性高，柔順性強，人機交互安全性高[10]，且在復雜的采摘環境中能完成多姿態轉換[11-13]，可實現對水果、蔬菜的無損采摘[14-15]，故其在果蔬采摘方面的發展潛力巨大[16]。近年來，國內外學者對軟體機械手的研究取得了很大的進展。日本京都大學的Kondo等[17]研制了一種末端執行器，其一次可收獲單個番茄果實或一個番茄簇。美國羅德島大學的Galloway等[18]研發了一種軟體機械手，可實現對水下底棲動物的無損采樣。Wang等[19]采用3D打印技術制作了三指軟體機械手，可實現對柔軟食物的抓取。東北林業大學的李健等[20]研制了一種面向草莓抓取的氣動四葉片軟體抓手，其以草莓的外部輪廓曲線為設計原理并采用氣壓驅動，抓取成功率達90%。北華大學的趙云偉等[21]研制了一種氣動柔性果蔬采摘機械手，可實現對球形和圓柱形果蔬的自動化采摘。南京林業大學的華超等[22]研制了一種軟體水果采摘機械手，可實現對蘋果、西紅柿等的無損穩定抓取。

沙果又名花紅，其性平，味甘酸，富含多種維生素、微量元素以及人體所需的蛋白質、脂肪、碳水化合物等，具有祛風濕、止咳平喘的功效，深受廣大消費者的喜愛[23]。但是，目前沙果采摘仍未實現自動化，造成了人力資源的浪費。基于此，筆者擬設計一種面向沙果采摘的氣動軟體采摘機械手。首先，通過構建計算模型來確定采摘機械手軟體手指的彎曲角度。然后，通過比較不同型號硅膠澆注的軟體手指的軟硬度來確定其材料；同時，通過ABAQUS軟件對不同結構的軟體手指進行有限元仿真分析，以確定較優的結構。接著，通過開展單根軟體手指的充氣彎曲實驗、末端輸出力測定實驗以及三指抓取實驗，以驗證有限元仿真結果的準確性以及軟體手指結構的合理性。最后，制作氣動軟體采摘機械手，并用其分別對沙果及其他水果進行采摘實驗，以驗證所設計采摘機械手對沙果采摘的可行性以及對其他相似水果采摘的通用性。

1 氣動軟體采摘機械手總體結構設計

如圖1所示，沙果的果實是單個或多個成串生長的。若逐個采摘沙果，則會造成相鄰果實脫落，因此必須采用整串采摘方式。根據沙果果實的生長特點和采摘要求，結合柔性材料柔軟性好和剛性材料硬度大的優點，設計了一種面向沙果采摘的氣動軟體采摘機械手，其結構如圖2所示。該采摘機械手由法蘭盤、剛性骨架、薄片剛體、6根軟體手指和可伸縮輸送管組成，采用六指包裹式采摘形式。其中：軟體手指采用柔性材料，骨架及薄片采用剛性材料。

圖1 沙果樹實物圖Fig.1 Physical picture of crabapple tree

圖2 氣動軟體采摘機械手結構示意Fig.2 Structure diagram of pneumatic soft picking manipulator

由于沙果的采摘環境較為復雜，沙果樹的枝椏會阻擋采摘機械手的運動，故將其形狀設計為上小下大并通過法蘭盤與機械臂連接，以便運動。所設計采摘機械手的軟體手指與剛性骨架通過法蘭盤連接在一起且均可拆卸，當軟體手指破損時，可及時更換，既避免了資源浪費，又節省了制造時間；剛性骨架通過鉚釘與薄片剛體相連。在采摘時，首先，利用氣壓驅動6根軟體手指包裹住沙果，防止沙果掉落以及保護沙果；然后，利用機械臂帶動采摘機械手向上運動，由剛性骨架前端的刀具切斷果梗，完成采摘；最后，由安裝在薄片剛體下方的可伸縮輸送管將采摘的沙果輸送到集裝箱內，以節省采摘時間。

2 軟體手指彎曲角度確定

軟體手指彎曲角度是決定氣動軟體采摘機械手能否完成采摘的重要因素之一。若彎曲角度小，則軟體手指無法完全包裹住沙果，將無法完成采摘。為此，選取市面上常見的龍豐果（沙果品種之一）作為實驗對象，用于確定軟體手指的最小彎曲角度。

由沙果樹的結果形式可知，一串沙果一般有1～6個果實。將龍豐果隨機分為4組，每組均包含果實數量為1～6個的成串龍豐果。利用游標卡尺分別測量4組龍豐果的直徑，結果如表1所示。

表1 各組龍豐果的直徑Table 1 Diameter of Longfeng fruit in each group單位：mm

若要使所設計的氣動軟體采摘機械手滿足對所有沙果果實的采摘要求，則果實的尺寸差應取最大。由表1中的數據可知，對稱的2根軟體手指在彎曲前的距離應大于最大值L1=124.5 mm，彎曲后的距離小于最小值L2=41.5 mm。由此可得，軟體手指的包裹尺寸L必須滿足L≤L1-L2。

為了確定單根軟體手指在滿足采摘要求時需要達到的彎曲角度，建立如圖3所示的彎曲角度計算模型。圖中：BD、AC表示彎曲前的軟體手指，B′D、A′C表示彎曲后的軟體手指；為剛性骨架。取剛性骨架的圓周角α=120°，半徑rCO=60 mm；軟體手指長度LBD=LAC=100 mm；彎曲前軟體手指AC、BD末端的距離LAB=140 mm，彎曲后軟體手指B′D在彎曲前軟體手指BD上的映射長度LDG=60 mm。

圖3 軟體手指彎曲角度計算模型Fig.3 Calculation model of bending angle of soft finger

基于圖3可得，軟體手指的彎曲角度θ為：

其中：

式中：L為各線段的長度；γ、β分別為彎曲前、后軟體手指BD、B′D與線段DF的夾角。

將各參數的值代入式(1)，可得θ=45.91°。由此可知，當軟體手指的彎曲角度大于45.91°時，氣動軟體采摘機械手才能滿足對沙果的采摘要求。

3 軟體手指材料與結構確定

為確定軟體手指的材料，通過萬能拉力試驗機獲取HY-E610、HY-E620、HY-E630這3種型號硅膠的應力—應變曲線，并基于這3種硅膠的性能參數對結構相同的軟體手指進行ABAQUS有限元仿真分析，同時利用相同模具澆注的軟體手指進行充氣彎曲實驗。為得到合適的軟體手指結構，設計了4種不同的結構，并對不同結構軟體手指的彎曲性能進行ABAQUS有限元仿真分析。

3.1 軟體手指材料確定

材料性能參數是衡量材料性質的重要依據。為了得到材料的性能參數，需要建立其本構模型。通常情況下，硅橡膠材料的本構模型是基于其應力—應變關系與唯象理論建立的。目前，常用的硅橡膠材料本構模型有Neo-Hookean、Ogden、Mooney-Rivlin、Yeoh、Arruda-Boyce、Blatz-Ko、Saint-Venant-Kirchhoff等多種[24]。其中，基于Yeoh模型擬合得到的材料在100%變形內具有較好的適應性，故在分析硅橡膠變形問題時優先選用該本構模型[25]。

Yeoh模型采用內部應變能來表征硅膠材料的力學性質，主要是描述硅膠在拉伸形變時內部儲存的彈性勢能。一般情況下，能量密度函數W可用變形張量的3個不變量I1、I2、I3（無量綱）表示[26]：

其中：

式中：λ1、λ2、λ3為各方向上的主伸長比，無量綱。

由硅膠的不可壓縮性可知：

在采用Yeoh模型表征硅膠材料的特征時，其應變能量密度函數可表示為：

式中：Ci0和Dk為待定系數；J為彈性體積比，將硅膠視作不可壓縮材料時，J=1。

對于硅膠，通常采用二項參數形式的應變能量密度函數，即：

對式(2)求偏導，得到3個方向上主應力τi與主伸長比λi的關系：

待定系數C10和C20可通過拉伸實驗測定。對于不可壓縮的硅膠，單軸拉伸與雙軸拉伸等價。本文采用單軸拉伸，此時τ2=τ3=0，則有：

聯立式(7)和式(8)，推導得到硅膠的主應力τ1與主伸長比λ1的關系：

適合抓取的軟體手指既需要有足夠的硬度以保持穩定，又需要在充氣時容易彎曲變形。選用深圳市紅葉杰科技有限公司生產的型號為HY-E610、HY-E620、HY-E630的3種硅膠作為軟體手指的備選材料（型號的末尾兩位表示硅膠度數，每種型號的硅膠均由該型號的A、B兩組硅膠1∶1混合而成）。為了得到這3種硅膠的性能參數，利用萬能拉力試驗機開展單軸拉伸實驗，以得到其應力—應變擬合曲線，結果如圖4所示。

圖4 3種硅膠的應力—應變擬合曲線Fig.4 Stress-strain fitting curves of three kinds of silicone

為了選擇合適的硅膠，分別將上述3種硅膠的應力—應變數據導入ABAQUS軟件并進行仿真分析。同時，基于3D打印技術，分別用3種硅膠澆注軟體手指（見圖5）并開展充氣彎曲實驗。通過分析發現，隨著硅膠度數的增大，軟體手指的硬度越大，充氣加壓時越不容易彎曲。對于HY-E610型硅膠軟體手指，雖然其在充氣加壓時彎曲變形大，但硬度不夠，且在未充氣時就已經彎曲變形。對于HY-E630型硅膠軟體手指，其硬度較大，但充氣加壓時彎曲變形較小。由此可知，采用這2種型號的硅膠作為軟體手指的材料顯然不合理。而HY-E620型硅膠軟體手指的硬度適中，且充氣加壓時具有較大的彎曲變形，符合氣動軟體采摘機械手的性能要求，故本文選擇該型號硅膠作為軟體手指的原材料。

圖5 3種硅膠澆注的軟體手指Fig.5 Soft fingers poured by three kinds of silicone

3.2 軟體手指結構確定

為了研究結構對軟體手指彎曲性能的影響，設計了4種不同的結構；為了研究氣道大小和形狀對軟體手指彎曲性能的影響，基于選定的結構，分別設計了3種氣道大小和形狀（其余結構尺寸均相同）。

3.2.1 結構對彎曲性能的影響

軟體手指由限制層和應變層組成，對彎曲性能產生影響的主要為應變層。本文所設計的4種軟體手指的應變層結構（各參數的取值如表2所示）如圖6所示。4種軟體手指的限制層結構相同，均為長113 mm、寬18 mm、高3 mm的長方體。

圖6 4種軟體手指的應變層結構示意Fig.6 Schematic diagram of strain layer structure of four kinds of soft fingers

表2 4種軟體手指的應變層結構參數Table 2 Structural parameters of strain layer of four kinds of soft fingers 單位：mm

在相同條件下，利用ABAQUS軟件對不同驅動氣壓下4種軟體手指的彎曲性能進行有限元仿真分析，結果如圖7所示。需要注意的是，當驅動氣壓小于0.05 MPa時，軟體手指的彎曲變形量很小，為了減少運算量，僅選取0.025 MPa進行分析。從圖7中可以看出，當驅動氣壓為0.025～0.06 MPa時，第1種和第2種軟體手指的彎曲變形量基本相同；當驅動氣壓為0.06～0.09 MPa時，第2種比第1種的彎曲變形量大；當驅動氣壓為0.10 MPa時，第2種的彎曲變形量與驅動氣壓為0.09 MPa時的相差不大，而第1種的彎曲變形量比驅動氣壓為0.09 MPa時的大很多。此外，第2種結構的棱角較多，而棱角處易產生應力集中，這會對軟體手指的彎曲性能造成影響。相較而言，第1種結構比第2種更合適。對于第3種結構，雖然彎曲變形量大，但較軟，不適合作采摘機械手指。對于第4種結構，當驅動氣壓為0.025～0.06 MPa時，其彎曲變形量比其他3種結構大，但當驅動氣壓大于0.06 MPa后，其彎曲變形量隨驅動氣壓增大的變化不大。綜上所述，采用第1種結構制作軟體手指最合適。

圖7 結構對軟體手指彎曲性能的影響Fig.7 Influence of structure on bending performance of soft finger

3.2.2 氣道大小對彎曲性能的影響

為了研究氣道大小對軟體手指彎曲性能的影響，基于圖6(a)所示結構，設計了3種不同尺寸的半圓形氣道，半徑分別為4，6，8 mm。利用ABAQUS軟件對氣道大小不同的3種軟體手指的彎曲性能進行有限元仿真分析，結果如圖8所示。從圖8中可以看出，當驅動氣壓為0.025～0.05 MPa時，3種軟體手指的彎曲變形量幾乎相同。當驅動氣壓為0.05～0.07 MPa時，半圓形氣道半徑為4 mm的軟體手指的彎曲變形量隨驅動氣壓增大的變化不大；半圓形氣道半徑為6，8 mm的彎曲變形量相差不大，但均比半圓形氣道半徑為4 mm的大。當驅動氣壓為0.07～0.09 MPa時，半圓形氣道半徑為8 mm的軟體手指的彎曲變形量大于其他2種，半圓形氣道半徑為4 mm的彎曲變形量隨驅動氣壓的增大先突變后逐漸上升；半圓形氣道半徑為8 mm的彎曲變形量隨驅動氣壓的增大穩定上升。由于彎曲變形突變會縮短軟體手指的使用壽命，且氣道半徑較大會造成限制層與應變層的粘連面積小，而粘連不好易漏氣。綜合考慮，選用半徑為6 mm的半圓形氣道的軟體手指較合適。

圖8 氣道大小對軟體手指彎曲性能的影響Fig.8 Influence of airway size on bending performance of soft finger

3.2.3 氣道形狀對彎曲性能的影響

為了研究氣道形狀對軟體手指彎曲性能的影響，設計了3種不同形狀的氣道（氣道面積不變），分別為半徑為6 mm的半圓形氣道，邊長為3.76 mm的正方形氣道和長度為5.65 mm、寬度為2.50 mm的長方形氣道。利用ABAQUS軟件分別對氣道形狀不同的3種軟體手指的彎曲性能進行有限元仿真分析，結果如圖9所示。從圖9中可以看出，當驅動氣壓為0.025～0.09 MPa時，采用半圓形氣道的軟體手指的彎曲變形量隨驅動氣壓的增大而平緩增大，變形較為均勻；采用正方形和長方形氣道的軟體手指在0.025～0.06 MPa驅動氣壓下的彎曲變形量比采用半圓形氣道的小，但在驅動氣壓為0.06～0.07 MPa時發生了突變（瞬間增大）；當驅動氣壓為0.09～0.10 MPa時，氣道形狀不同的3種軟體手指的彎曲變形量幾乎相同且均發生了突變，發生突變的原因是應力較為集中。彎曲變形突變會縮短軟體手指的使用壽命，且突變時會產生較大的力，可能會導致抓取物脫離。綜合考慮，選用半徑為6 mm的半圓形氣道的軟體手指較為合適。

圖9 氣道形狀對軟體手指彎曲性能的影響Fig.9 Influence of airway shape on bending performance of soft finger

4 氣動軟體采摘機械手實驗研究

首先，為驗證軟體手指的彎曲角度是否滿足要求，基于利用3D打印技術打印的模具澆注軟體手指并開展充氣彎曲實驗，測量其在不同驅動氣壓下的彎曲角度，并與ABAQUS仿真結果進行對比分析，以驗證仿真結果的準確性。然后，利用推拉力計測量不同驅動氣壓下軟體手指末端的輸出力，同時利用3根軟體手指對不同水果進行抓取實驗，以驗證軟體手指結構的合理性。最后，制作氣動軟體采摘機械手，對沙果以及其他相似水果進行采摘實驗，以驗證采摘機械手的通用性。

4.1 軟體手指制備

由于軟體手指結構較為復雜，很難采用機加工方法制作。為此，國內外學者開展了大量研究。目前，常用于軟體手指加工的方法包括軟體平板印刷法、形狀沉積制造技術、失蠟鑄造法和復合材料3D打印技術等。相較而言，對于復雜結構的制造加工，軟體平板印刷法最為簡單。因此，本文選用軟體平板印刷法來制作軟體手指，具體步驟如下。

1）模具設計和打印。先利用UG軟件設計軟體手指模具，再利用3D打印技術打印模具。模具分為限制層和應變層兩個部分。為方便脫模，將應變層模具設計成a、b、c三個小部分，如圖10所示。

圖10 軟體手指模具結構示意Fig.10 Schematic diagram of mold structure of soft ginger

2）硅膠選用與準備。選用深圳市紅葉杰科技有限公司生產的HY-E620型硅膠，將A、B兩組硅膠按1∶1比例混合，用木棒攪拌均勻，并確保不與金屬物質接觸，然后用真空泵抽取攪拌過程中產生的氣泡。

3）硅膠澆注。在限制層模具底部放入與底面大小相同的尼龍紗網，然后將攪拌均勻的硅膠倒入模具，并將其放在溫度為30°左右的環境中靜置。

4）脫模與軟體手指制作。靜置6 h后，將應變層和限制層硅膠從模具中取出，并采用同比例硅膠將兩部分粘合在一起，靜置等待完全凝固，即可得到軟體手指實體。

4.2 軟體手指充氣彎曲實驗

軟體手指充氣彎曲實驗裝置如圖11所示。利用微型正壓泵對澆注的軟體手指充氣，使其內部產生氣壓以驅動自身彎曲。利用氣壓調節閥對驅動氣壓進行調節，分別為0.025，0.05，0.06，0.07，0.08，0.09 MPa，以獲得不同驅動氣壓力下軟體手指的彎曲形態，并利用坐標紙繪制彎曲位置，以測量彎曲角度。為了減小誤差，重復3次實驗并求平均值，結果如表3所示。由表3可知，當驅動氣壓為0.07 MPa時，軟體手指的彎曲角度已大于45.91°，且未遭到損壞，驗證了采用HY-E620型硅膠所制作的軟體手指的彎曲角度滿足要求。

圖11 軟體手指充氣彎曲實驗裝置Fig.11 Inflation bending experiment device for soft finger

表3 軟體手指彎曲角度測量結果Table 3 Measurement results of bending angle of soft fingers單位：（°）

利用ABAQUS軟件對不同驅動氣壓下軟體手指的彎曲形態進行有限元仿真分析，結果如圖12所示。鑒于軟體手指末端采用完全鉸鏈固定，利用“末端端點+指尖”來測量彎曲角度是相對準確的（所測角度θ′減去90°后為軟體手指的彎曲角度θ）。利用ABAQUS軟件中的三點測量角度功能測得驅動氣壓為 0.025，0.05，0.06，0.07，0.08，0.09 MPa時軟體手指的彎曲角度，分別為θ1=14.71°，θ2=29.56°，θ3=50.58°，θ4=69.97°，θ5=83.90°，θ6=105.38°。

圖12 軟體手指彎曲形態仿真結果Fig.12 Simulation results of bending form of soft finger

圖13所示為不同驅動氣壓下軟體手指彎曲角度的仿真與實驗結果對比。由圖可知，仿真結果與實驗結果的變化趨勢相同，驗證了仿真結果的準確性，但具體的彎曲角度值存在一定差異，原因有以下2點：

圖13 軟體手指彎曲角度仿真與實驗結果對比Fig.13 Comparison between simulation and experiment results of bending angle of soft finger

4.3 軟體手指末端輸出力測定實驗

1）實驗獲得的硅膠性能參數與真實的硅膠性能參數存在差異；

2）利用3D打印技術打印的模具表面不光滑，導致澆注的軟體手指表面也不光滑，產生了應力集中。

在驅動氣壓為0.06，0.07，0.08 MPa的條件下，利用圖14所示裝置測量不同彎曲角度（10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°）下軟體手指末端的輸出力。在測量輸出力時，應保證軟體手指末端與推拉力計垂直。每個彎曲角度下測量3次后取平均值，結果如表4所示。

圖14 軟體手指末端輸出力測量裝置Fig.14 Measuring device for end output force of soft finger

表4 軟體手指末端輸出力測量結果Table 4 Measurement results of end output force of soft finger單位：N

由表4可知，在驅動氣壓相等的情況下，隨著彎曲變形量的增大，軟體手指末端的輸出力逐漸減小。當彎曲變形量相等時，隨著驅動氣壓的增大，軟體手指末端的輸出力逐漸增大。

4.4 三指抓取實驗

采用4.1節方法澆注3根軟體手指，并將其固定在亞克力板上，開展三指抓取實驗（指尖抓取和包絡抓取）。首先，運用高精度電子秤對抓取對象進行稱重，稱重結果如表5所示。然后，在驅動氣壓為0.08 MPa的條件下對不同質量的水果進行抓取實驗，結果如圖15所示。結果表明，所設計的軟體手指對圣女果、沙糖橘等體積和質量較小的水果可采取指尖抓取；對蘋果、梨等體積和質量較大的水果可采取包絡抓取。實驗結果驗證了所設計的軟體手指對水果采摘具有有效性。

表5 抓取對象質量Table 5 Weight table of experimental subjects

圖15 三指抓取實驗結果Fig.15 Three-finger grasping experiment results

4.5 氣動軟體采摘機械手采摘實驗

利用試制的六指包裹式氣動軟體采摘機械手對沙果進行采摘，實驗現場如圖16所示。分別對含單個和多個果實的成串沙果進行10次包絡采摘，結果如表6所示。從表6可以看出，在驅動氣壓為0.07，0.08 MPa的條件下，氣動軟體采摘機械手成功采摘沙果的次數差別不大，說明當軟體手指的彎曲角度和輸出力滿足采摘要求時，采摘成功率不會隨著驅動氣壓的增大而增大。但是當驅動氣壓較大時，軟體手指的使用壽命會縮短，且會對沙果造成擠壓破壞。由此可知，選擇合適的驅動氣壓尤為重要。

圖16 氣動軟體采摘機械手采摘沙果實驗現場Fig.16 Experimental site of crabapple picking with pneumatic soft picking manipulator

表6 沙果采摘成功次數Table 6 Number of successful picking for crabapple

從采摘結果可以看出，氣動軟體采摘機械手在采摘含3個及以上果實的成串沙果時，驅動氣壓為0.08 MPa時的采摘成功率達到80%，驗證了該采摘機械手的可行性。造成對含單個及2個果實的成串沙果采摘成功率不高的原因是：該采摘機械手的整體結構較大，軟體手指較長，無法很好地包裹住沙果，從而影響采摘成功率。

圖17所示為利用氣動軟體采摘機械手采摘不同水果的實驗現場，分別對橘子、蘋果、桃和梨等水果各采摘10次，實驗結果如表7所示。由表7可知，在3種驅動氣壓下，氣動軟體采摘機械手對橘子、蘋果、桃和梨等均有很好的采摘效果。由此說明，該采摘機械手可以實現對橘子、蘋果、桃和梨等類球形水果的采摘，具有通用性和普適性。

圖17 氣動軟體采摘機械手采摘其他水果實驗現場Fig.17 Experimental site of other fruits picking with pneumatic soft picking manipulator

表7 不同水果的采摘成功次數Table 7 Number of successful picking for different fruits

5 結 論

本文設計并制作了一種面向沙果采摘的剛柔耦合氣動軟體采摘機械手。通過理論計算、仿真分析及實驗研究，確定了軟體手指的彎曲角度、材料、結構以及內部氣道的大小和形狀；通過充氣彎曲實驗、末端輸出力測定實驗和三指抓取實驗，驗證了仿真結果的準確性以及軟體手指結構的合理性；利用試制的六指包裹式氣動軟體采摘機械手對沙果、蘋果、梨、橘子等進行了采摘實驗。結果表明：該采摘機械手不僅對含3個及以上果實的成串沙果的采摘成功率達到80%，還可實現對其他類球形水果的采摘。研究結果為水果采摘機械手的設計與研究提供了新思路。

但是，所設計的采摘機械手對含單個及2個果實的成串沙果的采摘成功率并不高，這主要是因為沙果尺寸小，而采摘機械手結構尺寸偏大。后續可通過減小剛性骨架的尺寸及軟體手指的長度來調整其整體尺寸，以優化結構，提高采摘成功率。