雙孢菇柔性仿形采摘末端執行器設計與試驗

姬江濤 李夢松 趙凱旋 馬 淏

(1.河南科技大學農業裝備工程學院， 洛陽 471003;2.河南省機械裝備先進制造協同創新中心， 洛陽 471003)

0 引言

雙孢菇是世界性栽培和消費的菇類作物，具有生產成本低、生長周期短、經濟效益高等優點，在我國種植非常普遍[1]。在日常生產中，為確保雙孢菇優良的質量和完好的外觀，90%以上的雙孢菇都要依靠人工收獲。而人工收獲勞動強度高，勞動成本占總生產成本的15%～30%[2]。因此，對于實現雙孢菇采摘機械化、自動化的需求十分迫切。末端執行器作為采摘機器人的核心裝置[3-6]，對于雙孢菇的質量有至關重要的作用。

近年來，隨著材料科學的快速發展，軟體機械手成為國內外研究的焦點[7-9]，國內外學者相繼對其開展了研究。魏博等[10]設計了雙連桿并聯式手指，在抓握直徑差異較大的柑橘時，手指能夠自動進行抓取或捏取動作，并實現被動柔順。朱銀龍等[11]設計了一種內嵌傳感器的四指軟體機械手，建立了軟體驅動器的彎曲特性和末端輸出力的數學模型，可預測施加不同氣壓時的軟體驅動器性能。劉曉敏等[12]設計了2自由度“剛-柔耦合”驅動器，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。以上研究成果雖具有仿形能力和低損特性，但所需作業空間較大[13-15]，而菇類作物生長較密集，因此難以應用于菇類作物采摘。

針對菇類作物采摘，盧偉等[16]設計了3指4指節的柔性手爪，并進行褐菇采摘試驗，結果表明，與剛性手爪相比，柔性手爪抓持力減小，為(2.4±0.3)N。HUANG等[17]提出并測試了4種雙孢菇采摘方法，其中彎曲方法需要最少的采摘力和最少的采摘時間，所需的操作時間、分離角和峰值力分別為(0.9±0.5) s、13.6°±6.7°、(3.3±2.4) N。但雙孢菇與褐菇相比，菇蓋面積更小、作業空間也更小，因此褐菇的柔性手爪難以應用于雙孢菇的采摘。而剛性采摘執行器存在結構復雜、靈活性差、適應能力差等問題[18-21]，在抓取過程中容易對雙孢菇表面造成破壞，難以實現無損采摘[22-24]。普通吸附類采摘執行器存在與雙孢菇之間的密封性差的問題[25-27]，在吸附過程中容易出現漏氣的現象，從而導致雙孢菇脫落。

針對上述問題，結合雙孢菇的外形參數和采摘需求，本文設計一種雙孢菇柔性仿形采摘末端執行器，對末端執行器進行有限元仿真和分析，制作物理樣機，對末端執行器的性能指標和采摘效果進行試驗驗證。

1 末端執行器總體設計

1.1 雙孢菇特性分析及采摘要求

雙孢菇呈白色或棕色，菇蓋呈半球形，下方逐漸平展，表面光滑，目前常見的雙孢菇工廠化栽培生長情況如圖1所示，具有以下特點：長勢較為密集，成熟雙孢菇通常簇擁在一起；與培養基質的連接力較小，容易脫落；質地柔軟，易被損傷，損傷后略變淡黃色。

圖1 雙孢菇工廠化栽培生長情況Fig.1 Growth of Agaricus bisporus in factory cultivation

市場上售賣的成熟雙孢菇直徑為25～50 mm，其分級標準為：一級雙孢菇直徑為25～35 mm，二級雙孢菇直徑為35～50 mm。根據DB34/T 1277—2010《雙孢蘑菇采收、分級和鹽漬技術規程》，雙孢菇采摘最佳菇蓋直徑為25～35 mm。由于雙孢菇長勢密集，長在同一區域的雙孢菇成熟時間不一致、質地柔軟，使雙孢菇難以實現批量采摘，單體采摘仍是雙孢菇采摘的主流方法。在避免雙孢菇表面出現機械損傷前提下，實現對不同尺寸和橢圓度的雙孢菇采摘，是雙孢菇采摘末端執行器研究的關鍵。

1.2 末端執行器機械結構

如圖2所示，設計的末端執行器對單個雙孢菇的菇蓋進行采摘作業，通過吸附的方式完成雙孢菇的采摘。

圖2 采摘方式示意圖Fig.2 Schematic of picking method

該末端執行器的機械結構由柔性仿形吸盤和金屬附件組成，其機械結構三維剖視圖如圖3所示。

圖3 機械結構剖視圖Fig.3 Section view of mechanical structure1.端蓋 2.密封圈 3.支撐件 4.卡箍 5.連接套 6.通氣芯 7.通氣螺釘 8.墊片 9.顆粒 10.柔性膜

其中柔性仿形吸盤由顆粒和柔性膜組成，附件包括端蓋、支撐件、連接套、通氣芯、卡箍、通氣螺釘和墊片，附件的主要作用是將吸盤部分固定并向柔性仿形吸盤傳輸氣壓。端蓋內設有兩條通氣管道，分別用于柔性膜內部的通氣和吸盤的吸附。為防止顆粒泄漏，在端蓋和支撐件之間設有密封圈，在通氣芯的外側設有過濾網。卡箍將柔性仿形吸盤固定在支撐件上，通氣螺釘將柔性仿形吸盤的下表面固定在通氣芯上。

柔性仿形吸盤的工作原理為：標準氣壓下，顆粒在柔性膜內具有類流體特性，當柔性膜和雙孢菇表面接觸后，會根據雙孢菇的表面輪廓進行仿形，從而和雙孢菇之間進行充分接觸，使兩者之間具有良好的密封性，并在密閉空腔內形成一定的負壓，使后續的吸附更加穩定。

1.3 末端執行器控制原理

末端執行器控制原理如圖4所示，采用氣壓反饋控制，能夠實現力與負壓的精確轉換。具體工作路線為：輸入吸附力后，系統能夠根據公式將吸附力轉換為相應的負壓，此負壓即為控制系統的給定負壓，給定負壓與氣壓傳感器所測得的負壓對比，當兩者存在偏差時，調節負壓調壓閥，使柔性仿形吸盤與雙孢菇之間的密閉空腔內的負壓達到給定負壓，從而完成對吸附力的調節。

圖4 控制系統原理圖Fig.4 Control system schematic

2 柔性仿形吸盤設計

2.1 柔性仿形吸盤結構設計

吸盤與接觸物體之間的密封程度直接影響吸盤密閉空腔內外真空負壓的強度，從而影響吸盤吸附力的強弱[28]。不同雙孢菇的橢圓度和表面曲率不同，標準吸盤在采摘時存在與雙孢菇密封程度偏低，導致抓不緊或掉落的問題。針對以上問題，設計了柔性仿形采摘末端執行器，利用柔性仿形吸盤的仿形能力和單體作業模式，能夠有效降低機械損傷并且不會對周圍的雙孢菇造成干擾。

為了縮短作業時間，加快仿形速度，將吸盤開口形狀設計為圖5所示的“凹”形。結合菇蓋形狀試制開口角度為60°、90°、120°的吸盤，進行了預試驗，使用3種開口角度的吸盤分別采摘了100個雙孢菇，采摘成功率分別為92.00%、88.00%、73.00%?？芍_口角度為60°時，吸盤采摘成功率最高，故將吸盤開口角度取為60°。

圖5 吸盤結構示意圖Fig.5 Structure diagram of sucker

2.2 柔性仿形吸盤尺寸確定

柔性仿形吸盤尺寸由實際作業空間和雙孢菇尺寸共同決定，吸盤外徑的取值應在不影響實現仿形功能的前提下盡可能小，以減小對周圍雙孢菇造成干擾的可能性。成熟雙孢菇直徑為25～50 mm，為了預留吸盤的開口直徑并保證吸盤的仿形能力，取吸盤外徑為35 mm。

吸盤吸力公式為

(1)

式中F1——吸盤吸力，N

A——吸附有效面積，m2

D——吸盤有效直徑，m

p——相對壓力，Pa

由公式(1)得知，吸盤吸力是由相對壓力和吸盤有效直徑共同決定的，相對壓力可以通過調壓閥進行控制，吸盤有效直徑主要受吸盤開口直徑的影響，因此，選擇吸盤最佳開口直徑能夠使吸盤的有效直徑最大化，從而使同等吸附力所需負壓最低。本文將通過仿真的方式分析吸盤開口直徑和吸盤有效直徑之間的關系，從而確定吸盤最佳開口直徑。

2.3 吸盤吸附力影響因素分析

吸盤在采摘過程中，吸盤吸附力主要與負壓和直接接觸面有關，其中負壓影響密閉空腔內外的相對壓力，而直接接觸面對于吸附力的影響規律則需要結合受力分析才能得知。因此對柔性仿形吸盤吸附后的雙孢菇進行受力分析。

為簡化受力分析模型，將雙孢菇視為呈中心軸對稱的規則形狀，那么雙孢菇在沿中心軸切開的任意平面內的受力情況都相同，當雙孢菇被吸盤吸緊且有向下運動的趨勢時，任取一平面進行受力分析，雙孢菇受力包括向上的吸力F1，向下的重力G，左右兩側的支反力FN1和FN2，摩擦力FS1和FS2，其受力情況如圖6所示。

圖6 吸附后雙孢菇受力分析Fig.6 Force analysis of Agaricus bisporus after adsorption

此時吸盤的吸附力為

F=F1+(FS1+FS2)sinα

(2)

其中

(3)

式中α——重力和支反力的夾角

fS——接觸面之間的摩擦因數

則吸附力為

F=F1+fS(FN1+FN2)sinα

(4)

由公式(2)～(4)可知，吸盤的吸附力由吸盤吸力和摩擦力組成，而摩擦力和吸盤吸力都與接觸面相關，接觸面的面積和接觸面之間的摩擦因數對摩擦力有直接影響，接觸面之間的密封性對吸附力有直接影響，因此選擇合適的柔性膜材料對于提升吸盤的吸附力至關重要。

2.4 柔性仿形吸盤材料選取

考慮到接觸面對于吸附力的重要性，對吸盤柔性膜材料進行了選擇，對比了乳膠膜和硅膠膜的吸附性能，結果如表1所示，乳膠膜與硅膠膜相比，具有更高的彈力、更高的塑形能力、更高的表面硬度和更低的表面粘附性。乳膠膜更高的彈性和塑形能力使其擁有更強的仿形能力，能與雙孢菇進行更充分的接觸，使接觸面變大，從而提高摩擦力；更高的表面硬度使其對雙孢菇完成仿形后，在接觸面之間產生更強的穩定性和密封性，從而提高吸附力；更低的表面粘附性使其在吸附結束后更容易與雙孢菇分離。綜上所述，乳膠膜更適合于雙孢菇采摘，因此選擇乳膠作為吸盤柔性膜材料。

表1 乳膠膜和硅膠膜性能對比Tab.1 Performance comparison of latex film and silica gel film

考慮到柔性仿形吸盤中顆粒的流動性、可壓縮性、堆積密度以及獲取成本，選擇表面光滑的POM塑料球和兩種不同直徑的石英砂作為顆粒填充物(圖7)。

3 柔性仿形吸盤有限元仿真

3.1 有限元仿真模型建立

本文采用ANSYS有限元軟件Workbench中的Static Structural模塊對柔性仿形吸盤的仿形過程和吸附過程進行有限元仿真，通過吸盤仿形過程有限元仿真確定吸盤的最佳開口直徑，通過吸盤吸附過程有限元仿真得出吸盤受應力情況，為吸盤尺寸的確定及吸附性能的研究提供理論依據。

根據ANSYS Workbench工作平臺有限元模型設計的特點，在SolidWorks三維建模軟件中對吸盤進行三維建模，建模過程中，在不影響仿真數據的前提下，將與仿真無關的零部件刪除，盡可能的簡化模型以便于加快仿真速度。

在實際吸附過程中，加載位置、加載速度、接觸面之間的摩擦因數等因素都會對吸盤的吸附性能和吸盤的應力產生影響。若完全考慮上述影響因素并對仿真參數分別進行設置，則會使吸盤有限元仿真分析過程十分復雜，甚至導致運算過程終止，無法完成仿真。因此，在對分析結果影響不大的前提下，對吸盤的有限元模型進行了簡化，并對吸盤有限元仿真分析過程做如下假設：假設吸盤在初始位置與雙孢菇處于接觸狀態。假設吸盤在下壓過程中，作用力均勻作用在吸盤頂部表面。假設吸盤和雙孢菇表面光滑平整，材料均勻連續且具有通向性。假設顆粒直徑極小，填充之后為連續實體。

柔性膜材料參數：密度為1 000 kg/m3、材料常數C10為0.01 MPa、材料常數C20為0.001 MPa、不可壓縮性為1.21×10-9Pa-1。由于雙孢菇材料參數難以獲取，因此在分析受力情況時，選擇用聚乙烯材料代替。吸盤利用顆粒在柔性膜中的流動特性進行仿形，仿真的主要目的是獲得應力云圖，顆粒的流動軌跡不是仿真重點，為降低仿真難度，將顆粒視為連續體，其材料選擇為石英。

進行吸盤仿形過程和吸附過程有限元仿真時，柔性膜和雙孢菇的接觸面作為主要研究對象，因此在網格劃分時對柔性膜下表面及雙孢菇上表面進行網格細化處理，保證計算的準確性。設定柔性膜和雙孢菇網格劃分類型為四面體網格類型，網格大小設置為2 mm，并對柔性膜下表面及雙孢菇上表面進行網格細化處理，網格大小設置為1 mm。柔性膜下表面和雙孢菇上表面之間的接觸類型為不分離接觸類型。選擇柔性膜下表面為接觸面，雙孢菇上表面為目標面。Formulation算法選項設置為增廣拉格朗日算法類型。

3.2 吸盤仿形過程有限元仿真

為了確定吸盤開口直徑和吸盤有效直徑之間的關系，選擇開口直徑為20、22.5、25、27.5 mm的吸盤對直徑為25 mm的雙孢菇進行有限元仿真。

對仿形過程進行載荷設定，在菇蓋下表面添加固定支撐，在吸盤上表面均勻加載10 N作用力，模擬吸盤對雙孢菇的仿形過程，載荷設置完成后，打開大變形選項，對有限元模型進行求解。

4種不同開口直徑的吸盤對直徑為25 mm的雙孢菇的仿形過程有限元仿真應力云圖如圖8所示，菇蓋的形狀為半橢圓狀，吸盤開口直徑較小時，與雙孢菇接觸的位置處于菇蓋頂部，此時吸盤的有效直徑主要受到吸盤開口直徑的限制。隨著吸盤開口直徑的增大，吸盤和雙孢菇接觸的位置由菇蓋頂部逐漸向下，直到完全將菇蓋包裹，此時吸盤的有效直徑即為菇蓋直徑，吸盤的有效直徑主要受到菇蓋直徑的限制。

圖8 不同開口直徑吸盤仿真應力云圖Fig.8 Simulation stress cloud of suckers with different opening sizes

如圖9所示，在ANSYS Workbench中測得開口直徑為20、22.5、25、27.5 mm的吸盤對直徑為25 mm的雙孢菇有效直徑分別為22.1、24.2、25.0、25.0 mm。結果表明：當菇蓋直徑一定時，隨著吸盤開口直徑的增大，吸盤的有效直徑先逐漸增大，達到最大值之后不再變化，其最大值為菇蓋直徑。吸盤的有效直徑在吸盤開口直徑為25 mm時達到最大值，因此吸盤最佳開口直徑為25 mm。

圖9 吸盤有效直徑變化曲線Fig.9 Variation curve of effective diameter of suction cup

3.3 吸盤吸附過程有限元仿真

在吸盤吸附過程有限元仿真中，為便于分析吸盤和雙孢菇應力變化，將吸附過程分為兩步，即吸盤下壓過程和吸盤吸附過程，吸盤有限元載荷加載設置如圖10所示。吸盤下壓過程為吸盤頂部開始受到壓力作用且運動到最低點與雙孢菇表面進行接觸的加載過程。在軟件中的設置為：將菇蓋下表面添加固定支撐，在吸盤頂面均勻加載10 N作用力。下壓過程結束后，在吸盤容腔表面添加真空負壓載荷0.07 MPa，模擬吸盤貼附過程。載荷設置完成后，打開大變形選項，對有限元模型進行求解。

圖10 有限元載荷加載設置Fig.10 Finite element load setting

為更直觀地研究吸盤底面各點處的應力變化，在等效應力圖上，應用有限元軟件探針沿吸盤直徑方向依次取11個點進行Mises應力取值，并繪出吸盤Mises應力曲線。

由圖11可知，柔性膜表面所受應力小于內部顆粒所受應力，原因是柔性膜材質柔軟，在受到應力后會隨應力方向變形，從而將應力傳遞給顆粒，外層的顆粒為主要的受力對象。

圖11 整體應力圖Fig.11 Overall stress diagram

由圖12可知，吸盤在吸附過程中，吸盤和雙孢菇的接觸部分應力較大，吸盤中心應力相對較小，且吸盤的應力集中區域呈圓環狀。吸盤有效直徑為圓環外徑，在采摘不同直徑的雙孢菇時，吸盤的有效直徑會發生變化，當吸盤的有效直徑達到最大值時，吸附效果最好。

圖12 吸盤等效應力圖Fig.12 Sucker equivalent effect diagram

由圖13可知，應力由邊緣位置到中心位置再到邊緣位置呈類拋物線分布特點，中心位置的應力較小且較為均衡，邊緣位置應力較大且相對中心位置近似對稱分布，表明吸盤對橢圓度較高的雙孢菇的應力分布為對稱的，且吸盤表面所受應力較為集中。

圖13 吸盤Mises應力曲線Fig.13 Mises stress curve of sucker

4 氣動回路和控制系統設計

4.1 氣動回路設計

由于雙孢菇所需采摘力較小，因此選用抽氣打氣兩用的微型真空泵，最大真空度為-70 kPa，選用最大流量為140 L/min、壓力調節范圍為1.3～-100 kPa的負壓調壓閥。氣動回路如圖14所示，左側回路為吸氣回路，右側回路為卸載回路，吸氣回路連接在真空泵的抽氣端，卸載回路連接在真空泵的打氣端。該回路與一般的真空發生器連接氣路相比，結構更簡單，實用性更強。同時，對氣路中的電磁閥、氣壓表、過濾器等元件也進行了精選，保證了氣路元件本身的密封要求。

圖14 氣動回路Fig.14 Pneumatic circuit

氣動回路的工作流程如圖15所示，當吸盤到達指定位置后，電磁閥D1通電、D2斷電，吸氣回路連通，由真空泵產生的真空經負壓調壓閥調整后，傳遞到吸盤吸嘴處，吸盤將雙孢菇進行吸附。當吸盤吸附雙孢菇移動至采集筐上方時，電磁閥D2通電、D1斷電，卸載回路連通，由真空泵打氣端產生的正壓傳遞到吸盤吸嘴處，雙孢菇在正壓作用下脫離吸盤。

圖15 氣動回路工作流程圖Fig.15 Pneumatic circuit work flow chart

4.2 控制系統設計

末端執行器作為采摘機器人的核心裝置，與采摘機器人配合完成采摘作業，基于采摘機器人的控制邏輯為該末端執行器開發了一個控制系統，如圖16所示，該控制系統安裝在采摘機器人上，主要由硬件控制部分和氣動控制部分組成?？刂葡到y有手動和自動兩種控制模式，在采摘作業中主要使用自動模式。其工作原理為：圖像采集裝置將圖像上傳到工控機，工控機利用可視化控制軟件計算出雙孢菇的位置后，通過可編程邏輯控制器(PLC)發送電信號控制步進電機和氣動回路執行采摘和分揀動作。PLC發送第1次電信號，步進電機執行定位程序，將吸盤移動到待采摘的雙孢菇上方；當吸盤移動至雙孢菇上方后，PLC發送第2次電信號，步進電機執行采摘程序，將吸盤下移使之與雙孢菇接觸；當吸盤與雙孢菇貼合后，PLC發送第3次電信號，真空泵啟動，吸氣回路接通，吸盤對雙孢菇進行吸附；當吸盤將雙孢菇吸附后，PLC發送第4次電信號，步進電機執行分揀程序，將雙孢菇移至采集筐上方；當吸盤移至采集筐上方后，PLC發送第5次電信號，單控電磁閥接通，吸嘴處產生正壓，將雙孢菇吹落。

圖16 控制系統流程圖Fig.16 Flow chart of control system

5 試驗

5.1 拉脫力試驗

5.1.1試驗材料及方法

吸附式采摘末端執行器的性能指標為末端執行器對物體的吸附力，但吸附力難以直接測量，而吸附力與拉脫力有直接關系，因此通過測量拉脫力的方式驗證末端執行器的性能。影響末端執行器性能的因素有許多種，如吸附負壓、雙孢菇直徑、柔性膜厚度、顆粒直徑，為明確這幾種因素對末端執行器性能的影響，對所試制的末端執行器進行拉脫力試驗。

試驗使用單立柱電子拉力試驗機(東日儀器有限公司)對雙孢模型進行拉脫力試驗，如圖17所示，末端執行器通過連接件固定在拉力試驗機活動端，雙孢菇模型則通過夾持器固定在固定端。試驗材料為樹脂材料打印的雙孢菇模型，直徑分別為25、35、45 mm，厚度分別為0.7、0.9、1.1 mm的柔性膜；直徑分別為200、20目的石英和直徑為3 mm的塑料球作為顆粒填充物。

圖17 試驗平臺Fig.17 Test platform

(1)拉脫力-柔性膜厚度關系試驗

打開真空泵，使電磁閥都處于關閉狀態，通過負壓調壓閥調節負壓，待壓力調節完成后，將拉力試驗機活動端下移，使末端執行器與雙孢菇模型接觸并完成仿形，打開電磁閥D1，使末端執行器吸附雙孢菇模型，完成吸附后，在PC端上運行雙孢菇拉脫力測試程序，拉力試驗機活動端以10 mm/min的速度上移，逐漸脫離雙孢菇模型，直至移動到最高點，點擊回零，拉力試驗機活動端回到初始位置，在此過程中，PC端記錄的最大力即為末端執行器的拉脫力。選擇直徑為200目的石英顆粒作為填充物，更換安裝厚度為0.7、0.9、1.1 mm的柔性膜，對直徑為 25 mm 的雙孢菇模型進行拉脫力試驗。操作拉力試驗機執行雙孢菇拉脫力測試程序，每個試驗重復20次。

(2)拉脫力-顆粒直徑關系試驗

選擇厚度為0.9 mm的柔性膜，更換安裝顆粒直徑為200、20目的石英和3 mm的塑料球，對直徑為25 mm的雙孢菇模型進行拉脫力試驗。操作拉力試驗機執行雙孢菇拉脫力測試程序，每個試驗重復20次。

(3)拉脫力-雙孢菇直徑關系試驗

選擇厚度為0.9 mm的柔性膜，直徑為200目的石英顆粒組成柔性仿形吸盤，更換安裝直徑為25、35、45 mm雙孢菇模型，分別在負壓為-70～-10 kPa時(壓力間隔為10 kPa)測出拉脫力，每個試驗重復20次。

5.1.2試驗結果與分析

由拉脫力與柔性膜厚度關系試驗結果(圖18)可以得知，柔性膜厚度與拉脫力呈非線性關系，在同一負壓下，厚度為0.9 mm的柔性膜的拉脫力最大，1.1 mm次之，0.7 mm最差，表明過薄或過厚的柔性膜的吸附效果都不好。其原因是：過薄的柔性膜缺少穩定性，容易產生皺褶影響密封性，過厚的柔性膜的仿形能力不好，容易在接觸面之間產生縫隙影響密封性。

圖18 拉脫力與柔性膜厚度關系曲線Fig.18 Relationship curves between pulling force and flexible film thickness

由拉脫力與顆粒直徑關系試驗結果(圖19)可以得知，顆粒直徑和拉脫力呈負相關，在同一負壓下，顆粒直徑為200目的細石英的拉脫力最大，直徑為3 mm的塑料球次之，直徑為20目的粗石英最差。其原因是：不同直徑或形狀的顆粒的仿形能力不同，導致與接觸面之間的密封性不同，從而在相同負壓下的拉脫力不同。直徑為200目的細石英呈粉末狀，顆粒之間縫隙最小，與雙孢菇接觸之后，顆粒能夠根據雙孢菇表面輪廓進行仿形，使接觸面之間具有良好的密封性；直徑為3 mm的塑料球表面光滑，形狀為規則的球體，這種物理特性使塑料球之間的摩擦力較小，與雙孢菇接觸之后，能夠快速移動，對雙孢菇表面輪廓進行仿形，但由于塑料球之間的縫隙較大，導致其仿形能力弱于細石英，接觸面之間的密封性也低于細石英；直徑為20目的石英直徑較大且形狀不規則，與雙孢菇接觸之后，顆粒移動速度較慢，而且顆粒之間存在較大的縫隙，導致其仿形能力最弱，接觸面之間的密封性也最低。

圖19 拉脫力與顆粒直徑關系曲線Fig.19 Relationship curves between pulling force and particle diameter

由拉脫力與雙孢菇直徑關系試驗結果(圖20)可以得知，拉脫力與雙孢菇直徑呈正相關，同一負壓下，隨著菇蓋直徑的增大，拉脫力也逐漸增大；拉脫力與負壓呈近似線性關系，在拉脫力-負壓關系曲線中，其斜率為吸附的有效面積，而斜率在每個負壓間隔處都有波動，表明吸附的有效面積也發生了變化，當負壓小于-40 kPa時，3條折線均出現斜率變小的現象，可能的原因：在較高負壓和較大作用力下，吸盤表面發生變形導致邊緣漏氣，對拉脫力造成影響；吸盤的開口直徑為25 mm，因此根據公式(1)計算出吸盤在各個負壓下吸盤吸力的理論值，但在實際試驗中，拉脫力均大于理論值，其原因是：吸盤的拉脫力與吸附力大小相等，方向相反，吸附力由吸力和摩擦力組成，因此拉脫力大于吸力理論值；負壓相同時，隨著菇蓋直徑的增大，折線的斜率也逐漸增大，表明吸附的有效面積也隨著菇蓋直徑的增大而增大。可能的原因：吸盤對菇蓋直徑較大的雙孢菇進行仿形后，接觸面發生了變形，導致吸盤有效面積變大。

圖20 拉脫力與雙孢菇直徑關系曲線Fig.20 Relationship curves between pulling force and diameter of Agaricus bisporus

結合3個拉脫力試驗可知，吸附負壓、雙孢菇直徑、柔性膜厚度和顆粒直徑的改變均會對吸盤的性能造成影響。改變柔性膜厚度或顆粒直徑會導致吸盤的仿形效果發生變化，當柔性膜厚度為9 mm、顆粒直徑為20目的石英時吸盤的仿形效果最好。改變吸附負壓會導致相對壓力發生變化，改變菇蓋直徑會導致吸附的有效面積發生變化，這兩種變化都會對吸盤吸附力產生直接影響。

5.1.3標準真空吸盤對比試驗

目前常見吸盤為硅膠材質，本文選用圖21所示的直徑為25 mm的標準真空吸盤與柔性仿形吸盤(柔性膜厚度為9 mm、顆粒直徑為20目)進行對比試驗，分別將兩個吸盤安裝在拉力試驗機上，對直徑為25 mm雙孢菇模型進行拉脫力試驗，在負壓為-70～-10 kPa時(壓力間隔為10 kPa)測出拉脫力，每個試驗重復20次。

圖21 兩種吸盤實物Fig.21 Two kinds of sucker objects

由圖22可知，在負壓相同時，柔性仿形吸盤的拉脫力大于標準真空吸盤的拉脫力，并且隨著真空負壓的增大，標準真空吸盤拉脫力的上升趨勢也逐漸減小。通過觀察兩種吸盤與雙孢菇模型的接觸情況可以發現：標準真空吸盤和雙孢菇之間是平面與圓弧面之間的接觸，其接觸面形狀為平面，接觸面較小且接觸面之間的密封程度較差；而柔性仿形吸盤和雙孢菇之間是圓弧面與圓弧面之間的接觸，其接觸面形狀為圓弧面，接觸面較大且接觸面之間的密封程度較好。隨著真空負壓的增大，接觸面之間的密封程度對吸附力的影響會逐漸增大，使兩者的差值也越來越大。

圖22 兩種吸盤拉脫力試驗曲線Fig.22 Pulling force test curves of two suction cups

5.2 雙孢菇采摘試驗

為驗證本文所設計的雙孢菇采摘末端執行器的實際應用效果，在河南洛陽奧吉特食用菌有限公司進行了采摘試驗。如圖23、24所示，試驗使用柔性仿形吸盤和直徑為25、35、45 mm的標準真空吸盤分別對200個直徑為25～50 mm的雙孢菇進行采摘試驗。

圖23 標準真空吸盤采摘試驗Fig.23 Ordinary silica gel sucker picking test

圖24 柔性仿形吸盤采摘試驗Fig.24 Flexible profiling sucker picking test

采摘試驗結果如表2所示，柔性仿形吸盤的采摘成功率為98.5%，25、35、45 mm的標準真空吸盤的采摘成功率分別為90.5%、92.5%、86%；柔性仿形吸盤采摘的平均氣壓為-9.2 kPa，25、35、45 mm的標準真空吸盤采摘的平均氣壓為-10.3、-9.8、-11.7 kPa。試驗結果表明：在采摘同一批雙孢菇時，柔性仿形吸盤所需負壓更低，采摘成功率更高。對采摘失敗的雙孢菇觀察后發現，這些雙孢菇形狀畸形或表面存在缺陷，標準真空吸盤與這些雙孢菇的接觸面之間存在較大的縫隙，無法對其進行吸附，而柔性仿形吸盤在面對嚴重畸形或缺陷的雙孢菇時，也不能夠對其完成仿形，從而導致采摘的失敗。

表2 采摘試驗結果Tab.2 Results of picking test

采摘結束后，對人工采摘、柔性仿形吸盤采摘和標準真空吸盤采摘的雙孢菇進行損傷檢測。損傷檢測結果如表3所示，其中人工采摘和柔性仿形吸盤采摘的雙孢菇表面均沒有明顯損傷，極少數雙孢菇表面出現輕微損傷；而標準真空吸盤采摘的部分雙孢菇表面出現輕微吸痕，少數雙孢菇表面出現明顯吸痕。綜合評定：人工采摘的采摘損傷率為1%，柔性仿形吸盤的采摘損傷率為2.5%，標準真空吸盤的采摘損傷率為20.5%。

表3 損傷檢測結果Tab.3 Damage detection results

在3種方式采摘的雙孢菇中，隨機各取出1個樣本進行記錄。如圖25所示，放置2 h后，人工采摘和柔性仿形吸盤采摘的雙孢菇表面基本完整，沒有明顯受損痕跡；標準真空吸盤采摘的雙孢菇表面則有一道呈圓弧狀的吸痕；放置24 h后，3種方式采摘的雙孢菇表面的菌絲在空氣中氧化變為淡黃色，除此之外，人工采摘的和柔性仿形吸盤采摘的雙孢菇表面基本沒有變化，而標準真空吸盤采摘的雙孢菇表面的吸痕顏色加深。

圖25 樣本變化情況Fig.25 Sample changes condition

通過采摘試驗結果得知：柔性仿形吸盤的采摘成功率為98.5%，高于標準真空吸盤；柔性仿形吸盤采摘的平均氣壓為-9.2 kPa，低于標準真空吸盤；柔性仿形吸盤采摘損傷率為2.5%，低于標準真空吸盤。通過對比試驗可知柔性仿形吸盤的采摘效果和控制性能均優于標準真空吸盤，且能夠滿足雙孢菇的采摘需求。

6 結論

(1)設計了一種雙孢菇柔性仿形采摘末端執行器，該末端執行器由柔性仿形吸盤和氣動回路組成，通過仿形提高接觸面之間的密封性，使吸附更加穩定。采用單體柔性吸附的采摘方式，不僅避免了雙孢菇在自動化采摘過程中的機械損傷，也為果實無損化采摘提供了新思路。

(2)對柔性仿形吸盤進行了有限元仿真，通過吸盤仿形過程有限元仿真確定了吸盤的最佳開口直徑，通過吸盤吸附過程有限元仿真得出了吸盤受應力情況，結果表明吸盤的應力集中區域呈圓環形，外層的顆粒為主要的受力對象。設計了采摘氣動回路和控制系統，實現了雙孢菇自動化采摘。

(3)針對末端執行器進行了拉脫力試驗，結果表明拉脫力與吸附負壓、雙孢菇直徑、顆粒直徑均呈線性關系，與柔性膜厚度呈非線性關系。當末端執行器中柔性膜厚度為9 mm、顆粒直徑為20目的石英時仿形效果最好，并與標準真空吸盤開展了對比試驗，試驗結果表明同等吸附力柔性仿形吸盤所需負壓更低。針對尺寸范圍為25～50 mm的雙孢菇進行了采摘試驗，柔性仿形吸盤的采摘成功率為98.5%，并對采后雙孢菇進行了損傷檢測，柔性仿形采摘末端執行器的采摘損傷率為2.5%。結果表明，所設計的柔性仿形采摘末端執行器具備適應性強、抓取穩定、損傷率低等優點，能夠滿足雙孢菇自動化采摘需求。