橢球型果蔬柔性采摘靈巧手設計

摘要：為提高采摘靈巧手的作業通用性、減少采摘過程中夾取損傷現象，設計一種橢球型果蔬氣動柔性采摘靈巧手。對手指部件進行有限元分析，對比手指尺寸和指尖推力間的關系，分析手指性能，并對該靈巧手進行硬件選型和電路設計，開發控制系統，制作氣動采摘靈巧手樣機，進行功能測試。靈巧手總重1 kg，小巧靈活，手指張開時間為2 s，40 kPa氣壓輸入下夾爪閉合時間為3 s。搭載試驗平臺，進行采摘試驗。試驗表明，三種橢球型果蔬進行采摘作業的采摘成功率在92.5%以上，采摘損傷率低于7.5%，該靈巧手具有一定的通用性，具有高成功率和低損傷特點。

關鍵詞：采摘機器人；橢球型果蔬；靈巧手；氣動；通用性；低損傷

中圖分類號：S43; TP241" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 08?0032?06

Design of flexible picking dexterous hand for ellipsoidal fruits and vegetables

Chen Meng1， Chen Feng1， Zhang Hua1， Ding Wenqin2， Zhan Caixue2

（1. College of Mechanical Engineering， Anhui Science and Technology University， Chuzhou， 233100， China;"2. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract： In order to improve the operational versatility of today's picking dexterous hand and reduce the phenomenon of picking damage during the picking process， an ellipsoidal type pneumatic flexible picking dexterous hand for fruits and vegetables was designed. Firstly， the drawing of the gripper was drawn， and then the finite element analysis of the finger part was carried out to compare the relationship between the finger size and the fingertip thrust， and to analyze whether the finger size can meet the general operation requirements. The program design， hardware selection and circuit design were carried out for the dexterous hand， and the control program was developed. The prototype of pneumatic picking hand was made and tested， the total weight of the hand was 1 kg， the finger opening time was 2 s and the jaw closing time was 3 s under 40 kPa air pressure input. Picking experiments were carried out on the experimental platform， which could pick three kinds of ellipsoidal fruits and vegetables，" the picking success rate was over 92.5% and the picking damage rate was less than 7.5%， which verified the versatility of the dexterous hand and its characteristics of high success rate and low damage.

Keywords： picking robots; ellipsoidal fruits and vegetables; dexterous hands; pneumatics; versatility; low damage

0 引言

現今農業勞動力大幅度減少，以及農業智能化程度較低，使得農業發展進程緩慢[1]。而今設施農業發展迅猛，對農業生產效益有著很大的提升，但設施農業的發展仍受上述問題制約，發展農業智能裝備是農業發展主流也是未來趨勢[2]。同時設施作業中由于采摘作業的復雜性，目前采摘自動化程度仍然較低，且絕大多數的果蔬采摘作業均要通過人工作業來完成[3]。果蔬采摘機器人的應用可降低人工勞動強度，提高勞動生產率和產品質量，保證果蔬適時采收[4]。但目前果蔬采摘機器人大都面臨著：準確率低、作業耗時長、采摘損傷大、制作成本高、通用性低等問題，其中大部分問題在采摘手上都有體現。因此，研究開發果蔬采摘機器人靈巧手，具有重要的意義[5]。

針對以上問題眾多學者進行了大量研究，大多趨向于柔性發展[6， 7]。這里的柔性體現在材料柔，具體在夾爪制作材料上，使用柔軟的材質，使得夾爪與果實接觸時由于材料的彈性，吸收能量來減少夾取損傷的目的。Xie等[8]研制的用于多材料3D打印的剛度可調軟機器人夾持器，Petre[9]研制的末端仿生夾持器，其主要依托柔軟的材料進行加工，且在降低夾取損傷率上有很好的表現。其次是驅動柔，現今主流的柔性驅動器有氣動軟體靈巧手、線動軟體靈巧手，以及SMA（形狀記憶合金 shape memory alloy）和EAP（電活性聚合物執行器 electro active polymer）等特殊材料靈巧手。如楊孟濤等[10]研究的一種組合式氣動柔性機械手，王超[11]研究的線驅動硅膠軟體機械手，韓廣明[12]研究的SMA人工肌肉柔性仿人靈巧手，Jung等[13]研制的圓柱形驅動器等，都采用了柔性的驅動裝置。并且作業時由于自由度的增加，使得作業更加靈活。

柔性靈巧手的使用，不僅能增加整體采摘機器人的靈活性和柔性，包裹性粘附性等特點也能增加夾取準確率減少采摘損傷。如王傲雪[14]設計的番茄采摘機械手，通過柔性化設計，試驗中對大果番茄和小果番茄的采摘成功率分別為86%和81%，且果實表面幾乎無損傷。戎毫[15]獼猴桃采摘靈巧手，在夾爪與果實接觸位置通過粘貼硅膠等材料，試驗中采摘成功率為86%，損傷率控制在8%以下。

本文借鑒章魚觸手象鼻等彎曲原理[16]，設計一種采摘靈巧手。以增加通用性減少采摘損傷為目的，進行采摘對象研究、結構設計、控制設計和試驗驗證等環節，對該靈巧手進行設計優化。

1 整體結構及部件性能分析

1.1 結構及工作原理

從減少夾取損傷和提高采摘成功率以及提高作業通用性出發，通過對比分析選擇了氣動多指的整體結構。如圖1所示，整體結構由支架、氣囊夾爪、壓縮泵、電磁閥、編碼電機、電器元件等組成。總體長度為210.5 mm，寬為85 mm，整體結構簡單小巧靈活。

整體工作過程簡單，編碼電機轉動，通過凸輪帶動活塞運動，使得壓縮泵工作，壓縮缸上有一對反向的單向閥，實現充氣口充氣，進氣口吸氣，充放氣口通過電磁閥與夾爪氣囊連接，吸氣時氣囊變形呈張開狀態，當夾取時電磁閥換位，氣囊充氣，呈彎曲包裹狀態，實現夾取功能。

1.2 關鍵部件性能分析

根據設計及使用需要，夾爪能夠產生較大的形變，故選用了硅膠這一超彈性材料，但在對這一大變形超彈性材料進行分析時，其基本結構方程區別與常見一般材料，其基本結構方程是非線性的，故要使用連續介質力學的宏觀唯象方法來描述這一大變形的力學行為[17]。在描述材料本構方程時，采用應變能函數來反映其應力情況，用變形張量I1、I2、I3表示的應變能密度函數

[W=W（I1，I2，I3）] （1）

[I1=λ12+λ22+λ32I2=λ12λ22+λ12λ32+λ32λ22I3=λ12λ22λ32] （2）

式中： [λi]——各方向上的主伸長比，無量綱。

由于硅膠材料不可以壓縮性，[I3=1]，同時常見的超彈性材料應變能函數有Mooney?Rivlin、Neo?Hookean、Ogden以及Yeoh等，分別表示為

[Mooney?Rivlin∶W=i+j=1NCij（I1-3）i（I2-3）jNeo?hookean∶W=C10（I1-3）Ogden∶W=i=1Nμiαi（λ1αi+λ2αi+λ3αi-3）Yeoh∶W=i=1NCi0（I1-3）i] （3）

其中，Cij、C10、μi、αi、Ci0為材料參數，可通過拉伸試驗獲得。Neo-Hookean和Mooney-Rivlin模型不能描述較大變形，同時在應變較大的情況下精度較差。Ogden模型可以精確描述材料大變形情況下的力學特性，但是其材料參數需根據具體的變形情況來進行確定，在試驗數據不足的情況下不建議使用。Yeoh模型主要應用于大變形（形變大于200%）的超彈性材料，具有適用范圍廣、形式簡單、材料參數少等優點，并且相對于Odgen模型，Yeoh模型的材料參數僅通過拉伸試驗即可獲得[18]。

故選用Yeoh模型作為硅膠這一非線性大形變材料的模型，Yeoh模型參數C10、C20、C30材料常數分別取0.1、0.119、0.000 604。同時硅橡膠拉伸強度有兩種狀態：未補強硫化膠拉伸強度為2～5 MPa，補強硫化膠拉伸強度為4～10 MPa，分析強度條件滿足下的氣壓輸入值范圍[19]。如圖2所示。

對模型設計完成，以及材料選型完成后，導入有限元分析軟件進行相應的分析。首先進行網格化劃分以及約束等步驟，網格化劃分的過程中采用四面體網格，同時網格密度保證薄壁處也不少于兩個單元，總計劃分節點176 449個，單元98 342個。后在腔內均布施加壓力載荷，通過修改壓力值以及觀察最大應力點與許用應力的關系，來找到腔內施加壓力的范圍。

通過分析可知，在輸入壓強為10 kPa時，該結構的最大應力值為0.398 MPa，同時發生了124.08 mm的較大變形。其強度遠未達到許用強度，因其腔內能承受的壓力越大，其輸出力就越大。故對其進一步施加更大的壓力，第二次輸入壓力值為20 kPa，其發生了不可控的變形，變形結果如圖3所示，這種不穩定狀態，難以達到實際使用的需求。

1.3 優化改進及夾持性能分析

為了增加手指的整體性能，對手指結構進行優化，來承受更大的輸入氣壓，并產生更大的作用力。通過觀察突變主要發生在底部，整體改進方法為增加底部壁厚，同時底部加入橫向支撐。此外依次增加輸入氣壓值觀察，輸入氣壓增加壓力至40 kPa時，整體變形結果依舊理想，許用強度滿足要求，如繼續增壓其將會發生不可控變形現象。同時在此結構保持穩定的基礎上，在最大輸入氣壓值40 kPa的作用下，對其加持力進行觀測，在加持力觀測上，添加五個觀測點，如圖4所示。分析可知，在40 kPa的壓力輸入下，單指可提供6.2 N的作用力，滿足常見果蔬夾取作業時壓力需求。且相互作用時僅產生0.152 MPa的應力，遠小于許用強度要求。

同時根據夾爪夾持力自適應變性和包裹性特點，進行仿真夾持試驗，觀測該夾爪的使用性能。搭建同圖5的模型，夾爪在工作中發生膨脹彎曲，并產生自適應包裹的特點，同時由于夾爪為軟體的材質，在接觸部分產生一定形變，使得夾爪與果實間的接觸面積大大增加，進一步減少局部壓力過大的情況。圖5為手指應變位移圖，可以看出，在夾取接觸初期，夾爪快速膨脹，接觸后夾爪接觸部分產生局部自適應變形，使得位移速度減緩。

2 控制部分設計及靈巧手制作

2.1 控制原理

設計由視覺傳感器、氣壓傳感器、壓力等傳感器組成的輸入端，以及電機、電磁閥等組成的輸出端的整體控制框架。電機控制邏輯如圖6所示。

整體作業流程為首先視覺識別模塊工作，識別判斷采摘對象種類，反饋給中央處理器，按預設的采摘最優夾取力參考庫，給定一最優夾取力值。然后控制靈巧手氣源產生裝置工作，對手指充放氣，在夾取過程中氣壓傳感器和壓力傳感器同時工作，氣壓傳感器主要為保護作用，防止腔內氣壓過載對手指造成損傷。同時壓力傳感器的采集值跟所提供的最優夾取力值進行比對，當夾取力達到給定值時，氣源裝置停止工作，進行后續果梗脫離收集等環節。

2.2 樣機制作及測試

整體樣機由支架、氣路、電路部件、氣體產生裝置和同尺寸硅膠手指選用等幾部分組成，整體結構部分大量采用3D打印技術，小巧緊湊，總重量為1 kg（圖7）。該裝置運行狀態良好，能夠在不用外接氣源的情況下實現正負壓，達到控制硅膠手指彎曲和張開的動作。同時響應速度較快，2 s內就完成手指張開的動作，同時在夾緊時，3 s內就能使腔內達到40 kPa的氣壓。

針對采摘靈巧手的使用性能做了預試驗，來驗證該靈巧手的功能實現情況。靈巧手功能測試中存在一些問題，首先是壓力傳感器測量不精準問題，同時也存在壓力測量遲滯現象。

2.3 優化改進

針對試驗中的問題進行改進。首先針對壓力傳感器采集精度差的問題，采用氣壓傳感器代替壓力傳感器的方法。在試驗中發現氣壓傳感器精度高響應快，且抗干擾能力強，不會因為夾取姿態問題受到干擾。為了能夠實現氣壓傳感器對壓力傳感器的替代，對輸入氣壓值和手指的推力間進行相關試驗，并且通過試驗找到輸入氣壓值和指尖推力的關系。

采用拉力計固定牽引的方式，找到輸入氣壓值和手指推力的關系。試驗記錄多個輸入氣壓值下的對應拉力值數據，并在MatLab中對這些數據進行可視化分析，繪制曲線如圖8實線所示，同時為便于找到各個點對應的拉力值，對曲線進行分析擬合，找到最為接近的輸入氣壓值x和指尖推力y間的線性關系，其對應的曲線如圖8虛線所示。完成氣壓傳感器對壓力傳感器的替換使用，解決壓力傳感器測量不精準，測量遲滯等問題。

針對采摘作業拖拽或旋擰的狀態，其壓力值會產生實時變化，而該裝置在達到給定壓力值后，便不進行動作的矛盾，進行算法上的優化改進。首先進行實時采集，同時由于采集量大，在控制上加入模糊算法，對采集值進行模糊化處理，使程序輕量化，減少運算時間[20]。

3 試驗平臺搭建與試驗研究

3.1 試驗平臺搭建

為驗證采摘靈巧手的實際使用性能，將靈巧手搭載入采摘機器人系統，進行實際的采摘測試試驗，來驗證該靈巧手在使用中能否達到預期要求，同時通過試驗對該靈巧手的性能做一定分析。試驗對靈巧手進行實物制作，并選用智能抓取試驗平臺進行搭載，采摘靈巧手與整體平臺通訊良好。

3.2 靈巧手性能測試

首先對靈巧手的采摘通用能力進行相關試驗。這里采用觀察法，即控制采摘機器人對常見果蔬進行采摘試驗，來觀察該靈巧手，針對多種質量形態差異較大的橢球形果蔬，是否能夠進行順利摘取。由于季節地域及試驗場地的限制等影響，首先選用三種果蔬，進行3組，每組20個樣本的采摘試驗。這里的成功率主要指，機械臂帶動靈巧手接近果蔬，靈巧手動作，張開閉合等夾緊果蔬，機械臂帶動靈巧手回程對果蔬收集，這一整個環節中的作業成功情況。同時影響成功率的因素有，在摘下途中靈巧手不能夾緊果蔬，果蔬無法與果梗脫離，作業途中的脫落等情況。

針對夾取損傷的分析，主要采用7天冷藏切面觀察法來分析果蔬的夾取損傷情況。對在通用性測試過程中順利摘取下的20個果蔬進行貼標簽，并及時冷藏于冷藏箱內（3 ℃）存放，在存放7天后來觀察果蔬的損傷情況，首先對其表面進行觀察，觀察后切開表皮觀察其內部的損傷情況。總的來說，這里損傷率和成功率為驗證該靈巧手性能的主要指標，分別表示為ηc和ηs[21]。

由于果蔬產地和季節性等因素的影響，試驗主要在實驗室中進行的，建立了圖9所示的采摘環境進行試驗。試驗主要有支架、抓取采摘平臺，以及短期內連同枝條收集的成熟期采摘試驗樣本，采摘樣本固定在支架上，固定角度近似接近正常生長狀態。試驗主要驗證靈巧手的實際使用性能，試驗環境光照充足，溫濕度同室外一致。

整體采摘步驟同上文，機械臂接近果蔬過程中手爪張開，后機械臂帶動靈巧手接近果蔬后手爪閉合，機械臂再旋擰拖拽使果實與植株分離后，進行收集，完成整套的采摘作業。具體過程如圖10所示。

作業直至順利采摘20個果蔬后，對順利摘取下的20個果蔬進行貼標簽，并及時冷藏于冷藏箱內存放，在存放7日后來觀察果蔬的損傷情況，首先對其表面進行觀察，觀察后切開表皮觀察其內部的損傷情況。

在對桃子這一常見果蔬的整體采摘過程，以及損傷判定過程中發現，在對20個桃子進行采摘作業過程中，順利完成摘取作業的個數為19個。同時再次進行摘取補齊20個樣本后，打上標簽進行冷藏，觀察其損傷情況，發現共有2枚（5號、11號）產生了損傷，其損傷發生在底部，且損傷程度較小。總的來說，在對桃子這一水果進行采摘作業時，由上文評價指標可知，對桃子采摘作業的成功率ηc和損傷率ηs分別為95%和90%。

對酥梨番茄這兩種果蔬進行采摘試驗，來進一步驗證該靈巧手的性能，其試驗臺的建立，試驗步驟和上文對桃子這一水果的采摘作業一致，試驗同樣在實驗室中進行。

在對番茄這一蔬果進行采摘作業過程中，由于其簇生特性，其摘取成功的個數僅為18個，但其損傷數僅一個。對酥梨采摘作業中，其成功個數為19個，損傷數為0，且酥梨采摘失敗的因素主要由于果蔬與枝干距離較近，發生了碰觸，造成了采摘失敗。總的來說，對番茄采摘作業的成功率及損傷率ηc和ηs分別為90%和95%，對酥梨采摘作業的成功率及損傷率ηc和ηs分別為95%和100%。

3.3 試驗結果與分析

整體采摘試驗完成后，得到了3種果蔬采摘作業過程中的成功率和損傷率，其結果如表1所示。

在對成功率和損傷率的分析中可知，樣本獲取隨機，其個體尺寸有差異，成熟度也存在差異，同時不同果蔬的生長狀態不同，有垂落的方式也有簇生的果實等，這些復雜的作業環境造成了對不同果蔬進行采摘時采摘成功率和損傷率差異較大。其中在對桃子進行采摘作業時，其中未能成功摘取的水果，是由于其尺寸較小，靈巧手指壁未能較好地實現觸碰夾緊，故未能完成該枚水果的采摘作業，同時損傷的果蔬是由于其成熟度較高造成的。在番茄采摘作業中，由于一部分番茄為簇生，兩果實或多果實間距離較近，未能較好的實現抓取，但番茄其果實抗壓特性好，故其夾取損傷率低。在對酥梨的采摘作業中，其整體表現良好，不僅因為其果實個體尺寸均衡，且長果柄垂吊性好，并且果實肉質較硬即抗壓特性好，故整體采摘作業表現良好。

但對上述結果分析可知，由于采摘樣本較小，其結果的隨機性偶然性等影響較大，使得該結果對靈巧手的評價參考性降低，為更嚴謹地驗證該靈巧手的采摘作業性能，仍要擴充試驗樣本數量，和增加試驗次數。對每種果蔬增加20個樣本的試驗，得到了對三種果蔬采摘作業過程中的成功率和損傷率如表2所示。

通過增加試驗次數，其得到的結果更加精準，但由于其在實驗室中進行，且試驗受季節地域等影響，無論是采摘種類，還是試驗的次數都是較少的。后面將進一步的擴充試驗對象的種類及數量，同時有較好的果園或溫室環境可以進一步進行田間果園試驗，來充分驗證該裝置的實際使用性能。

4 結論

1） 該靈巧手具有一定的通用性，試驗驗證對質量、生長狀態差異較大的三種果蔬都能進行摘取作業，采摘成功率在92.5%以上，夾取損傷率低于7.5%。本文靈巧手手指采用軟體材質制成，能夠自適應壓力變形，接觸面積大和受力面積大，既能減少采摘過程中果蔬的跌落情況，同時夾取果蔬時對果蔬呈包裹狀態，減少作業夾取損傷。通過壓縮泵和電磁閥對夾爪進行獨立充放氣，不用外帶氣源或者單獨外接氣源，工作時小巧靈活，能夠有效地減小機械作業臂的負重等。

2） 該靈巧手存在問題：采摘對象研究種類較少，且多為常見果蔬，雖然個體差異較大，但為使靈巧手面向更多種類的橢球形果蔬，應進一步擴充試驗采摘對象的種類。結構設計方面，整體結構尺寸仍要縮減，采用新材料和新工藝，使靈巧手更加精巧。控制方面需使用多傳感器和新算法，以增加靈巧手的智能化。

參 考 文 獻

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