软体水果采摘机械手系统设计分析与试验

华超，褚凯梅，陈昕，朱银龙

(南京林业大学机械电子工程学院，南京 210037)

水果采摘是农林生产过程中最重要的环节，目前水果采摘主要依靠人工完成，存在效率低、成本高、劳动量大等问题[1]，因此实现水果采摘的自动化变得越来越迫切[2]。目前，很多农林采摘机器人都实现了智能化，大大提高了采摘效率[3]，但大部分末端执行器都使用传统的刚性机械手，一般存在结构复杂、灵活性差、与环境交互性低等问题，极易在抓取过程中损坏抓取产品，难以实现无损采摘[4-5]。

软体机械手的出现为水果采摘提供了新的思路和方法。Hao等[6]基于气压驱动设计了一种软体手爪，可以根据所抓取物体的形状改变自身的长度，达到稳定抓取的效果。Wehner等[7]采用硅橡胶材料，制作了一种基于气动网络的执行器，具有变形大、柔顺性好、交互性好的特点。She等[8]设计了一种内嵌驱动和传感器的软体手爪，可以实时反映手爪的工作状态，具有活动灵活、交互性好等特点。Brown等[9]设计了一种新型基于颗粒堵塞的软体机器人，由软材料和颗粒状咖啡豆组成，通过施加负压，可实现对整体结构刚度的调整，在抓取物体时可以自适应物体的形状，并且可以通过提高刚度，提高抗干扰能力。

软体机械手的出现解决了传统刚性机械手结构复杂、交互差等问题，由于材料的柔顺性，减小了对抓取物体的损伤，并且能够自动适应抓取物体的形状大小,通过变刚度结构提高抗干扰能力。可以看出软体机械手适用于对水果的无损抓取，具有广阔的应用前景[10-11]。本研究利用仿真分析得出最优的结构参数设计软体机械手样机，通过试验研究末端力的输出大小以及抓取的效果，设计的软体机械手能够实现对水果产品的无损抓取，在一定程度上解决了刚性机械手柔顺性差、交互性差等问题。

1 软体采摘机械手的设计与制作

1.1 软体采摘机械手的结构设计

软体机械手通常利用局部应变差产生弯曲自由度，即在同一气压驱动下，不同刚度材料层产生的应变不同，层间会产生不均匀的位移，在材料自身应力的作用下，软体机械手会向应变较小的材料层弯曲[12]。

基于上述原理，软体采摘机械手由4个驱动手指和法兰盘组成，如图1所示。每个驱动手指由应变层和限制层构成，应变层是由硅胶材料制成的多气囊结构，各个气囊间通过腔道连接，限制层是一层壁厚均匀的硅胶。利用硅胶黏合剂将限制层和应变层粘合起来，使驱动手指成为一个空腔结构。法兰盘和驱动手指通过螺栓连接，其中装配法兰盘的中心孔用于与机械臂连接。充气时，应变层的气囊结构应变较大，受限制层的约束，驱动手指向内弯曲；抽气时，应变层的收缩率大于限制层的收缩率，驱动手指向外弯曲；当排尽腔体内的气体，由于材料的柔顺性，驱动手指恢复原形。

图1 软体采摘机械手的结构示意图Fig. 1 Structure diagram of software picking manipulator

1.2 软体驱动手指的制备

本研究采用3D打印技术对模具进行制作，模具由应变层模具和限制层模具两部分组成，如图2所示，制备过程如下：

1)硅胶选用Smooth-ON公司生产的Dragon Skin 20材料，将硅胶A、B两组按1∶1的比例混合，分别取20 g，利用搅拌机搅拌均匀。

2)将配制好的硅胶材料均匀倒入模具中，并用端盖进行密封，为了避免气泡的产生，在应变层端盖模具上预留几个孔，用来排除多余的硅胶。

3)静置5 h后，将端盖模具从底部模具中拔出，得到应变层和限制层，通过硅胶将两部分黏合在一起，待其完全黏合，即可得到驱动手指实体。

4)为了保证气路的密封性，便于气管的插入，在通气孔插入快插接头，利用硅胶黏合剂将接口密封。

图2 驱动手指制备流程图Fig. 2 Driving finger preparation flow chart

2 软体采摘机械手有限元分析

设计的驱动手指结构参数如图1所示，主要有腔体厚度h、气囊个数k、气囊间隙d以及限制层厚度t，为了分析结构参数对驱动手指弯曲性能的影响，采用ABAQUS对其进行有限元仿真分析，得到最优的结构参数。驱动手指的弯曲变形属于非线性大变形，Yeoh模型能够表述其材料的特征[13]，其应变能密度函数表示为：

(1)

式中：Ci0和Di为待定系数；I1为变形张量；J为弹性体积比，硅胶视为不可压缩材料时，J=1。

通常使用二项参数形式的应变能密度函数[14]，Yeoh模型典型的二项参数形式为：

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

(2)

(3)

联立式(2)和式(3)，可得主应力σ1和主伸长比λ1之间的关系：

(4)

通过拉伸实验得到应力与应变的拟合曲线，如图3所示，经过ABAQUS处理分析得到其材料参数C10=0.11，C20=0.02。

图3 拉伸实验应力与应变的关系Fig. 3 Relationship between stress and strain in tensile test

仿真过程中，采用流体腔模型来实现充气模拟，并将充气端所在平面完全约束。由于属于大变形，分析步中需打开几何非线性开关。在网格单元类型设置中，选择四面体网格，几何阶次为二次，考虑到硅胶材料不可压缩，故采用杂交单元类型，网格划分如图4所示。

图4 驱动手指网格划分图Fig. 4 Grid division diagram of drivefinger

2.1 腔体壁厚对驱动手指弯曲性能的影响

分别对腔体壁厚为1.5，2.0，2.5以及3.0 mm的驱动手指仿真分析，其中气囊个数为8个，气囊间的间隙为3 mm，限制层厚度为2.5 mm。

不同腔体壁厚对弯曲特性影响的仿真结果见图5a。在相同气压下，腔体壁厚越大，弯曲角度越小，且随着气压的增大，弯曲角度增大的趋势逐渐放缓。壁厚为1.5 mm驱动手指在气压为40 kPa时的仿真图见图5b，由于壁厚太薄，无法约束驱动手指的径向膨胀，在限制层和应变层的连接处应力较大，极易损坏驱动手指；当壁厚3 mm时，材料自身的应力会大大限制其弯曲变形，故腔体的壁厚不宜太大。当壁厚2.5 mm时，既能满足弯曲角度的要求，且弯曲趋势较为平缓，驱动手指不易损坏。

图5 腔体壁厚对驱动手指弯曲特性的影响Fig. 5 Influence of cavity wall thickness on bending characteristics

2.2 气囊个数对驱动手指弯曲特性的影响

分别对气囊个数为8，10和12个的驱动手指进行仿真分析，其中腔体壁厚为2.5 mm，气囊间隙为3 mm，其厚度为2.5 mm。

气囊个数对驱动手指弯曲特性影响的仿真结果见图6，可见气囊个数对驱动手指弯曲特性影响不大，软体机械手实际使用时可根据被抓取物体的大小，选择合适的气囊个数，改变驱动手指的长度，达到对物体的稳定抓取。

图6 气囊个数对驱动手指弯曲特性的影响Fig. 6 Influence of the number of air bags on the bending characteristics

2.3 气囊间隙对驱动手指弯曲特性的影响

分别对气囊间隙为1，3和5 mm的驱动手指进行仿真分析，其中腔体壁厚为2.5 mm，气囊个数为8个，限制层厚度为2.5 mm。

气囊间隙对驱动手指弯曲特性影响的仿真结果见图7。当间隙为1 mm时，气压高于30 kPa时，由于气囊间隙较小，相邻气囊间变形发生干扰，且限制层的变形较大，导致弯曲角度变化较小；当间隙为5 mm，气压在20～50 kPa时，弯曲角度基本不变，气压大于50 kPa后，由气囊间隙太大，应变层无法限制其径向膨胀，导致驱动手指失效。故本研究采用间隙为3 mm的驱动手指结构。

图7 气囊间隙对驱动手指弯曲特性的影响Fig. 7 Influence of airbag clearance on bending characteristics

2.4 限制层厚度对驱动手指弯曲特性的影响

分别对限制层厚度为1.5，2.0，2.5和3.0 mm的驱动手指进行仿真分析。其中腔体壁厚为2.5 mm，气囊个数为8个，气囊间隙为3 mm。

限制层厚度对驱动手指弯曲特性的影响见图8。同一气压上，限制层壁厚越大，弯曲角度越小。当限制层厚度为1.5 mm，气压超过50 kPa时，由于限制层厚度太薄，限制层一侧变形较大，径向膨胀无法限制，最终导致驱动手指失效，弯曲角度不再变化。

图8 限制层厚度对驱动手指弯曲特性影响Fig. 8 Influence of limiting layer thickness on bending characteristics

通过上述对驱动手指各参数的有限元分析，其结构参数既要满足驱动手指能够达到一定弯曲角度，也要避免由于径向膨胀等原因造成驱动手指失效，故得到最优的结构参数为：腔体壁厚为2.5 mm，气囊个数为8个，气囊间隙为3 mm，限制层厚度为2.5 mm。

3 软体采摘机械手试验分析

3.1 软体采摘机械手弯曲特性试验

软体采摘机械手试验平台如图9所示，利用Stm32单片机与Labview通讯，实时获取比例阀的输出气压大小。继电器模块控制电磁阀的通断，控制气体的流向；DAC模块进行数/模转换控制输出模拟电压的大小，决定比例阀的开合大小，调节气压的大小。

1. Labview上位机；2. 继电器模块；3. 三极管放大电路；4. Stm32单片机；5. 比例阀；6. 直流电源；7. 真空发生器；8. 电磁阀；9. 驱动手指。图9 试验现场Fig. 9 Experimental site

当真空发生器工作时，驱动手指内部产生负压，向外侧弯曲；当比例阀工作时，驱动手指根据输入气压的大小，向内弯曲相应的角度。为了验证仿真结果的准确性，利用比例阀控制输入气压的大小，在网格上绘制出不同气压下驱动手指的弯曲图，如图10a所示。

图10 软体采摘机械手弯曲特性试验Fig. 10 Bending characteristic test of soft picking manipulator

试验结果与仿真结果的对比曲线见图10b。可以得到有限元仿真结果与试验结果基本吻合，能够准确反映驱动手指的弯曲特性，但当气压为10 kPa时，误差较大，分析原因可能是：1)刚开始充气时，气压输出不太稳定，驱动手指无法保持在稳定状态导致的测量误差；2)有限元仿真中本构模型的材料参数与实际参数存在一定误差。

3.2 软体采摘机械手末端输出力试验

软体采摘机械手末端输出力的大小决定着其负载能力，设计了如图11所示的试验装置对其进行测量。

图11 驱动手指末端输出力试验Fig. 11 Output force experiment at the end of driving finger

利用推拉力计分别在弯曲角度为0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°对不同气压作用下的驱动手指输出力进行测量。由于驱动手指的末端输出力与抓取物体表面垂直，应保证推拉力计与末端所在平面垂直。试验结果如表1所示，在驱动手指弯曲过程中，末端输出力随着弯曲角度的增大而减小，当弯曲到最大角度时，末端输出力为0；并且在相同弯曲角度下，充气压力越大，末端输出力越大。

表1 驱动手指末端输出力Table 1 Output force at the end of the drive finger

可见当软体采摘机械手抓取物体时，应该根据抓取物体的大小和抓取力的大小来选择适当的气压。

3.3 软体采摘机械手抓取试验

利用如图12所示的机械臂与软体采摘机械手连接，方便进行抓取试验。当抓取较大物体时，可先采用真空发生器产生负压，使各个驱动手指向外侧弯曲(图12a)，以适应抓取物体的大小，待机械臂到达抓取位置时，切换比例阀工作，使驱动手指向内弯曲，抓取物体。抓取可分为包络抓取和指尖抓取[15]，针对这两种抓取方式进行分析。

图12 软体采摘机械手抓取实验Fig. 12 Soft picking manipulator grasping experiment

首先对包络抓取进行分析。由于包络抓取是将整个物体包裹住，与物体接触面积大，通过弯矩产生较大的抓取力，适用于体积较大的物体，故选用苹果、梨、西红柿和芒果进行抓取，如图12b所示。可以看出软体采摘机械手可以很好地贴合物体表面，实现稳定抓取，且抓取物表面无损坏。

各水果的质量及驱动气压如表2所示。随着抓取物体质量的增加，所需的驱动气压也增大。当抓取芒果时，驱动气压达到最大，可见软体采摘机械手包络抓取的最大负载约为5.8 N。

表2 抓取物体质量及驱动气压Table 2 Grasping object mass and driving air pressure

然后对指尖抓取进行分析。指尖抓取是通过驱动手指的指尖与物体接触，接触面积较小，末端输出力无法提供较大的抓取力，主要针对体积较小的物体，故选用圣女果作为抓取对象，质量为15.3 g，在驱动气压为10 kPa时，即可实现抓取，如图12c所示。指尖抓取虽然可以实现对体积较小物体的无损抓取，但抓取的稳定性不足，容易造成抓取物体的脱落。造成这种现象的主要原因是驱动手指刚度太小，可以通过减小其长度或者添加变刚度结构来提高刚度。

对比上述两种抓取方式，包络抓取自动适应物体的形状和大小，能够实现对体积较大物体的抓取；指尖抓取可以对体积较小的物体进行抓取，但抓取的抗干扰能力较弱，通过适当提高其刚度以达到稳定抓取。可以根据不同的工作环境和抓取对象选择合适的抓取类型，对水果进行无损抓取。

4 结 论

基于软体机器人的工作原理，提出了一种用于水果无损抓取的软体采摘机械手，利用3D打印技术制作的模具，制备出驱动手指，并通过法兰盘将4个驱动手指装配成软体采摘机械手。为了分析驱动手指的结构参数对弯曲特性的影响，采用ABAQUS有限元分析对各个结构参数进行分析，优化了驱动手指的结构参数。搭建试验平台，在0～60 kPa驱动气压作用下，通过弯曲特性试验验证了有限元仿真的准确性，通过末端输出力试验得到弯曲角度与末端输出力的关系，最后对包络抓取和指尖抓取两种抓取方式进行对比分析，得出软体采摘机械手的最大输出力大约为5.8 N。