摘要：為實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)果蔬的無(wú)損采摘，提出一種充氣呈螺旋運(yùn)動(dòng)的軟體氣動(dòng)抓手。通過(guò)對(duì)該抓手進(jìn)行有限元靜力學(xué)仿真分析，采用3因素3水平的中心組合設(shè)計(jì)與響應(yīng)面分析方法，研究各因素對(duì)軟體氣動(dòng)抓手螺旋特性的交互影響。以軟體氣動(dòng)抓手的螺旋直徑和螺距為響應(yīng)值分別建立二次回歸模型，得到模型的決定系數(shù)分別為0.9987和0.9351，各因素對(duì)螺旋直徑和螺距的影響顯著性從大到小排序均為：壁厚、內(nèi)腔室寬度、腔室角度;以軟體氣動(dòng)抓手的仿真直徑35mm、仿真螺距[50,150]mm為目標(biāo)函數(shù)對(duì)各影響因素進(jìn)行優(yōu)化，最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果為壁厚2.51mm、腔室角30.52°、內(nèi)腔室高度11.91mm。制作優(yōu)化后的軟體氣動(dòng)抓手并進(jìn)行試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明螺旋直徑與螺距的誤差均小于5%。測(cè)量該抓手在不同氣壓下的抓取力，結(jié)果顯示軟體氣動(dòng)抓手在0.13MPa下具有3.37N的最大抓取力。通過(guò)抓取不同尺寸和不同柔軟度的細(xì)長(zhǎng)果蔬說(shuō)明了軟體氣動(dòng)抓手的有效性。以水果黃瓜為采摘對(duì)象，在3.6s內(nèi)實(shí)現(xiàn)了黃瓜的抓取與斷梗。

　　關(guān)鍵詞：細(xì)長(zhǎng)果蔬;軟體氣動(dòng)抓手;螺旋運(yùn)動(dòng);響應(yīng)面;仿真優(yōu)化

　　0引言

　　近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，勞動(dòng)力緊缺已經(jīng)初步限制農(nóng)業(yè)的發(fā)展，特別是勞動(dòng)密集型的果蔬采摘產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重受挫，因此在果蔬采摘領(lǐng)域急需各種類型的采摘機(jī)器人填補(bǔ)勞動(dòng)力空白[1-5]。由于果蔬柔嫩，如何在收獲的過(guò)程中有效減少果蔬損傷一直是農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[6-8]。在多數(shù)果蔬采摘作業(yè)中，均需通過(guò)采摘抓手對(duì)果蔬的夾持實(shí)現(xiàn)摘取，因此避免夾持損傷成為實(shí)現(xiàn)采摘抓手無(wú)損采摘的重點(diǎn)和關(guān)鍵。農(nóng)業(yè)采摘抓手對(duì)于農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義[9-11]。

　　農(nóng)業(yè)論文投稿刊物：《農(nóng)機(jī)化研究》創(chuàng)刊于1979年，季刊，國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行本刊為農(nóng)業(yè)工程類學(xué)術(shù)期刊，中國(guó)農(nóng)機(jī)學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化分會(huì)、黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)和黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院共同主辦的學(xué)術(shù)性期刊，其投稿要以緊緊圍繞大農(nóng)業(yè)概念下(包括農(nóng)、林、《農(nóng)機(jī)化研究》牧、副、漁)的機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化及數(shù)字化相關(guān)的新理論、新技術(shù)、新成果和綜合述評(píng)為核心內(nèi)容，語(yǔ)言精煉、結(jié)構(gòu)完整、表達(dá)準(zhǔn)確。

　　針對(duì)如何有效采摘不同果蔬的問(wèn)題，諸多學(xué)者開展了農(nóng)業(yè)采摘抓手的研究[12-16]。這些研究設(shè)計(jì)的抓手對(duì)類橢圓形果蔬具有較大優(yōu)勢(shì)，但對(duì)大長(zhǎng)徑比果蔬的抓取仍有較大困難。為了采摘黃瓜和茄子等大長(zhǎng)徑比類果蔬，文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了黃瓜采摘抓手，該抓持器由兩個(gè)基于氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的彎曲關(guān)節(jié)構(gòu)成,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,輸出力較大,對(duì)黃瓜的抓取成功率和斷梗率較高,抓手的柔順度有待進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[18]研究的黃瓜采摘抓手的夾持裝置是由兩根夾持手指和吸盤構(gòu)成，在收獲過(guò)程中夾持手指承載主要載荷，吸盤起輔助固定作用，由于吸盤承受的載荷較小，在抓取過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取。

　　文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了一種兩指茄子采摘機(jī)器人抓手，其中夾持裝置是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩根金屬手指，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)3~6.5cm的茄子進(jìn)行抓取。文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)的茄子抓手，其中真空吸附系統(tǒng)和四指配合使用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)茄子的柔性穩(wěn)定抓取。周思路[21]針對(duì)茄子采摘設(shè)計(jì)了一種兩指式抓手，該抓手由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，但對(duì)黃瓜表皮的硬度有很高的依賴性。文獻(xiàn)[22]針對(duì)海參的捕獲設(shè)計(jì)了一種水下遠(yuǎn)程遙控抓手，該抓手能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)并精準(zhǔn)的捕獲海參。

　　文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)的甜椒采摘機(jī)械手是由與齒輪連接的兩根金屬手指構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)流暢。以上果蔬采摘抓手均為傳統(tǒng)的剛性抓手，其精密的驅(qū)動(dòng)部件和傳動(dòng)部件降低了抓手在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中應(yīng)用的可靠性和耐久性，同時(shí)需要依靠精密的傳感部件和復(fù)雜的傳感策略才能實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)長(zhǎng)果蔬的無(wú)損采摘，限制了剛性采摘抓手的應(yīng)用。針對(duì)上述問(wèn)題，本文受藤曼卷曲現(xiàn)象的啟發(fā)，設(shè)計(jì)一種螺旋纏繞型軟體氣動(dòng)抓手。以軟體氣動(dòng)抓手的壁厚、腔室角以及內(nèi)腔室高度為影響因素，以該抓手的螺旋半徑和螺距為優(yōu)化目標(biāo)，使用有限元分析和響應(yīng)面分析法對(duì)軟體氣動(dòng)抓手進(jìn)行優(yōu)化。

　　1抓手的設(shè)計(jì)與制作

　　由于部分農(nóng)作物果實(shí)的形狀為細(xì)長(zhǎng)型且表皮較柔軟、易損傷(如黃瓜、茄子、辣椒等)，使用傳統(tǒng)的剛性采摘抓手難以實(shí)現(xiàn)無(wú)損采摘[24,25]。細(xì)長(zhǎng)果蔬。軟體氣動(dòng)抓手的螺旋直徑和螺距對(duì)抓取的細(xì)長(zhǎng)果蔬的直徑，螺距決定了抓取過(guò)程中細(xì)長(zhǎng)果蔬受力的均勻性。為設(shè)計(jì)螺旋型軟體氣動(dòng)抓手的尺寸，以市場(chǎng)上水果黃瓜為典型抓取對(duì)象，并對(duì)水果黃瓜的幾何特性進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量100根水果黃瓜的直徑和長(zhǎng)度，求取的平均直徑和平均長(zhǎng)度分別為35mm和150mm。

　　本文設(shè)計(jì)螺旋型抓手的長(zhǎng)度L=200mm，軟體氣動(dòng)抓手腔室之間的距離s=1.6mm，腔室之間通道的尺寸分為bb=2mm2mm，軟體氣動(dòng)抓手的寬度為W，高度為H，壁厚為t，腔室的角度為θ，內(nèi)腔室的高度為d,內(nèi)腔室的高度為h。目前，軟體氣動(dòng)抓手的制作方法主要包括模具鑄造法、失蠟法和3D打印一體成型方法，本文選用模具鑄造法作為軟體氣動(dòng)抓手的制作方法。

　　首先，用3D打印制作所需的3個(gè)鑄造模具(PLA-F170型,Stratasys)，分別為模具1、模具2、模具3、模具4，并將模具1和模具2組裝為模具4。其次，將脫泡液體硅膠倒入模具3和組裝好的模具4中，并將其放入內(nèi)部溫度為60℃的真空干燥箱中固化2h。從模具4中取出固化的軟體氣動(dòng)抓手上層。然后，用脫泡液體硅膠粘合軟體氣動(dòng)抓手的上層和下層，并將其放入內(nèi)部溫度為60℃的真空干燥箱中固化2h。最后，取出制作完成的軟體氣動(dòng)抓手，并在其端部插入氣管。

　　2有限元分析

　　通過(guò)仿真工具研究不同參數(shù)下抓手的變形情況。該抓手是由硅橡膠(超彈性材料)制作，在氣壓的作用下發(fā)生非線性大變形，傳統(tǒng)基于小變形假設(shè)的線彈性理論將難以解釋其變形過(guò)程。通常，硅橡膠材料的本構(gòu)模型是基于材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與唯象理論建立的。通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)代入本構(gòu)模型中擬合出模型參數(shù)，擬合結(jié)果能預(yù)測(cè)柔性材料的拉伸和剪切等力學(xué)行為并較準(zhǔn)確地描述非線性材料的大變形特性。目前常用的硅橡膠材料的本構(gòu)模型有Neo-Hookean、Ogden、Mooney-Rivlin、Yeoh、Arruda-Boyce、Blatz-Ko、SaintVenant-Kirchhoff等[26]。

　　3試驗(yàn)參數(shù)與方法

　　3.1試驗(yàn)因素與水平

　　由初步的抓取試驗(yàn)可知，軟體氣動(dòng)抓手的壁厚、內(nèi)腔室高度和腔室角對(duì)其螺旋半徑和螺距均有影響，以下使用響應(yīng)面優(yōu)化法以壁厚、內(nèi)腔室高度和腔室角作為影響因素，以螺旋半徑和螺距為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)軟體氣動(dòng)抓手的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)單因素仿真確定軟體氣動(dòng)抓手的螺旋直徑為35mm(水果黃瓜平均直徑)的壁厚、內(nèi)腔室高度和腔室角的范圍分別為2～3mm、8～12mm和30°～60°。采用3因素3水平中心組合設(shè)計(jì)的Box-Behnken試驗(yàn)，并以(-1，0，1)為編碼，取壁厚、內(nèi)腔室高度和腔室角度的水平如表1所示，并在最大氣壓為0.08MPa(仿真氣壓)下分別開展螺旋直徑和螺距的仿真優(yōu)化試驗(yàn)。

　　4參數(shù)優(yōu)化與對(duì)比試驗(yàn)

　　通過(guò)軟體氣動(dòng)抓手螺旋直徑與螺距的回歸模型，運(yùn)用Design–Expert8.0軟件中Optimization功能，以仿真直徑35mm、仿真螺距[50,150]mm為目標(biāo)函數(shù)，其變量的取值范圍為壁厚范圍為A[2,3]mm、內(nèi)腔室高度B[8,12]mm、腔室角C[30,60]°,對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到各因素最優(yōu)工作參數(shù)為A=2.51mm，B=11.91mm，C=30.52°。此時(shí)，仿真直徑為35mm，仿真螺距為100.05mm。為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，以上述優(yōu)化后的工作參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)重復(fù)3次，仿真直徑、仿真螺距的相對(duì)誤差均小于5%，表明響應(yīng)面仿真試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У膶?shí)現(xiàn)優(yōu)化。

　　5軟體氣動(dòng)抓手抓取試驗(yàn)

　　5.1不同氣壓下軟體氣動(dòng)抓手抓取質(zhì)量

　　本研究的抓取對(duì)象是細(xì)長(zhǎng)果蔬，在滿足柔性抓取的基礎(chǔ)上以水果黃瓜為抓取對(duì)象，測(cè)量軟體氣動(dòng)抓手在不同氣壓下的抓取力。通過(guò)法蘭將軟體氣動(dòng)抓手固定在機(jī)械臂(JAKAZU3)末端，該抓手在氣壓為0.08~0.13MPa，步長(zhǎng)為0.01MPa下分別對(duì)水果黃瓜進(jìn)行抓取。

　　在每個(gè)氣壓下，待軟體氣動(dòng)抓手螺旋抓取水果黃瓜后，向水果黃瓜下方懸掛砝碼，持續(xù)增加砝碼質(zhì)量，直至水果黃瓜與抓手之間產(chǎn)生滑移，記錄懸掛砝碼的總質(zhì)量，該試驗(yàn)在相同條件下進(jìn)行5次，以懸掛砝碼總質(zhì)量m的最小值作為軟體氣動(dòng)抓手在該氣壓下的最大摩擦力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得黃瓜與硅膠之間的靜摩擦因數(shù)為1.1，考慮黃瓜與在夾持過(guò)程中軸線與豎直方向存在微小的夾角為6.48 。

　　6結(jié)論

　　(1)設(shè)計(jì)一種螺旋變形的軟體氣動(dòng)抓手。以該抓手的螺旋直徑和螺距作為關(guān)鍵性能參數(shù)，對(duì)壁厚、內(nèi)腔室高度和腔室角度進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。

　　(2)應(yīng)用ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)該抓手的變形特性進(jìn)行仿真分析，并用3因素3水平中心組合設(shè)計(jì)的Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果顯示，各因素對(duì)螺旋直徑和螺距影響的顯著性從大到小排序均為：壁厚、內(nèi)腔室高度、腔室角度，優(yōu)化后的壁厚、內(nèi)腔室高度和腔室角度分別為2.51mm、11.91mm和30.52°，此時(shí)螺旋直徑和螺距分別為35mm和100.05mm。

　　(3)對(duì)優(yōu)化后的軟體氣動(dòng)抓手在不同氣壓下的抓取力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明該抓手在0.13MPa下具有3.37N的最大抓取力。通過(guò)抓取試驗(yàn)，說(shuō)明該抓手對(duì)水果黃瓜、尖椒和長(zhǎng)茄等細(xì)長(zhǎng)果蔬可進(jìn)行無(wú)損抓取。動(dòng)態(tài)采摘試驗(yàn)表明在3.6s內(nèi)完成了水果黃瓜的無(wú)損采摘。

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　　作者：賈江鳴1葉玉澤1程培林1胡潤(rùn)澤1武傳宇1,2