一種果蔬采摘柔性末端夾持器的設(shè)計與制作

張珂 張駐軍 李英杰 田輝 李祥付

目前，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、科學(xué)勘探等方面得到了廣泛的應(yīng)用，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動化的深入發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面發(fā)展迅速。其中，采用柔性材料制造的軟體機(jī)器手在農(nóng)作物采摘方面有著獨特的優(yōu)勢，較強(qiáng)的靈活性使其適應(yīng)農(nóng)作物枝葉錯綜復(fù)雜的環(huán)境;良好的柔韌性使其能夠摘取不同形狀的果實，通用性比較廣;高效的過載保護(hù)能力使其避免載荷過大時損害果實。

本設(shè)計選取多腔室應(yīng)變的方式設(shè)計制作了一種果蔬采摘柔性末端夾持器。夾持器由應(yīng)變抑制層和充氣應(yīng)變腔室部分組成，采用超彈性硅橡膠材料制作，選用空氣為傳動介質(zhì)，基于帕斯卡原理，通過控制腔體內(nèi)的氣壓來控制夾持器的伸長與彎曲，完成果蔬的

采摘。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動原理

果蔬采摘柔性末端夾持器采用多腔室應(yīng)變結(jié)構(gòu)，由底層的應(yīng)變抑制層和充氣應(yīng)變腔室部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，在充氣應(yīng)變腔室通入氣壓后，由超彈性材料構(gòu)成的腔室發(fā)生膨脹，沿長度方向互相遠(yuǎn)離，底層的應(yīng)變抑制層限制了其在底層的膨脹變形，使柔性末端夾持器向應(yīng)變抑制層彎曲，采用3個圓周分布的夾持器配合使用，通過改變氣壓大小和腔室尺寸分布來控制“三爪機(jī)械手”的彎曲程度和夾取能力，完成果蔬的抓取。

在尺寸設(shè)計時，沿長度方向的壁厚L1相對于其他方向的壁厚稍小，其目的是使夾持器充氣膨脹以后主要沿長度方向膨脹，在底層的應(yīng)變抑制層的作用下實現(xiàn)最大程度的彎曲效果，防止其他方向的膨脹，提高工作效率。

二、果蔬采摘柔性末端夾持器的制備

本設(shè)計的材料采用Ecoflex-0050硅橡膠澆注而成，此類硅膠應(yīng)變性能好，具有很好的彈性以及伸長率。模具采用SolidWorks三維設(shè)計軟件進(jìn)行建模，導(dǎo)入3D打印軟件中進(jìn)行切片處理，采用3D打印機(jī)打印出充氣應(yīng)變腔室部分的上下模如圖2。分型面的選擇要便于脫模和模具的制造，下模結(jié)構(gòu)尺寸與夾持器的內(nèi)部輪廓一致，上模結(jié)構(gòu)尺寸與夾持器的外部結(jié)構(gòu)尺寸一致，上下模組合使用澆鑄出腔室結(jié)構(gòu)。

由于硅膠材料有一定黏度，在攪拌混合時會混入氣泡，影響軟體夾持器的力學(xué)性能，故混合后的硅膠澆注到模具中，需要放入真空箱中進(jìn)行除泡處理，靜置使其凝固成型。取出充氣應(yīng)變腔室部分和應(yīng)變抑制部分，對應(yīng)擺放后采用硅膠黏接劑進(jìn)行黏合，將3個夾持器沿圓周分布裝配為三爪結(jié)構(gòu)完成制作。

三、動力傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

氣壓驅(qū)動是軟體機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用比較廣闊的驅(qū)動方式，根據(jù)本設(shè)計在果蔬采摘方面應(yīng)用的特點，選用氣壓傳動方式，無環(huán)境污染，可針對不同的工作狀況實現(xiàn)無級調(diào)速，相對于液壓傳動氣壓傳動的流體黏度很小，流動時阻力損失小。圖3為氣壓傳動回路圖。該氣動回路的能源裝置為氣泵，搭配儲氣罐使用;執(zhí)行元件是果蔬采摘柔性末端夾持器;控制元件有精密調(diào)壓閥、二位三通電磁換向閥;輔助元件包括普通壓力表和精密壓力表。

將裝配完成的軟體機(jī)械手與氣壓傳動回路連接，工作時由氣泵輸出壓縮空氣，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥以調(diào)節(jié)氣壓至適當(dāng)范圍，通過二位三通電磁換向閥控制氣動回路的通斷。當(dāng)電磁閥打開時，換向閥位于接通位置，當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，換向閥處于斷開位置。換向閥后的普通壓力表測定通入的氣壓，當(dāng)普通壓力表讀數(shù)小于精密壓力表的量程時，才能保證精密壓力表的安全使用，此時可打開閥門，通入氣壓進(jìn)行抓取，精密壓力表所測得的讀數(shù)即為摘取果實時的工作壓力。

四、總結(jié)

該設(shè)計在模仿人手結(jié)構(gòu)和特點的基礎(chǔ)上，以目前仿生機(jī)械手的研究進(jìn)展為依托，結(jié)合三維建模軟件、3D打印技術(shù)和氣壓傳動知識，設(shè)計出針對果蔬采摘的末端夾持器。隨著各種超彈性材料的發(fā)展、先進(jìn)的有限元分析及設(shè)計仿真軟件的應(yīng)用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)軟體機(jī)器人的設(shè)計研發(fā)更加方便，這將會是軟體機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面迅速發(fā)展的一個契機(jī)。

〔基金項目：河南省科技攻關(guān)項目（182102110356），2020年度河南省新工科研究與實踐項目（2020JGLX014），河南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度一般課題（2020YB045）〕