果蔬采摘剛度增強型軟體抓手設計與試驗*

田輝，張駐軍，王玲，陳永，李銳霞，吳鑫

(河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，鄭州市，450002)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，果蔬年產(chǎn)量常年居于世界首位，已成為許多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著自動化技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用推廣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化程度越來越高。農(nóng)業(yè)采摘作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為重要的環(huán)節(jié)，如何高效無損采摘，對于節(jié)省成本，提高采摘品質(zhì)，促進我國果蔬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義[1]。

隨著3D打印技術、高分子材料以及智能材料的快速發(fā)展，軟體抓手成為近年來國內(nèi)外研究的熱門課題[2]。與傳統(tǒng)的機械手相比，軟體抓手因具備柔順性好[3]、靈活度高[4]、控制簡單[5]等優(yōu)點，不僅解決了剛性夾持器在采摘時受到果蔬大小不一、形狀各異限制的難題，同時也解決了采摘時果蔬表皮易受損的難題。這種特點使得軟體機器人的驅(qū)動方法與傳統(tǒng)電動驅(qū)動不同，常見的軟體末端執(zhí)行器驅(qū)動方法主要包括氣壓驅(qū)動、介電彈性體驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動等[6],其中氣壓驅(qū)動是軟體機器人應用最廣泛的驅(qū)動方式[7]。氣壓驅(qū)動通過改變系統(tǒng)壓力實現(xiàn)對輸出力的連續(xù)調(diào)節(jié)，且由于氣體具有一定的壓縮性，可提高末端執(zhí)行器的緩沖和保護效果[8]。目前為止，研究者們提出了纖維增強型[9]、多腔體型[10]、粒狀干擾型[11]等軟體氣動執(zhí)行器。但傳統(tǒng)的軟體抓手存在剛度低、指尖力小等問題，不利于實際推廣應用?；谏鲜鰡栴}，本文設計制作了一種剛度增強型軟體抓手，在多腔體型軟體氣動執(zhí)行器的基礎上，提出了通過對發(fā)生層的腔體頂部及兩側(cè)增加限制性材料(尼龍布)以增大夾持力的方法。首先設計了剛度增強型末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，其次建立了數(shù)學模型分析執(zhí)行器末端位置與輸入氣壓之間的關系，接著通過Abaqus軟件仿真分析執(zhí)行器彎曲角度、支反力的變化規(guī)律，最后通過對比抓取試驗進一步驗證剛度增強型軟體抓手具有更好的抓取性能。

1 軟體末端執(zhí)行器的設計

1.1 軟體末端執(zhí)行器的設計原理

氣動驅(qū)動型末端執(zhí)行器主要分為纖維增強型與多腔體型，纖維增強型澆注工序多，制作周期長，纏繞纖維困難[12]。多腔體型末端執(zhí)行器制作過程簡單，澆注過程少，適應性好，但因結(jié)構(gòu)不同，澆注過程較為困難，易產(chǎn)生澆注不均勻且易產(chǎn)生氣泡[13]，兩種執(zhí)行器各有長處與不足。本文設計的剛度增強型軟體抓手的末端執(zhí)行器采用多腔體型末端執(zhí)行器，如圖1所示。執(zhí)行器可分為限制層與應變發(fā)生層，限制層為下層非彈性材料。應變發(fā)生層由上層超彈性硅膠制成，中間由多個腔室由通道聯(lián)通,發(fā)生層腔體頂部及兩側(cè)添加尼龍布。

圖1 軟體末端執(zhí)行器裝配圖Fig. 1 Assembly diagram of soft end actuator1.剛度增強結(jié)構(gòu) 2.應變發(fā)生層 3.應變限制層

本文設計的軟體抓手是由三個剛度增強型軟體執(zhí)行器和連接法蘭組成，使用四通將氣源與執(zhí)行器連接，如圖2所示。當氣體通入執(zhí)行器氣腔時，超彈性材料發(fā)生膨脹，與應變限制層產(chǎn)生“差動效應”，使得執(zhí)行器整體向底部限制層方向彎曲，進而實現(xiàn)軟體抓手對物體的包裹式抓取。執(zhí)行器腔體頂部及徑向兩側(cè)的限制性材料限制執(zhí)行器的頂部及兩側(cè)膨脹，增大了執(zhí)行器的剛度并有效減小了氣球效應。

圖2 軟體抓手抓取實物圖Fig. 2 Assembly diagram of soft end actuator

1.2 軟體末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設計與建模

多腔體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟體末端執(zhí)行器上腔結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Upper cavity structure of soft end actuator

圖3中L為執(zhí)行器的總長；L1為氣腔的高；L2為氣腔的寬；L3為氣腔的長；L4、L5、L6分別為氣道的長高寬；L7、L8、L9分別為一個腔體的長寬高；L#7為連接密封墊的腔體長度；L10、L11為兩腔體之間的距離與兩腔體之間連接件的高度。根據(jù)多次制作對比及經(jīng)驗積累，執(zhí)行器尺寸如表1所示。根據(jù)執(zhí)行器尺寸用Solidworks軟件建立模具模型，利用3D打印技術打印出模具，進而澆注出執(zhí)行器。

表1 執(zhí)行器尺寸參數(shù)Tab. 1 Actuator size parameters mm

2 執(zhí)行器的仿真與分析

2.1 數(shù)學模型的建立

將運動學模型與執(zhí)行器受力結(jié)合表示輸入氣壓與彎曲角度之間的關系，以此確定指尖位置與輸入氣壓之間的關系。通過對執(zhí)行器的受力分析，根據(jù)能量守恒定律建立方程。軟體執(zhí)行器的彎曲角度是由兩個相鄰腔體之間的彎曲角度φ與單腔彎曲角度θ共同構(gòu)成[14]。將每個氣腔看作一個單獨膨脹的小節(jié)，由于限制層的限制使執(zhí)行器產(chǎn)生彎曲運動?？稍O下層長度為c，底層厚度為t。則底層彎曲曲率如式(1)所示。

(1)

軟體腔體由超彈性材料硅膠制成，當氣體通入氣腔時硅膠受到氣壓發(fā)生膨脹彎曲。上層彎曲曲率由式(2)表示。

(2)

式中：h——軟體末端執(zhí)行器的高度。

因kc，kt都表示同一腔室的彎曲角度θ。因此每一腔室的彎曲曲率由式(3)所示。

(3)

式中：λ1——伸長比。

壓強與伸長量的關系可由式(4)所示。

(4)

式中：J——剪切模量，對于本文硅膠材料剪切模量為常量1。

則由式(2)～式(4)可得腔室彎曲角度θ與輸入氣壓P之間的關系由式(5)所示。

(5)

當通入氣體時，腔體膨脹腔室由體積V1膨脹至體積V2。氣體所作的功由式(6)所示。

(6)

膨脹時中心線由c變化為b由式(7)所示。

(7)

由于氣體做功使執(zhí)行器彎曲，即彎曲扭矩τi所做的功等于氣體所做的功，則扭矩τi與氣壓P之間存在如式(8)、式(9)所示關系。

W1=W2

(8)

(9)

式中：W2——扭矩τi所做的功。

扭矩所做的功由式(10)所示。

(10)

由此得到兩個腔體之間彎曲角度φ與氣壓P之間的關系，通過式(6)～式(10)可以得到總彎曲角度與氣壓之間的關系，如式(11)所示。

(11)

式中：α——總彎曲角度；

n——腔體個數(shù)，腔體個數(shù)為8。

2.2 仿真及結(jié)果分析

2.2.1 仿真模型及參數(shù)

Ecoflex 00-30硅膠屬于超彈性材料，超彈性材料在受拉力壓力變形時，變形是非線性的，不能用彈性模量來表示。對于超彈性材料能描述其力學特性的本構(gòu)模型有Mooney-Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Ogden模型和Yeoh模型[15]。其中Mooney-Rivlin模型與Neo-Hookean模型適用于描述材料形變較小的情況，對于形變較大的情況其力學特征不能準確的表達[16]。 Yeoh模型在變形時存在較好的適應性，也因此我們通常將Yeoh模型作為分析超彈性材料硅膠的本構(gòu)模型[17]。Yeoh模型需要拉伸試驗確定材料常數(shù)，其典型密度函數(shù)的二項參數(shù)形式[18]由式(12)所示。

W=C1(I1-3)+C2(I1-3)2

(12)

式中：I1——初始變形張量；

C1、C2——材料參數(shù)；

W——應變勢能。

根據(jù)硅膠的拉伸應力與應變數(shù)據(jù)與Yeoh模型擬合曲線擬合得出C1=0.11，C2=0.02。

本文限制層采用楊氏模量為6 500 MPa，泊松比為0.2，密度為750 kg/m3的尼龍布。發(fā)生層為Ecoflex 00-30硅膠，密度為1 070 kg/m3；為了增加軟體執(zhí)行器的剛度，本文在執(zhí)行器腔體頂部及徑向兩側(cè)加入尼龍布，與底層限制層的材料相同。

2.2.2 仿真過程

對于剛度增強型軟體末端執(zhí)行器的性能測試，本文采用執(zhí)行器的柔順性即彎曲角度以及相同彎曲角度下的尖端力來確定。本文將Abaqus仿真結(jié)果以圖片形式保存，利用Picpick軟件對圖片進行編輯，畫出彎曲擬合曲線保存圖片，最后對角度進行測量。如圖4所示，彎曲尖端末端與圓心形成的夾角為執(zhí)行器彎曲角度。如圖5所示為剛度增強型軟體執(zhí)行器仿真結(jié)果圖。

(a) 0.06 MPa

(b) 0.05 MPa

(c) 0.04 MPa

(d) 0.03 MPa

(e) 0.02 MPa

(f) 0.01 MPa圖4 傳統(tǒng)軟體執(zhí)行器仿真圖像Fig. 4 Simulation image of the traditional software actuator

(a) 0.06 MPa

(b) 0.05 MPa

(c) 0.04 MPa

(d) 0.03 MPa

(e) 0.02 MPa

(f) 0.01 MPa圖5 剛度增強型軟體末端執(zhí)行器仿真圖像Fig. 5 Stiffness-enhanced soft end effector simulation image

2.2.3 仿真結(jié)果分析

如圖6(a)所示為傳統(tǒng)型末端執(zhí)行器與剛度增強型末端執(zhí)行器關系對比曲線圖。由曲線圖可知：隨著壓強的增大傳統(tǒng)型和剛度增強型末端執(zhí)行器隨著壓強的增大彎曲角度逐步增大，相同壓強下剛度增強型末端執(zhí)行器彎曲角度略小于傳統(tǒng)型，即剛度增強型軟體執(zhí)行器柔順性小于傳統(tǒng)型。如圖6(b)所示為傳統(tǒng)型與剛度增強型執(zhí)行器工作壓力與末端支反力的關系對比圖，支反力是執(zhí)行器在一定氣壓下施加端部支反力約束時測得力的大小[19]。由曲線圖可知：隨著壓強的增大，執(zhí)行器的末端力變大；相同壓強下剛度增強型軟體末端執(zhí)行器末端力大于傳統(tǒng)型；此外，傳統(tǒng)型末端執(zhí)行器僅能承受0.06 MPa左右的壓強，剛度增強型執(zhí)行器可至少承受0.08 MPa的工作壓強。

如圖6(c)所示為傳統(tǒng)型與剛度增強型彎曲角度與末端支反力的關系對比圖。由曲線圖可知：相同彎曲角度下，剛度增強型軟體末端執(zhí)行器末端力遠超于傳統(tǒng)型軟體末端執(zhí)行器。

(a) 壓力與彎曲角度關系圖

(b) 壓力與末端支反力關系圖

(c) 彎曲角度與末端支反力關系圖圖6 傳統(tǒng)型與剛度增強型執(zhí)行器性能仿真對比圖Fig. 6 Traditional and stiffness enhancement actuator performance simulation comparison

2.3 執(zhí)行器的制作與試驗研究

2.3.1 剛度增強型執(zhí)行器的制作

根據(jù)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設計模具，腔體部分精度要求較高選用光敏樹脂，限制層精度要求較低，選用較為實惠的PLA材料，通過3D打印制作模具。

如圖7所示：裝配在一起進行澆注過程。此時將修剪好的尼龍布依次放入模具的左右兩側(cè)，緊貼模具，在將Ecoflex 00-30硅膠的A、B硅膠按1∶1混合均勻，放入真空泵抽取氣泡。混合攪拌過程中要注意朝一個方向緩慢攪拌，攪拌時間不易過長，待A、B兩種硅膠完全混合均勻即可，抽取氣泡時間同樣不易過長。將脫泡后的硅膠倒入模具，為確保硅膠完全填滿模具將模具傾斜硅膠朝一側(cè)倒入，再將尼龍布放置在上側(cè)。

常溫下凝固后，取出應變層發(fā)生層，為確保應變層與限制層氣密性。在澆注限制層時將應變層輕輕的放置在限制層上。待完全凝固后，將執(zhí)行器放入密封墊中澆注硅膠。

圖7 澆注模具Fig. 7 Casting the mold

2.3.2 抓取試驗

為探究剛度增強型軟體抓手相對于傳統(tǒng)軟體抓手的優(yōu)點，本文通過抓取試驗進行對比。首先將所需要抓取的物品進行稱重，其次通過抓取試驗對比兩種抓手抓取性能。通過對比抓手抓取物體最大重量來測試抓取性能，選擇不同大小，不同品種的水果進行抓取試驗[20]，每次抓取水果保持5 s不松落說明試驗成功。為確保試驗的準確性，不同物體進行多次試驗。如圖8所示為軟體末端抓手的抓取試驗，如表2所示為剛度增強型抓手抓取物體的重量表。

(a) 傳統(tǒng)軟體抓手抓取試驗

(b) 剛度增強型軟體抓手抓取試驗圖8 傳統(tǒng)軟體抓手與剛度增強型軟體抓手抓取試驗圖Fig. 8 Traditional software stickle and stiffness enhancedsoftware claps experiment map

表2 抓取物體重量表Tab. 2 Grab weight table

如圖8(a)所示，傳統(tǒng)型軟體抓手在抓取質(zhì)量較輕的物體(擺件、小油桃)時尚能保持良好的性能，在抓取西紅柿時執(zhí)行器已經(jīng)出現(xiàn)了嚴重的局部變形；如圖8(b)所示，剛度增強型軟體抓手在抓取白瓜、芒果、香蕉時仍可保持執(zhí)行器與物體表面貼合，執(zhí)行器未出現(xiàn)變形；通過物體抓取并結(jié)合表2可知：剛度增強型軟體抓手最大抓取重量約為414 g，傳統(tǒng)型軟體抓手最大抓取重量約為108 g；可見剛度增強型軟體抓手抓取的最大負載約為4 N，傳統(tǒng)軟體抓手抓取的最大負載約為1 N，剛度增強型軟體抓手的最大抓取重量約為傳統(tǒng)型軟體抓手的4倍。

3 結(jié)論

本文采用尼龍布與硅膠混合將尼龍布作為限制層以及剛性構(gòu)建將尼龍布放置在應變層腔體的左側(cè)右側(cè)以及上側(cè)組合而成的剛度增強型軟體末端執(zhí)行器。本文通過理論分析，仿真模擬，試驗對比分析得出如下結(jié)論。

1) 剛度增強型軟體末端執(zhí)行器在相同壓強下的彎曲角度略小于傳統(tǒng)型軟體末端執(zhí)行器，但不影響執(zhí)行器的彎曲性能。

2) 剛度增強型軟體末端執(zhí)行器可承載更大的工作壓強，且在相同壓強和彎曲角度下，剛度增強型末端執(zhí)行器的末端力大于傳統(tǒng)型末端執(zhí)行器。

3) 剛度增強型軟體抓手的抓持力約為傳統(tǒng)型軟體抓手的4倍。