面向草莓抓取的氣動四葉片軟體抓手研制

李 健，戴楚彥，王揚(yáng)威，查富生，苗文亮

(1.黑龍江省林業(yè)智能裝備工程重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150040；2.機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱150090)

傳統(tǒng)的剛性鏈接機(jī)械手具備高精度、迅速響應(yīng)和重復(fù)執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)勢，針對重量和體積較大物品可以實現(xiàn)穩(wěn)定抓握[1]。受到非結(jié)構(gòu)化的采摘環(huán)境和復(fù)雜的天氣因素影響，機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用仍存在諸多的難點。近年來，軟體機(jī)器人技術(shù)已成為發(fā)展最快的領(lǐng)域，研究人員通過對自然界的仿生，提出了大量的多自由度柔軟結(jié)構(gòu)[2-6]。通過在末端手指或者整體結(jié)構(gòu)上使用超彈性軟材料，軟體機(jī)器人可以在抓取過程中實現(xiàn)對不規(guī)則、表皮較脆弱的果實的有效保護(hù)，其結(jié)構(gòu)自身具備較高的柔順性和靈活性[7-8]，可以在有限的采摘空間中實現(xiàn)多形態(tài)的變化[9-10]。

氣動軟體手爪的研究最早始于1990年，日立制作所的鈴森康一設(shè)計了一種三自由度的軟體致動器[11-12]，使用有限元分析和特征方程的方法分析了其運(yùn)動特性。近年來研究學(xué)者對軟體機(jī)械手開展了持續(xù)的研究[13-14]。京都大學(xué)的Kondo等[15]研制了一種末端執(zhí)行器，可以一次收獲單個番茄果實或是一個番茄簇，每次采摘時間約為15 s。新加坡國立大學(xué)Low等[16]研制了四指氣動軟體抓手，通過改變驅(qū)動器的長度和寬度，穩(wěn)定抓取和固定50～1 100 g的目標(biāo)物。北華大學(xué)的趙云偉等[17]仿照人手的外形和功能，設(shè)計了一種多自由度采摘機(jī)械手，適用于抓取球形和圓柱形目標(biāo)物。國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心的馮青春等[18]研發(fā)了草莓采摘機(jī)器人，使用風(fēng)琴式吸盤和電熱絲熔斷組成的柔性末端執(zhí)行器，有效降低了對表皮的損傷。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手體積較大、控制精度要求高、自適應(yīng)能力較差[19-20]，難以實現(xiàn)無損采摘。目前，常見的三指軟體抓手已經(jīng)可以實現(xiàn)適應(yīng)性的抓握，作為抓取作業(yè)中設(shè)計核心的末端驅(qū)動器[21]，通常采用氣體驅(qū)動、多腔式設(shè)計。但是，針對果蔬的不規(guī)則外形特點，現(xiàn)有的軟體驅(qū)動器難以實現(xiàn)果實的完全包裹和對末端力的精確控制。因而，軟體抓手在無損采摘中仍存在很大的研究空間。本研究設(shè)計了一種貼合草莓表面的軟體抓手，設(shè)計原理來自草莓的外部輪廓曲線，采用氣體驅(qū)動的方式。通過建立軟體抓手的模型，優(yōu)化仿真分析的算法，獲得葉片在不同氣壓下的變形量，進(jìn)而調(diào)整氣體通道的排布。在抓取實驗前，測試草莓表面的破壞應(yīng)力和軟體抓手的末端力，最終實現(xiàn)對草莓的安全抓握。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計方法

針對不同品種的草莓，傳統(tǒng)的機(jī)械抓手很難做到適應(yīng)草莓的表皮輪廓，因而采用柔性機(jī)械手實現(xiàn)抓取操作，其設(shè)計基礎(chǔ)是確保對抓取對象外表面的完全包裹和無損保護(hù)。目前，市面上的草莓多為工廠化的大棚種植，每個品種在經(jīng)過培育后，其果實的大小和形狀大多相似。論文由此選取市面上常見的五個品種的草莓作為觀測對象，選用各品種最具代表性的果實圖像，利用Matlab軟件提取清晰的草莓輪廓曲線，如圖1所示。為使圖像輪廓具備更好的清晰度，依次采用顏色空間識別、圖像膨脹、腐蝕和二值化操作，選用色相和保護(hù)度較好的圖像，然后填充目標(biāo)對象的空洞，減小噪聲的形狀和體積，連接斷開的輪廓線，最后獲得清晰的草莓曲線。調(diào)整圖像角度使草莓輪廓的中線豎直于圖像中央，添加1根草莓中心線縱軸和41根間距為5 mm橫軸的分割線，根據(jù)分割線與輪廓曲線的交點，將圖像中的輪廓線轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)數(shù)值。分別提取每個品種草莓的左右兩側(cè)曲線，獲得如圖2(a)所示草莓輪廓曲線。

圖1 草莓輪廓提取過程Fig.1 Strawberry contour extraction process

針對草莓外部輪廓設(shè)計驅(qū)動器的限制層，輪廓曲線的邊緣凹凸較多、曲率變化較大，會降低驅(qū)動器內(nèi)部接觸面的平滑度。抓取不同品種草莓時，曲線的最大寬度會影響抓手的穩(wěn)定性和安全性，較小寬度會對體型較大的目標(biāo)對象造成額外的壓力，而較大的寬度會在抓取較小目標(biāo)對象時出現(xiàn)松動的情況。因此在相同的Y軸坐標(biāo)下，對不同曲線的X軸數(shù)值做均值處理，最終獲得一條平滑曲線作為設(shè)計曲線(如圖2(b)所示)。

(a)草莓輪廓曲線

如圖3所示，為實現(xiàn)軟體抓手對草莓外表面的完全包裹，基于Solidworks軟件對草莓曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)基體獲得草莓3D模型，然后在模型的橫向最寬位置和縱向中線位置切除實體，寬度為2 mm，最后使用展平操作將3D模型生成一個平面，作為軟體抓手的限制層平面。按照草莓曲線的尺寸設(shè)計，可以實現(xiàn)在抓取的過程中，降低抓取不牢和草莓外表面破損的情況。

(a)草莓設(shè)計曲線 (b)橫縱切除2 mm展平曲面圖3 軟體抓手設(shè)計原理Fig.3 Principles of soft gripper design

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究利用草莓設(shè)計曲線，設(shè)計了一種新型四葉片軟體抓手Ⅰ型，結(jié)構(gòu)模型如圖4(a)所示，其主要結(jié)構(gòu)由限制層和腔室層兩大部分組成。

(a)軟體抓手剖面圖

限制層使用硅橡膠材料制備而成，加入具有較小伸長率的紗網(wǎng)，限制硅橡膠材料的膨脹拉伸。腔室層由4個在縱軸兩側(cè)完全相同的葉片組成，每個葉片中均勻排布?xì)怏w腔室，隨著氣壓的升高，軟體抓手的葉片向內(nèi)部收緊完成抓握動作，四葉片協(xié)調(diào)彎曲動作如圖4(b)所示。軟體抓手結(jié)構(gòu)基本參數(shù)如表1所示。

表1 軟體抓手設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of soft gripper mm

1.3 氣體通道的仿真分析

軟體抓手在實際抓取過程中，葉片需要按照草莓輪廓包裹貼合，因此對于Ⅰ型四葉片軟體抓手提出了如下設(shè)想，不同的氣體通道設(shè)計能否影響葉片曲面的彎曲方向；氣體通道的曲率如果與葉片上側(cè)曲率相同，能否實現(xiàn)對草莓表面的適應(yīng)性包裹。

本研究對圖5(a)和(b)所示的軟體抓手進(jìn)行了有限元分析測試，分別有兩種氣體通道：Ⅰ型直線型和Ⅱ型弧線型，通過對上、下葉片的氣體通道施加氣壓，對比兩種軟體抓手的彎曲性能和運(yùn)動趨勢，實現(xiàn)對軟體抓手氣體通道的優(yōu)化。

如圖5(c)仿真分析所示，在輸入氣壓為10～15 kPa時，彎曲速度明顯增快；隨后軟體抓手速率降低，腔室體積快速增長。上葉片最大輸入氣壓為21 kPa，Ⅱ型通道軟體抓手末端點最大彎曲角度為65.7°，Ⅰ型軟體抓手為63.5°。在下葉片中，具備較大的內(nèi)部腔室體積，因此需要更大的輸入氣壓，以達(dá)到與上葉片相同的彎曲角度。在輸入氣壓為23 kPa時，Ⅱ型軟體抓手下葉片的末端點最大彎曲角度為63.1°，Ⅰ型軟體抓手為61.3°。因此氣體通道的結(jié)構(gòu)變化對彎曲性能有一定的提升，上下葉片之間最大彎曲角度的差距約為2°。但是在不同氣體通道結(jié)構(gòu)的仿真過程中，腔室上側(cè)的膨脹曲面具備不同的彎曲速率，這種變化將會影響到軟體抓手的葉片對目標(biāo)物的包裹狀態(tài)和壓力分布，如果接觸面未能實現(xiàn)在曲面的弧度上的同時接觸，可能會增加對目標(biāo)物表面破壞的風(fēng)險。

(a)Ⅰ型直線型通道 (b)Ⅱ型弧線型通道

2 驅(qū)動器的制造

相較于傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人，軟體抓手多選用硅橡膠材料等軟質(zhì)材料[22-24]。這類超彈性軟體材料可以依靠本身的自適應(yīng)能力，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的變形工作，有效降低了機(jī)械抓手對目標(biāo)抓取物的破壞。其自身穩(wěn)定的化學(xué)性、耐高溫、耐寒，可以在復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境中維持工作的穩(wěn)定性。

2.1 軟體抓手的材料選擇與測試

為研究材料的力學(xué)性能，本研究選用雙組份液體硅橡膠材料中的5、10和15度，每種度數(shù)的硅橡膠材料分為A、B兩組獨立包裝，在使用時按照1∶1比例混合，在室溫或加熱狀態(tài)下靜置4 h后，即可凝聚為驅(qū)動器所需的彈性體。在材料選擇的過程中，度數(shù)越小的硅橡膠材料，其本身剛性將越低，在相同氣壓條件下，所制備的驅(qū)動器將有更好的彎曲性能，但是無法實現(xiàn)對較重目標(biāo)物的有效抓取。因此，為了提升軟體抓手的工作穩(wěn)定性，測試不同度數(shù)混合的硅橡膠材料，如圖6(a)所示，按照GB/T 528-2009標(biāo)準(zhǔn)制備了啞鈴狀試樣的模具，選用了5種不同配比，分別為5度、10度、15度、5度與10度1∶1混合和10度與15度1∶1混合，分別制備硅橡膠測試件。如圖6(b)所示，使用萬能拉伸試驗機(jī)，對彈性啞鈴試件以拉伸速率為100 mm/min，進(jìn)行了拉伸應(yīng)力和伸長率的測試，并用曲線擬合計算不同配比材料的彈性模量；然后使用A型邵氏硬度計，在測試件上多次采樣，記錄不同配比硅橡膠材料的硬度值。

(a)測試件模具 (b)萬能拉力機(jī)圖6 硅橡膠材料測試Fig.6 Silicone rubber material test

硅橡膠的材料分析如圖7所示，為了實現(xiàn)軟體抓手在彎曲行動中產(chǎn)生較大的彎曲量，同時保證一定的剛性能力，選擇使用5度和10度硅橡膠進(jìn)行1∶1混合，該配比具有5.5 HA的硬度，0.18 MPa的彈性模量和293.8±2.5 mm的伸長量。通過應(yīng)力應(yīng)變曲線看出，隨著應(yīng)變量增大，材料的性質(zhì)發(fā)生改變。應(yīng)力在0～0.95 MPa之間是彈性變形，0.95～2.02 MPa之間是均勻塑形變形，大于2.02 MPa是不均勻塑形變形；應(yīng)力達(dá)到2.19 MPa時測試件斷裂。

(1)

在制作軟體抓手的時候，抓取的草莓重量m在10～50 g之間，抓手的末端受力面積S約為1 cm2，代入公式(1)中，其最大應(yīng)力僅為5×10-5MPa，遠(yuǎn)低于0.95 MPa，因此這種材料滿足軟體抓手的工作狀況。

2.2 制造工藝

軟體抓手的主要制作過程如圖8所示。模具采用PLA材料，通過FDM3D打印機(jī)制作而成。首先，將硅橡膠5度和10度的AB膠分別按照1∶1的比例混合，再將兩份硅膠按1∶1比例混合，在混合的過程中，使用攪拌棒按照同一方向多次攪拌均勻，并利用真空泵去除硅橡膠混合過程中產(chǎn)生的微小氣泡。然后，將硅橡膠材料分別注入腔室層和限制層的模具當(dāng)中，其中限制層模具需要提前將限制層紗網(wǎng)鋪好，紗網(wǎng)的尺寸與限制層相同，使用裁刀按照模具完成切割。在硅橡膠液面與模具同一水平位置平齊時停止注膠，擦除模具外遺留的多余硅橡膠材料，放置于室溫23 ℃環(huán)境中靜置4 h，待固化成型后，即可將腔室層和限制層部件脫模，并用美工刀對各部件邊角的多余材料處理。最后采用多次刷膠的固定工藝，將限制層和腔室層固定，在腔室層的固定部分鉆孔、給每個葉片插入2 mm氣管，并涂抹少量硅橡膠密封連接部位，再次靜置4 h后，獲得一個完整的四葉片軟體抓手。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 軟體抓手制造過程Fig.8 Manufacturing process of soft gripper

3 末端力分析

3.1 草莓破壞應(yīng)力分析

軟體抓手實現(xiàn)對草莓目標(biāo)物的安全抓握，需要證明每個葉片的末端力應(yīng)小于草莓表皮破壞的最小應(yīng)力。本研究測量1～6 N施壓條件下的草莓外表面的破損情況和塑料薄板的上的陰影面積，測試夾具如圖9(a)所示。

(a)測試夾具 (b)6N草莓表面陰影圖9 草莓表面破損應(yīng)力測試Fig.9 Test of damage stress on strawberry surface

如圖10所示，使用Matlab提取陰影面積，并進(jìn)行線性擬合。當(dāng)X值為2.87 N時，塑料薄板出現(xiàn)陰影面積，此時草莓表面出現(xiàn)破損情況。因此四葉片軟體抓手的末端力最大值應(yīng)小于2.87 N，可實現(xiàn)對草莓目標(biāo)物的安全抓握。

圖10 草莓表面破損應(yīng)力分析Fig.10 Analysis of damage stress on strawberry surface

3.2 葉片末端力測試

本研究根據(jù)壓力傳感器測試Ⅰ型軟體抓手和Ⅱ型軟體抓手的葉片末端力，將軟體抓手末端放置于壓力傳感器上，均勻的施加壓力，并記錄傳感器數(shù)值。如果小于破壞的最小壓力，則證明軟體抓手在實際工作狀態(tài)下，不會對草莓的表皮產(chǎn)生破壞，其實驗數(shù)據(jù)如圖11所示。

上葉片的最大輸入氣壓為21 kPa，下葉片為23 kPa。在測試過程中，葉片與傳感器保留微小距離，當(dāng)氣壓達(dá)到2 kPa時，壓力傳感器感應(yīng)到數(shù)值。上葉片氣體腔室體積較小，當(dāng)氣壓升高時，彎曲速度較快，末端與傳感器表面接觸后，壓力數(shù)值增速較快；隨著氣壓繼續(xù)增加，上葉片的體積將持續(xù)增加，壓力數(shù)值增速降低。在氣壓達(dá)到21 kPa時，葉片對應(yīng)達(dá)到最大彎曲角度，此時Ⅱ型軟體抓手上葉片的最大末端力為2.48 N，Ⅰ型為2.54 N。下葉片腔室體積較大，需要更多的氣壓實現(xiàn)與上葉片同樣的彎曲效果，使用相同速率輸入氣壓，下葉片和上葉片同樣為先速率較大后速率下降的曲線，由于下葉片具有較大面積的末端和不規(guī)則的形狀，因此壓力曲線相對平滑，在氣壓達(dá)到23 kPa時，葉片達(dá)到最大彎曲角度，此時Ⅱ型軟體抓手下葉片的最大末端力為2.53 N，Ⅰ型為2.66 N。兩種軟體抓手的上下葉片末端力均小于2.87 N，證明四葉片軟體抓手的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對草莓目標(biāo)物的安全抓握。

但是在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型軟體抓手的上下葉片壓力明顯大于弧線氣體通道，然而兩種氣體通道的腔室體積近似為完全相同。因此Ⅱ型軟體抓手在彎曲過程中，葉片并非按照末端的垂直方向彎曲，部分末端力被分到了葉片的邊緣上；而直線通道的葉片在氣體通道兩側(cè)均勻膨脹，末端與壓力傳感器完全接觸。

4 軟體抓手抓取性能測試實驗

4.1 葉片空間位移量測試及分析

軟體抓手在彎曲運(yùn)動中，葉片平面的彎曲角度并不同步，可能會造成過大的接觸壓力，進(jìn)而破壞草莓表皮。為進(jìn)一步探究葉片在空間中的運(yùn)動軌跡，選用動作捕捉技術(shù)精確記錄葉片在受到氣壓后平面的位移量。如圖12所示，總共在軟體抓手的葉片上側(cè)添加7個觀測點。由于葉片的面積較小，為提升實驗精度，觀測點之間的間隔不能太密。因而觀測點在下葉片處，選擇葉片腔室層的最大寬度和長度處，放置4個觀測點。在上葉片處，選擇腔室層末端和最大寬度處，放置3個觀測點。

圖12 軟體抓手觀測點安放位置Fig.12 Position of soft gripper observation points

兩個型號的軟體抓手分別固定于拍攝場景中，當(dāng)葉片在輸入氣壓實現(xiàn)彎曲運(yùn)動時，利用相互交疊的八臺高速攝像頭，記錄反光觀測點在運(yùn)動過程中的位移變化，處理并分析出觀測點的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)，經(jīng)過一段時間的記錄合成出觀測點的空間軌跡。反復(fù)進(jìn)行多次實驗，記錄下葉片觀測點在空間中的位移量，繪制出上、下葉片觀測點的空間運(yùn)動狀態(tài)。

如圖13下葉片的空間位移量所示，空間中葉片曲面的運(yùn)動過程轉(zhuǎn)化為4個觀測點的位移量。兩種設(shè)計的輸入氣壓和測試時間相同，當(dāng)氣壓升高時，葉片向觀測點1方向彎曲，葉片曲面在Z軸上的位移量最大，在X和Y軸上的運(yùn)動則受到腔室膨脹影響，觀測點向葉片外側(cè)移動造成。Ⅱ型軟體抓手下葉片的觀測點3比觀測點2的位移距離更長，在Z軸的位移量中，相差12.01 mm；在X軸的位移量中多位移2.72 mm，在Y軸的位移量中多位移2.35mm。因而，Ⅱ型軟體抓手上葉片在遠(yuǎn)離氣體通道的觀測點3運(yùn)動速率更快。在Ⅰ型軟體抓手的下葉片中，觀測點2和觀測點3 在Z軸上的位移相差2.66mm，在X軸和Y軸的位移僅相差0.006 mm和0.07 mm，Ⅰ型軟體抓手的下葉片在彎曲運(yùn)動中，以氣體通道和觀測點1為主要運(yùn)動方向，葉片的上下兩端運(yùn)動速率近似相同。

(a)Ⅰ型軟體抓手下葉片空間位移量

軟體抓手上葉片觀測點空間位移量如圖14所示，在觀測點5和6中，Ⅰ型軟體抓手的觀測點運(yùn)動沿著氣體通道和末端，向觀測點7的方向彎曲；在Ⅱ型軟體抓手中，運(yùn)動趨勢相似于直線氣體通道。兩種氣體通道的上葉片其觀測點7的位移狀態(tài)不相同，Ⅱ型軟體抓手的觀測點7在X、Y和Z軸上的位移比直線氣體通道多17.68 mm、0.33 mm和4.60 mm，因此弧線氣體通道的上葉片沿著氣體通道的曲率，呈現(xiàn)向內(nèi)側(cè)觀測點5彎曲包裹的現(xiàn)象。

(a)Ⅰ型軟體抓手上葉片空間位移量

當(dāng)氣流進(jìn)入腔室層后，氣體腔室的體積比氣流通道的體積更大，氣球效應(yīng)更明顯；而氣體通道連接多個氣體腔室，與限制層的接觸面積更大，隨著氣壓的增加，材料內(nèi)部應(yīng)力的限制將阻礙氣體通道體積的進(jìn)一步增加。進(jìn)而，Ⅰ型軟體抓手的氣體腔室在氣體通道的兩側(cè)，葉片發(fā)生膨脹彎曲后，垂直于彎曲方向的截面近似位移速率相同，沿著氣體通道的方向彎曲；Ⅱ型軟體抓手的腔室在氣體通道的一側(cè)，葉片在膨脹后具備不同的彎曲速率，氣體通道的外側(cè)腔室有更快的運(yùn)動速率和位移，葉片將向氣體通道內(nèi)側(cè)包裹，更貼合草莓的果實外壁。因此，氣體通道的結(jié)構(gòu)將會影響到腔室上側(cè)曲面不同點的彎曲速率，這種變化可以實現(xiàn)軟體抓手葉片對不規(guī)則草莓目標(biāo)物的安全包裹，接觸面能實現(xiàn)在曲面弧度上的同時接觸，有效降低對目標(biāo)物表面破壞的風(fēng)險。

4.2 抓取測試

驗證Ⅱ型四葉片軟體抓手的實際工作能力，本研究通過STM32開發(fā)板連接兩路光耦-高低電平繼電器，分別控制兩個氣泵對上下葉片輸入不同的氣壓，實現(xiàn)各葉片間對目標(biāo)物的同步抓握。抓取實驗臺如圖15(a)所示，抓取物草莓的平均重量為30 g，平均半徑為16 mm。

(a)抓取測試實驗臺

草莓抓取實驗過程如圖15(b)和(c)所示，在抓取實驗中，上葉片的輸入氣壓從0逐漸加至21 kPa，下葉片最大輸入氣壓為23 kPa，兩組葉片在草莓抓取平面上同時向下完成彎曲運(yùn)動。四葉片軟體抓手隨著氣壓的升高，葉片的彎曲角度增加，只需要輕微調(diào)整軟體抓手的高度，在其本身重力的作用下，葉片將主動貼合到目標(biāo)物曲面上，最終實現(xiàn)對目標(biāo)抓取物的完全包裹。達(dá)到設(shè)定的輸入氣壓時間后，STM32板在控制程序下終止氣泵工作，為了測試軟體抓手在草莓自身的慣性下出現(xiàn)的擺動現(xiàn)象，用于固定軟體抓手氣管的機(jī)械臂帶動抓手實現(xiàn)豎直方向的提升，最大高度為200 mm，隨后在0～200 mm之間往復(fù)升降。經(jīng)過多次測試，軟體抓手仍能實現(xiàn)對草莓的完全包裹，其穩(wěn)定性和抗干擾能力可以實現(xiàn)對草莓的有效拾取。

Ⅱ型四葉片軟體抓手能夠?qū)崿F(xiàn)對草莓外表面的完全包裹，其自身的適應(yīng)能力可以輕松實現(xiàn)對不同位姿草莓的有效抓取。對5個品種草莓分別進(jìn)行10次抓取測試，成功抓取的概率可以達(dá)到90%，檢測每次抓取后的草莓表皮，其破損率為2%。

5 結(jié) 論

本研究設(shè)計的草莓曲線四葉片軟體抓手，針對抓取成功率和表皮破損率，分別對結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用和實驗測試方面進(jìn)行了進(jìn)一步的探索。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)合草莓設(shè)計曲線，提出了一種新型四葉片軟體抓手。在材料選用中，對5種不同配比的硅橡膠材料做了測試分析，選用了5度和10度硅橡膠進(jìn)行1∶1混合，具有5.5 HA的硬度，0.18 MPa的彈性模量和293.8±2.5 mm的伸長量。使用壓力傳感器測試草莓表面破壞應(yīng)力和軟體抓手末端壓力，四葉片軟體抓手的上葉片末端力最大值為2.48 N，下葉片為2.53 N，小于草莓表面破壞應(yīng)力2.87 N，可以實現(xiàn)對草莓目標(biāo)物的安全抓握。使用Abaqus仿真軟件和動作捕捉技術(shù)，證明了氣體通道的結(jié)構(gòu)可以影響軟體抓手的彎曲狀態(tài)，Ⅱ型四葉片軟體抓手的上下葉片在膨脹后具備不同的彎曲速率，氣體通道的外側(cè)腔室將有更快的運(yùn)動速率和位移，葉片將向氣體通道內(nèi)側(cè)彎曲運(yùn)動，可以實現(xiàn)對不規(guī)則草莓目標(biāo)物的安全包裹。最后選用弧線型氣體通道的Ⅱ型四葉片軟體抓手進(jìn)行了實際抓取測試，其具備較好的穩(wěn)定性、抗干擾能力、自適應(yīng)能力、靈活性和柔性，可以實現(xiàn)對草莓的有效拾取，成功抓取的概率達(dá)到90%，對抓取物表面的破損率為2%。本文僅開展了面向草莓無損采摘軟體抓手的結(jié)構(gòu)設(shè)計和彎曲特性的初步研究，在繼續(xù)優(yōu)化軟體抓手的結(jié)構(gòu)上，下一步分析各葉片在接觸不同形狀果實時的壓力分布及角度變化，實現(xiàn)各葉片能夠獨立控制氣壓的輸出，為軟體手爪的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。