氣動軟體采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

李三平，孫騰佳，袁龍強(qiáng)，吳立國,2

（1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040；2.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江哈爾濱 150086）

水果、蔬菜在人們?nèi)粘ＯM(fèi)中占很大比例，其種植面積逐年增加，單靠人力采摘已無法滿足人們的消費(fèi)需求，亟須實(shí)現(xiàn)自動化采摘。在自動化采摘中，采摘機(jī)械手是農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的重要組成部分[1-2]。但是，傳統(tǒng)的剛性采摘機(jī)械手具有體積大、交互性弱、環(huán)境適應(yīng)性差及對果蔬損傷大等缺點(diǎn)[3-4]，導(dǎo)致其在農(nóng)業(yè)采摘中的應(yīng)用受到限制。近年來，隨著柔性制造技術(shù)的發(fā)展，由柔性材料制成的軟體機(jī)械手脫穎而出，受到了國內(nèi)外研究人員和機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[5-9]。軟體機(jī)械手靈活性高，柔順性強(qiáng)，人機(jī)交互安全性高[10]，且在復(fù)雜的采摘環(huán)境中能完成多姿態(tài)轉(zhuǎn)換[11-13]，可實(shí)現(xiàn)對水果、蔬菜的無損采摘[14-15]，故其在果蔬采摘方面的發(fā)展?jié)摿薮骩16]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對軟體機(jī)械手的研究取得了很大的進(jìn)展。日本京都大學(xué)的Kondo等[17]研制了一種末端執(zhí)行器，其一次可收獲單個番茄果實(shí)或一個番茄簇。美國羅德島大學(xué)的Galloway等[18]研發(fā)了一種軟體機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)對水下底棲動物的無損采樣。Wang等[19]采用3D打印技術(shù)制作了三指軟體機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)對柔軟食物的抓取。東北林業(yè)大學(xué)的李健等[20]研制了一種面向草莓抓取的氣動四葉片軟體抓手，其以草莓的外部輪廓曲線為設(shè)計(jì)原理并采用氣壓驅(qū)動，抓取成功率達(dá)90%。北華大學(xué)的趙云偉等[21]研制了一種氣動柔性果蔬采摘機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)對球形和圓柱形果蔬的自動化采摘。南京林業(yè)大學(xué)的華超等[22]研制了一種軟體水果采摘機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)對蘋果、西紅柿等的無損穩(wěn)定抓取。

沙果又名花紅，其性平，味甘酸，富含多種維生素、微量元素以及人體所需的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等，具有祛風(fēng)濕、止咳平喘的功效，深受廣大消費(fèi)者的喜愛[23]。但是，目前沙果采摘仍未實(shí)現(xiàn)自動化，造成了人力資源的浪費(fèi)。基于此，筆者擬設(shè)計(jì)一種面向沙果采摘的氣動軟體采摘機(jī)械手。首先，通過構(gòu)建計(jì)算模型來確定采摘機(jī)械手軟體手指的彎曲角度。然后，通過比較不同型號硅膠澆注的軟體手指的軟硬度來確定其材料；同時，通過ABAQUS軟件對不同結(jié)構(gòu)的軟體手指進(jìn)行有限元仿真分析，以確定較優(yōu)的結(jié)構(gòu)。接著，通過開展單根軟體手指的充氣彎曲實(shí)驗(yàn)、末端輸出力測定實(shí)驗(yàn)以及三指抓取實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性以及軟體手指結(jié)構(gòu)的合理性。最后，制作氣動軟體采摘機(jī)械手，并用其分別對沙果及其他水果進(jìn)行采摘實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手對沙果采摘的可行性以及對其他相似水果采摘的通用性。

1 氣動軟體采摘機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，沙果的果實(shí)是單個或多個成串生長的。若逐個采摘沙果，則會造成相鄰果實(shí)脫落，因此必須采用整串采摘方式。根據(jù)沙果果實(shí)的生長特點(diǎn)和采摘要求，結(jié)合柔性材料柔軟性好和剛性材料硬度大的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種面向沙果采摘的氣動軟體采摘機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該采摘機(jī)械手由法蘭盤、剛性骨架、薄片剛體、6根軟體手指和可伸縮輸送管組成，采用六指包裹式采摘形式。其中：軟體手指采用柔性材料，骨架及薄片采用剛性材料。

圖1 沙果樹實(shí)物圖Fig.1 Physical picture of crabapple tree

圖2 氣動軟體采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of pneumatic soft picking manipulator

由于沙果的采摘環(huán)境較為復(fù)雜，沙果樹的枝椏會阻擋采摘機(jī)械手的運(yùn)動，故將其形狀設(shè)計(jì)為上小下大并通過法蘭盤與機(jī)械臂連接，以便運(yùn)動。所設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手的軟體手指與剛性骨架通過法蘭盤連接在一起且均可拆卸，當(dāng)軟體手指破損時，可及時更換，既避免了資源浪費(fèi)，又節(jié)省了制造時間；剛性骨架通過鉚釘與薄片剛體相連。在采摘時，首先，利用氣壓驅(qū)動6根軟體手指包裹住沙果，防止沙果掉落以及保護(hù)沙果；然后，利用機(jī)械臂帶動采摘機(jī)械手向上運(yùn)動，由剛性骨架前端的刀具切斷果梗，完成采摘；最后，由安裝在薄片剛體下方的可伸縮輸送管將采摘的沙果輸送到集裝箱內(nèi)，以節(jié)省采摘時間。

2 軟體手指彎曲角度確定

軟體手指彎曲角度是決定氣動軟體采摘機(jī)械手能否完成采摘的重要因素之一。若彎曲角度小，則軟體手指無法完全包裹住沙果，將無法完成采摘。為此，選取市面上常見的龍豐果（沙果品種之一）作為實(shí)驗(yàn)對象，用于確定軟體手指的最小彎曲角度。

由沙果樹的結(jié)果形式可知，一串沙果一般有1～6個果實(shí)。將龍豐果隨機(jī)分為4組，每組均包含果實(shí)數(shù)量為1～6個的成串龍豐果。利用游標(biāo)卡尺分別測量4組龍豐果的直徑，結(jié)果如表1所示。

表1 各組龍豐果的直徑Table 1 Diameter of Longfeng fruit in each group單位：mm

若要使所設(shè)計(jì)的氣動軟體采摘機(jī)械手滿足對所有沙果果實(shí)的采摘要求，則果實(shí)的尺寸差應(yīng)取最大。由表1中的數(shù)據(jù)可知，對稱的2根軟體手指在彎曲前的距離應(yīng)大于最大值L1=124.5 mm，彎曲后的距離小于最小值L2=41.5 mm。由此可得，軟體手指的包裹尺寸L必須滿足L≤L1-L2。

為了確定單根軟體手指在滿足采摘要求時需要達(dá)到的彎曲角度，建立如圖3所示的彎曲角度計(jì)算模型。圖中：BD、AC表示彎曲前的軟體手指，B′D、A′C表示彎曲后的軟體手指；為剛性骨架。取剛性骨架的圓周角α=120°，半徑rCO=60 mm；軟體手指長度LBD=LAC=100 mm；彎曲前軟體手指AC、BD末端的距離LAB=140 mm，彎曲后軟體手指B′D在彎曲前軟體手指BD上的映射長度LDG=60 mm。

圖3 軟體手指彎曲角度計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of bending angle of soft finger

基于圖3可得，軟體手指的彎曲角度θ為：

其中：

式中：L為各線段的長度；γ、β分別為彎曲前、后軟體手指BD、B′D與線段DF的夾角。

將各參數(shù)的值代入式(1)，可得θ=45.91°。由此可知，當(dāng)軟體手指的彎曲角度大于45.91°時，氣動軟體采摘機(jī)械手才能滿足對沙果的采摘要求。

3 軟體手指材料與結(jié)構(gòu)確定

為確定軟體手指的材料，通過萬能拉力試驗(yàn)機(jī)獲取HY-E610、HY-E620、HY-E630這3種型號硅膠的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并基于這3種硅膠的性能參數(shù)對結(jié)構(gòu)相同的軟體手指進(jìn)行ABAQUS有限元仿真分析，同時利用相同模具澆注的軟體手指進(jìn)行充氣彎曲實(shí)驗(yàn)。為得到合適的軟體手指結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了4種不同的結(jié)構(gòu)，并對不同結(jié)構(gòu)軟體手指的彎曲性能進(jìn)行ABAQUS有限元仿真分析。

3.1 軟體手指材料確定

材料性能參數(shù)是衡量材料性質(zhì)的重要依據(jù)。為了得到材料的性能參數(shù)，需要建立其本構(gòu)模型。通常情況下，硅橡膠材料的本構(gòu)模型是基于其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與唯象理論建立的。目前，常用的硅橡膠材料本構(gòu)模型有Neo-Hookean、Ogden、Mooney-Rivlin、Yeoh、Arruda-Boyce、Blatz-Ko、Saint-Venant-Kirchhoff等多種[24]。其中，基于Yeoh模型擬合得到的材料在100%變形內(nèi)具有較好的適應(yīng)性，故在分析硅橡膠變形問題時優(yōu)先選用該本構(gòu)模型[25]。

Yeoh模型采用內(nèi)部應(yīng)變能來表征硅膠材料的力學(xué)性質(zhì)，主要是描述硅膠在拉伸形變時內(nèi)部儲存的彈性勢能。一般情況下，能量密度函數(shù)W可用變形張量的3個不變量I1、I2、I3（無量綱）表示[26]：

其中：

式中：λ1、λ2、λ3為各方向上的主伸長比，無量綱。

由硅膠的不可壓縮性可知：

在采用Yeoh模型表征硅膠材料的特征時，其應(yīng)變能量密度函數(shù)可表示為：

式中：Ci0和Dk為待定系數(shù)；J為彈性體積比，將硅膠視作不可壓縮材料時，J=1。

對于硅膠，通常采用二項(xiàng)參數(shù)形式的應(yīng)變能量密度函數(shù)，即：

對式(2)求偏導(dǎo)，得到3個方向上主應(yīng)力τi與主伸長比λi的關(guān)系：

待定系數(shù)C10和C20可通過拉伸實(shí)驗(yàn)測定。對于不可壓縮的硅膠，單軸拉伸與雙軸拉伸等價。本文采用單軸拉伸，此時τ2=τ3=0，則有：

聯(lián)立式(7)和式(8)，推導(dǎo)得到硅膠的主應(yīng)力τ1與主伸長比λ1的關(guān)系：

適合抓取的軟體手指既需要有足夠的硬度以保持穩(wěn)定，又需要在充氣時容易彎曲變形。選用深圳市紅葉杰科技有限公司生產(chǎn)的型號為HY-E610、HY-E620、HY-E630的3種硅膠作為軟體手指的備選材料（型號的末尾兩位表示硅膠度數(shù)，每種型號的硅膠均由該型號的A、B兩組硅膠1∶1混合而成）。為了得到這3種硅膠的性能參數(shù)，利用萬能拉力試驗(yàn)機(jī)開展單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，以得到其應(yīng)力—應(yīng)變擬合曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種硅膠的應(yīng)力—應(yīng)變擬合曲線Fig.4 Stress-strain fitting curves of three kinds of silicone

為了選擇合適的硅膠，分別將上述3種硅膠的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入ABAQUS軟件并進(jìn)行仿真分析。同時，基于3D打印技術(shù)，分別用3種硅膠澆注軟體手指（見圖5）并開展充氣彎曲實(shí)驗(yàn)。通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著硅膠度數(shù)的增大，軟體手指的硬度越大，充氣加壓時越不容易彎曲。對于HY-E610型硅膠軟體手指，雖然其在充氣加壓時彎曲變形大，但硬度不夠，且在未充氣時就已經(jīng)彎曲變形。對于HY-E630型硅膠軟體手指，其硬度較大，但充氣加壓時彎曲變形較小。由此可知，采用這2種型號的硅膠作為軟體手指的材料顯然不合理。而HY-E620型硅膠軟體手指的硬度適中，且充氣加壓時具有較大的彎曲變形，符合氣動軟體采摘機(jī)械手的性能要求，故本文選擇該型號硅膠作為軟體手指的原材料。

圖5 3種硅膠澆注的軟體手指Fig.5 Soft fingers poured by three kinds of silicone

3.2 軟體手指結(jié)構(gòu)確定

為了研究結(jié)構(gòu)對軟體手指彎曲性能的影響，設(shè)計(jì)了4種不同的結(jié)構(gòu)；為了研究氣道大小和形狀對軟體手指彎曲性能的影響，基于選定的結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了3種氣道大小和形狀（其余結(jié)構(gòu)尺寸均相同）。

3.2.1 結(jié)構(gòu)對彎曲性能的影響

軟體手指由限制層和應(yīng)變層組成，對彎曲性能產(chǎn)生影響的主要為應(yīng)變層。本文所設(shè)計(jì)的4種軟體手指的應(yīng)變層結(jié)構(gòu)（各參數(shù)的取值如表2所示）如圖6所示。4種軟體手指的限制層結(jié)構(gòu)相同，均為長113 mm、寬18 mm、高3 mm的長方體。

圖6 4種軟體手指的應(yīng)變層結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Schematic diagram of strain layer structure of four kinds of soft fingers

表2 4種軟體手指的應(yīng)變層結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of strain layer of four kinds of soft fingers 單位：mm

在相同條件下，利用ABAQUS軟件對不同驅(qū)動氣壓下4種軟體手指的彎曲性能進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)果如圖7所示。需要注意的是，當(dāng)驅(qū)動氣壓小于0.05 MPa時，軟體手指的彎曲變形量很小，為了減少運(yùn)算量，僅選取0.025 MPa進(jìn)行分析。從圖7中可以看出，當(dāng)驅(qū)動氣壓為0.025～0.06 MPa時，第1種和第2種軟體手指的彎曲變形量基本相同；當(dāng)驅(qū)動氣壓為0.06～0.09 MPa時，第2種比第1種的彎曲變形量大；當(dāng)驅(qū)動氣壓為0.10 MPa時，第2種的彎曲變形量與驅(qū)動氣壓為0.09 MPa時的相差不大，而第1種的彎曲變形量比驅(qū)動氣壓為0.09 MPa時的大很多。此外，第2種結(jié)構(gòu)的棱角較多，而棱角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這會對軟體手指的彎曲性能造成影響。相較而言，第1種結(jié)構(gòu)比第2種更合適。對于第3種結(jié)構(gòu)，雖然彎曲變形量大，但較軟，不適合作采摘機(jī)械手指。對于第4種結(jié)構(gòu)，當(dāng)驅(qū)動氣壓為0.025～0.06 MPa時，其彎曲變形量比其他3種結(jié)構(gòu)大，但當(dāng)驅(qū)動氣壓大于0.06 MPa后，其彎曲變形量隨驅(qū)動氣壓增大的變化不大。綜上所述，采用第1種結(jié)構(gòu)制作軟體手指最合適。

圖7 結(jié)構(gòu)對軟體手指彎曲性能的影響Fig.7 Influence of structure on bending performance of soft finger

3.2.2 氣道大小對彎曲性能的影響

為了研究氣道大小對軟體手指彎曲性能的影響，基于圖6(a)所示結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了3種不同尺寸的半圓形氣道，半徑分別為4，6，8 mm。利用ABAQUS軟件對氣道大小不同的3種軟體手指的彎曲性能進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，當(dāng)驅(qū)動氣壓為0.025～0.05 MPa時，3種軟體手指的彎曲變形量幾乎相同。當(dāng)驅(qū)動氣壓為0.05～0.07 MPa時，半圓形氣道半徑為4 mm的軟體手指的彎曲變形量隨驅(qū)動氣壓增大的變化不大；半圓形氣道半徑為6，8 mm的彎曲變形量相差不大，但均比半圓形氣道半徑為4 mm的大。當(dāng)驅(qū)動氣壓為0.07～0.09 MPa時，半圓形氣道半徑為8 mm的軟體手指的彎曲變形量大于其他2種，半圓形氣道半徑為4 mm的彎曲變形量隨驅(qū)動氣壓的增大先突變后逐漸上升；半圓形氣道半徑為8 mm的彎曲變形量隨驅(qū)動氣壓的增大穩(wěn)定上升。由于彎曲變形突變會縮短軟體手指的使用壽命，且氣道半徑較大會造成限制層與應(yīng)變層的粘連面積小，而粘連不好易漏氣。綜合考慮，選用半徑為6 mm的半圓形氣道的軟體手指較合適。

圖8 氣道大小對軟體手指彎曲性能的影響Fig.8 Influence of airway size on bending performance of soft finger

3.2.3 氣道形狀對彎曲性能的影響

為了研究氣道形狀對軟體手指彎曲性能的影響，設(shè)計(jì)了3種不同形狀的氣道（氣道面積不變），分別為半徑為6 mm的半圓形氣道，邊長為3.76 mm的正方形氣道和長度為5.65 mm、寬度為2.50 mm的長方形氣道。利用ABAQUS軟件分別對氣道形狀不同的3種軟體手指的彎曲性能進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，當(dāng)驅(qū)動氣壓為0.025～0.09 MPa時，采用半圓形氣道的軟體手指的彎曲變形量隨驅(qū)動氣壓的增大而平緩增大，變形較為均勻；采用正方形和長方形氣道的軟體手指在0.025～0.06 MPa驅(qū)動氣壓下的彎曲變形量比采用半圓形氣道的小，但在驅(qū)動氣壓為0.06～0.07 MPa時發(fā)生了突變（瞬間增大）；當(dāng)驅(qū)動氣壓為0.09～0.10 MPa時，氣道形狀不同的3種軟體手指的彎曲變形量幾乎相同且均發(fā)生了突變，發(fā)生突變的原因是應(yīng)力較為集中。彎曲變形突變會縮短軟體手指的使用壽命，且突變時會產(chǎn)生較大的力，可能會導(dǎo)致抓取物脫離。綜合考慮，選用半徑為6 mm的半圓形氣道的軟體手指較為合適。

圖9 氣道形狀對軟體手指彎曲性能的影響Fig.9 Influence of airway shape on bending performance of soft finger

4 氣動軟體采摘機(jī)械手實(shí)驗(yàn)研究

首先，為驗(yàn)證軟體手指的彎曲角度是否滿足要求，基于利用3D打印技術(shù)打印的模具澆注軟體手指并開展充氣彎曲實(shí)驗(yàn)，測量其在不同驅(qū)動氣壓下的彎曲角度，并與ABAQUS仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后，利用推拉力計(jì)測量不同驅(qū)動氣壓下軟體手指末端的輸出力，同時利用3根軟體手指對不同水果進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證軟體手指結(jié)構(gòu)的合理性。最后，制作氣動軟體采摘機(jī)械手，對沙果以及其他相似水果進(jìn)行采摘實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證采摘機(jī)械手的通用性。

4.1 軟體手指制備

由于軟體手指結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很難采用機(jī)加工方法制作。為此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。目前，常用于軟體手指加工的方法包括軟體平板印刷法、形狀沉積制造技術(shù)、失蠟鑄造法和復(fù)合材料3D打印技術(shù)等。相較而言，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造加工，軟體平板印刷法最為簡單。因此，本文選用軟體平板印刷法來制作軟體手指，具體步驟如下。

1）模具設(shè)計(jì)和打印。先利用UG軟件設(shè)計(jì)軟體手指模具，再利用3D打印技術(shù)打印模具。模具分為限制層和應(yīng)變層兩個部分。為方便脫模，將應(yīng)變層模具設(shè)計(jì)成a、b、c三個小部分，如圖10所示。

圖10 軟體手指模具結(jié)構(gòu)示意Fig.10 Schematic diagram of mold structure of soft ginger

2）硅膠選用與準(zhǔn)備。選用深圳市紅葉杰科技有限公司生產(chǎn)的HY-E620型硅膠，將A、B兩組硅膠按1∶1比例混合，用木棒攪拌均勻，并確保不與金屬物質(zhì)接觸，然后用真空泵抽取攪拌過程中產(chǎn)生的氣泡。

3）硅膠澆注。在限制層模具底部放入與底面大小相同的尼龍紗網(wǎng)，然后將攪拌均勻的硅膠倒入模具，并將其放在溫度為30°左右的環(huán)境中靜置。

4）脫模與軟體手指制作。靜置6 h后，將應(yīng)變層和限制層硅膠從模具中取出，并采用同比例硅膠將兩部分粘合在一起，靜置等待完全凝固，即可得到軟體手指實(shí)體。

4.2 軟體手指充氣彎曲實(shí)驗(yàn)

軟體手指充氣彎曲實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。利用微型正壓泵對澆注的軟體手指充氣，使其內(nèi)部產(chǎn)生氣壓以驅(qū)動自身彎曲。利用氣壓調(diào)節(jié)閥對驅(qū)動氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別為0.025，0.05，0.06，0.07，0.08，0.09 MPa，以獲得不同驅(qū)動氣壓力下軟體手指的彎曲形態(tài)，并利用坐標(biāo)紙繪制彎曲位置，以測量彎曲角度。為了減小誤差，重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)并求平均值，結(jié)果如表3所示。由表3可知，當(dāng)驅(qū)動氣壓為0.07 MPa時，軟體手指的彎曲角度已大于45.91°，且未遭到損壞，驗(yàn)證了采用HY-E620型硅膠所制作的軟體手指的彎曲角度滿足要求。

圖11 軟體手指充氣彎曲實(shí)驗(yàn)裝置Fig.11 Inflation bending experiment device for soft finger

表3 軟體手指彎曲角度測量結(jié)果Table 3 Measurement results of bending angle of soft fingers單位：（°）

利用ABAQUS軟件對不同驅(qū)動氣壓下軟體手指的彎曲形態(tài)進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)果如圖12所示。鑒于軟體手指末端采用完全鉸鏈固定，利用“末端端點(diǎn)+指尖”來測量彎曲角度是相對準(zhǔn)確的（所測角度θ′減去90°后為軟體手指的彎曲角度θ）。利用ABAQUS軟件中的三點(diǎn)測量角度功能測得驅(qū)動氣壓為 0.025，0.05，0.06，0.07，0.08，0.09 MPa時軟體手指的彎曲角度，分別為θ1=14.71°，θ2=29.56°，θ3=50.58°，θ4=69.97°，θ5=83.90°，θ6=105.38°。

圖12 軟體手指彎曲形態(tài)仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of bending form of soft finger

圖13所示為不同驅(qū)動氣壓下軟體手指彎曲角度的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。由圖可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢相同，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，但具體的彎曲角度值存在一定差異，原因有以下2點(diǎn)：

圖13 軟體手指彎曲角度仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.13 Comparison between simulation and experiment results of bending angle of soft finger

4.3 軟體手指末端輸出力測定實(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)獲得的硅膠性能參數(shù)與真實(shí)的硅膠性能參數(shù)存在差異；

2）利用3D打印技術(shù)打印的模具表面不光滑，導(dǎo)致澆注的軟體手指表面也不光滑，產(chǎn)生了應(yīng)力集中。

在驅(qū)動氣壓為0.06，0.07，0.08 MPa的條件下，利用圖14所示裝置測量不同彎曲角度（10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°）下軟體手指末端的輸出力。在測量輸出力時，應(yīng)保證軟體手指末端與推拉力計(jì)垂直。每個彎曲角度下測量3次后取平均值，結(jié)果如表4所示。

圖14 軟體手指末端輸出力測量裝置Fig.14 Measuring device for end output force of soft finger

表4 軟體手指末端輸出力測量結(jié)果Table 4 Measurement results of end output force of soft finger單位：N

由表4可知，在驅(qū)動氣壓相等的情況下，隨著彎曲變形量的增大，軟體手指末端的輸出力逐漸減小。當(dāng)彎曲變形量相等時，隨著驅(qū)動氣壓的增大，軟體手指末端的輸出力逐漸增大。

4.4 三指抓取實(shí)驗(yàn)

采用4.1節(jié)方法澆注3根軟體手指，并將其固定在亞克力板上，開展三指抓取實(shí)驗(yàn)（指尖抓取和包絡(luò)抓?。?。首先，運(yùn)用高精度電子秤對抓取對象進(jìn)行稱重，稱重結(jié)果如表5所示。然后，在驅(qū)動氣壓為0.08 MPa的條件下對不同質(zhì)量的水果進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖15所示。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的軟體手指對圣女果、沙糖橘等體積和質(zhì)量較小的水果可采取指尖抓??；對蘋果、梨等體積和質(zhì)量較大的水果可采取包絡(luò)抓取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的軟體手指對水果采摘具有有效性。

表5 抓取對象質(zhì)量Table 5 Weight table of experimental subjects

圖15 三指抓取實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Three-finger grasping experiment results

4.5 氣動軟體采摘機(jī)械手采摘實(shí)驗(yàn)

利用試制的六指包裹式氣動軟體采摘機(jī)械手對沙果進(jìn)行采摘，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖16所示。分別對含單個和多個果實(shí)的成串沙果進(jìn)行10次包絡(luò)采摘，結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，在驅(qū)動氣壓為0.07，0.08 MPa的條件下，氣動軟體采摘機(jī)械手成功采摘沙果的次數(shù)差別不大，說明當(dāng)軟體手指的彎曲角度和輸出力滿足采摘要求時，采摘成功率不會隨著驅(qū)動氣壓的增大而增大。但是當(dāng)驅(qū)動氣壓較大時，軟體手指的使用壽命會縮短，且會對沙果造成擠壓破壞。由此可知，選擇合適的驅(qū)動氣壓尤為重要。

圖16 氣動軟體采摘機(jī)械手采摘沙果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.16 Experimental site of crabapple picking with pneumatic soft picking manipulator

表6 沙果采摘成功次數(shù)Table 6 Number of successful picking for crabapple

從采摘結(jié)果可以看出，氣動軟體采摘機(jī)械手在采摘含3個及以上果實(shí)的成串沙果時，驅(qū)動氣壓為0.08 MPa時的采摘成功率達(dá)到80%，驗(yàn)證了該采摘機(jī)械手的可行性。造成對含單個及2個果實(shí)的成串沙果采摘成功率不高的原因是：該采摘機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)較大，軟體手指較長，無法很好地包裹住沙果，從而影響采摘成功率。

圖17所示為利用氣動軟體采摘機(jī)械手采摘不同水果的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，分別對橘子、蘋果、桃和梨等水果各采摘10次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7可知，在3種驅(qū)動氣壓下，氣動軟體采摘機(jī)械手對橘子、蘋果、桃和梨等均有很好的采摘效果。由此說明，該采摘機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)對橘子、蘋果、桃和梨等類球形水果的采摘，具有通用性和普適性。

圖17 氣動軟體采摘機(jī)械手采摘其他水果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.17 Experimental site of other fruits picking with pneumatic soft picking manipulator

表7 不同水果的采摘成功次數(shù)Table 7 Number of successful picking for different fruits

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并制作了一種面向沙果采摘的剛?cè)狁詈蠚鈩榆涹w采摘機(jī)械手。通過理論計(jì)算、仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究，確定了軟體手指的彎曲角度、材料、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部氣道的大小和形狀；通過充氣彎曲實(shí)驗(yàn)、末端輸出力測定實(shí)驗(yàn)和三指抓取實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性以及軟體手指結(jié)構(gòu)的合理性；利用試制的六指包裹式氣動軟體采摘機(jī)械手對沙果、蘋果、梨、橘子等進(jìn)行了采摘實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：該采摘機(jī)械手不僅對含3個及以上果實(shí)的成串沙果的采摘成功率達(dá)到80%，還可實(shí)現(xiàn)對其他類球形水果的采摘。研究結(jié)果為水果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究提供了新思路。

但是，所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)械手對含單個及2個果實(shí)的成串沙果的采摘成功率并不高，這主要是因?yàn)樯彻叽缧?，而采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸偏大。后續(xù)可通過減小剛性骨架的尺寸及軟體手指的長度來調(diào)整其整體尺寸，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高采摘成功率。