氣動(dòng)柔性果蔬采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)

趙云偉 耿德旭 劉曉敏 孫國(guó)棟

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 吉林 132021)

0 引言

為提高果蔬產(chǎn)量，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)多采用溫室培育種植。為節(jié)約人力成本，需要適應(yīng)性強(qiáng)、連續(xù)高效的自動(dòng)化采摘裝置[1-3]。近年來(lái)國(guó)外許多學(xué)者都相繼開(kāi)展了果蔬采摘裝置、夾持器的研究，研制出草莓[4]、番茄[5]、黃瓜[6-7]、蘋(píng)果[8-10]、荔枝和柑橘[11-12]等采摘機(jī)器人。

果蔬采摘環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，且果蔬形狀各異、表皮脆弱。為避免損傷采摘目標(biāo)，直接進(jìn)行采摘作業(yè)的夾持裝置成為農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人技術(shù)的研究關(guān)鍵[13-14]。目前果蔬采摘末端執(zhí)行器多為專(zhuān)用裝置，且采用剛性元件結(jié)構(gòu)，其控制系統(tǒng)復(fù)雜，柔性低，通用性差，難以實(shí)現(xiàn)無(wú)損采摘[15-16]。采用軟體材料和柔性驅(qū)動(dòng)器研制夾持裝置可有效避免果蔬表面損傷[17-21]。文獻(xiàn)[22]提出的單自由度氣動(dòng)彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器具有類(lèi)似生物特性，在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)添加彈性骨架可在保證柔性的同時(shí)具有一定剛性，且易于控制、綠色、清潔，適合作為采摘機(jī)械手的手指，用于多種果蔬采摘與分揀。本文針對(duì)球形和圓柱形果蔬，設(shè)計(jì)一種基于氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的多自由度柔性采摘機(jī)械手，建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和抓持過(guò)程力學(xué)模型，進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并搭建采摘實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行多種果蔬采摘實(shí)驗(yàn)。

1 采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)功能

1.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1為溫室內(nèi)果蔬培育現(xiàn)場(chǎng)，果蔬培育模式趨于低矮化，適于應(yīng)用采摘機(jī)器人或自動(dòng)化采摘裝置進(jìn)行采摘。果蔬采摘機(jī)械裝置可安裝在沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)上，代替人工進(jìn)行采摘。

圖1 果蔬采摘現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境Fig.1 Environment of picking fruit and vegetable site

文中所設(shè)計(jì)的果蔬采摘機(jī)械手采用氣體驅(qū)動(dòng)， 聯(lián)同柔性臂安裝在Z向滑臺(tái)上(圖2)。Y、Z滑臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)垂直和縱向運(yùn)動(dòng)，柔性機(jī)械臂彎曲帶動(dòng)末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)XY平面內(nèi)的擺動(dòng)，一同將機(jī)械手送到目標(biāo)位置完成采摘作業(yè)。

圖2 柔性果蔬采摘機(jī)械手Fig.2 Flexible fruit and vegetable picking manipulator1.底座 2.滑臺(tái) 3.末端執(zhí)行器 4.機(jī)械臂

由柔性臂擺動(dòng)角度和滑臺(tái)行程，可知機(jī)械手采摘范圍(圖3)。滑臺(tái)有效行程為400 mm(圖3a)，可通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。配合Y、Z滑臺(tái)，在0.3 MPa壓力下柔性臂回轉(zhuǎn)角范圍為±30°時(shí)，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)橫向340 mm，縱向和垂直方向400 mm(圖3b)。

圖3 機(jī)械手采摘范圍Fig.3 Picking range of manipulator

當(dāng)機(jī)械手到達(dá)目標(biāo)位置后施加氣壓，此時(shí)末端執(zhí)行器各柔性手指彎曲變形協(xié)同運(yùn)動(dòng)抓取目標(biāo)物體，然后通過(guò)機(jī)械臂擺動(dòng)摘取果蔬，完成采摘?jiǎng)幼?。柔性手指?nèi)表面安裝有柔性膠墊和壓力傳感器，可增加摩擦、控制抓持力減少果蔬表面損傷。

1.2 末端執(zhí)行器和柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器仿照人手外形和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，在手掌端部連接可往復(fù)擺動(dòng)的柔性機(jī)械臂以提高其靈活性(圖4)。機(jī)械手共具有6 個(gè)自由度，外形尺寸為人手的1.5倍，質(zhì)量為350 g；機(jī)械臂質(zhì)量為666 g，穩(wěn)定抓持重物能力為1 kg。

圖4 末端執(zhí)行器和機(jī)械臂Fig.4 Manipulator and robot arm1.末端執(zhí)行器 2.機(jī)械臂

該采摘末端執(zhí)行器和機(jī)械臂主要由氣動(dòng)彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器組成，氣壓控制下末端執(zhí)行器和機(jī)械臂可以靈活運(yùn)動(dòng)、自主彎曲。機(jī)械臂可以左右擺動(dòng)調(diào)整手部位置；柔性手指自由卷握可適合多種物形抓取。

針對(duì)球形和柱狀果蔬抓取，末端執(zhí)行器采用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖5)，大拇指位于掌心處，其余四指均布于手掌前端，大拇指相對(duì)于手掌傾斜75°與中指相對(duì)。各手指可實(shí)現(xiàn)正屈運(yùn)動(dòng)(手指驅(qū)動(dòng)器面向手掌彎曲方向?yàn)檎?，具有5個(gè)自由度，可有效地實(shí)現(xiàn)形封閉完成抓握和捏取功能。

圖5 柔性末端執(zhí)行器Fig.5 Flexible manipulator1.手掌 2.柔性手指 3.大拇指 4.其余四指

1.3 柔性驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)原理

組成柔性手指和機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示。該柔性驅(qū)動(dòng)器屬于復(fù)合彈性體，由伸長(zhǎng)型氣動(dòng)人工肌肉(氣囊和約束環(huán)之間形成的密閉腔體)和彈性骨架組成，充氣后可彎曲變形呈現(xiàn)大變形、非線性。

其余四指采用單向氣動(dòng)彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器，由單根人工肌肉驅(qū)動(dòng)，彈性骨架為板簧；圓柱狀約束環(huán)套裝在氣囊外側(cè)，限制氣囊的徑向膨脹(圖6a)。當(dāng)施加氣壓后，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)氣囊受壓膨脹，在端部彎矩的作用下，驅(qū)動(dòng)器沿板簧一側(cè)彎曲(圖6b)。氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器彎曲時(shí)類(lèi)似無(wú)軸多鉸鏈，具有較好的結(jié)構(gòu)柔性，可產(chǎn)生類(lèi)似圓弧狀彎曲(圖6c)。大拇指結(jié)構(gòu)與其余四指結(jié)構(gòu)類(lèi)似，采用雙驅(qū)動(dòng)單向彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器，由兩根并聯(lián)人工肌肉同時(shí)驅(qū)動(dòng)(圖6a)，與單驅(qū)動(dòng)彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器相比，具有更高夾持能力。

圖6 手指驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of finger actuator1.約束環(huán) 2.彈性骨架 3.氣囊 4.中心線

圖7 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of finger actuator1.約束環(huán) 2.彈性骨架 3.氣囊

柔性臂采用單維雙向氣動(dòng)彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器，由4根對(duì)稱(chēng)分布的氣動(dòng)人工肌肉組成，彈性骨架位于兩組肌肉之間(圖7a)。約束環(huán)端面放置彈性骨架，矩形孔槽處有0.8 mm的微型凸起可調(diào)整約束環(huán)間隙。當(dāng)兩組肌肉(p1=p2，p3=p4，p1、p2、p3和p4為人工肌肉內(nèi)施加的氣壓)交替充氣后，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂左右交替彎曲(圖7b)。柔性臂動(dòng)作靈活，可依據(jù)目標(biāo)物體調(diào)整機(jī)械手工作空間，實(shí)現(xiàn)大范圍采摘作業(yè)。

氣動(dòng)彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器為多肌肉和彈性元件組成的氣動(dòng)復(fù)合彈性體，其彎曲時(shí)呈大變形、非線性特點(diǎn)，不易獲得準(zhǔn)確的靜態(tài)理論模型。文中依據(jù)驅(qū)動(dòng)器靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab軟件采用多項(xiàng)式擬合方法獲得大拇指、其余四指和大臂驅(qū)動(dòng)器彎曲角和氣壓的關(guān)系分別為

θ1(p)=1 162.4p2+331.79p+0.59

(1)

θ2(p)=1 119.8p2+345.39p-3.05

(2)

θ3(p)=30.7p2+86.18p-0.01

(3)

式中θ1、θ2、θ3——大拇指、其余四指、大臂驅(qū)動(dòng)器彎曲角，(°)

p——充氣氣壓，MPa

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

采用參數(shù)化齊次坐標(biāo)變換矩陣，依據(jù)柔性驅(qū)動(dòng)器氣動(dòng)彎曲變形規(guī)律建立采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可獲得機(jī)械手的位姿，并分析其工作空間。

圖8為采摘機(jī)械手坐標(biāo)系。在滑臺(tái)根部與底座連接處建立系統(tǒng)固有坐標(biāo)系Q(x,y,z)，垂直底座安裝平面方向?yàn)閦向，機(jī)械手和機(jī)械臂安裝方向?yàn)閥向。在機(jī)械臂安裝位置建立機(jī)械臂坐標(biāo)系P(x,y,z)，坐標(biāo)方向與系統(tǒng)坐標(biāo)系相同，在機(jī)械臂上取7個(gè)均布特征點(diǎn)用來(lái)描述機(jī)械臂柔性驅(qū)動(dòng)器的形變，建立特征點(diǎn)坐標(biāo)系Pk(xk,yk,zk)(k=1,2,…,7)。在末端執(zhí)行器根部建立手掌坐標(biāo)系O(x,y,z)，手掌平面法線方向?yàn)閦向，坐標(biāo)軸方向相對(duì)機(jī)械臂坐標(biāo)系逆時(shí)旋轉(zhuǎn)90°，中指方向?yàn)閥向，坐標(biāo)原點(diǎn)在掌根處，為其余四指在手掌平面投影的延長(zhǎng)線上交點(diǎn)；在每根手指指根處建立手指坐標(biāo)系Oi(xi,yi,zi) (i=1,2,…,5)，z向與手掌坐標(biāo)系相同，沿手指方向?yàn)閥向，取5個(gè)特征點(diǎn)建立坐標(biāo)系Oij(xij,yij,zij) (j=1,2,…,5)。

圖8 采摘機(jī)械手坐標(biāo)系Fig.8 Coordinate system of picking manipulator

施加氣壓后柔性驅(qū)動(dòng)器發(fā)生彎曲形變，柔性手指相對(duì)于手掌平面正屈實(shí)現(xiàn)抓握，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器彎曲帶動(dòng)機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)?；诜侄纬Ｇ世碚揫23]，依據(jù)手指驅(qū)動(dòng)器的形變規(guī)律，可將手指各特征點(diǎn)位置由手指根部坐標(biāo)系依次轉(zhuǎn)換到手掌坐標(biāo)系、機(jī)械臂坐標(biāo)系和系統(tǒng)固有坐標(biāo)系。

(4)

式中l(wèi)——柔性驅(qū)動(dòng)器的初始長(zhǎng)度

cn——相鄰特征點(diǎn)弧長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)器弧長(zhǎng)的比值

Δl(t)——中心線長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化量

θ(t)——端面轉(zhuǎn)角

由式(4)可知手指上任一特征點(diǎn)在手指基坐標(biāo)系中的位置變換，其轉(zhuǎn)換矩陣為

(5)

由圖8所示坐標(biāo)系，手指任一特征點(diǎn)在系統(tǒng)固有坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為

(6)

(7)

式中φi——各手指軸線與手掌坐標(biāo)系y軸之間的夾角

xi——各手指坐標(biāo)系原點(diǎn)在手掌坐標(biāo)系中的x坐標(biāo)

yi——各手指坐標(biāo)系原點(diǎn)在手掌坐標(biāo)系中的y坐標(biāo)

(8)

機(jī)械臂上特征點(diǎn)間的轉(zhuǎn)換矩陣可參考式(4)，根據(jù)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器形變規(guī)律求得。

機(jī)械臂坐標(biāo)系{P}向系統(tǒng)固有坐標(biāo)系{Q}的轉(zhuǎn)換矩陣為

(9)

式中l(wèi)y、lz——滑臺(tái)在y、z向位移

p(t)=cpkpt

(10)

將式(10)代入式(1)～(3)，可得大拇指、其余四指和大臂驅(qū)動(dòng)器彎曲角度和響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系分別為

(11)

(12)

(13)

將式(11)～(13)代入式(4)、(5)、(8)，可得機(jī)械手上各特征點(diǎn)θ-t的動(dòng)態(tài)方程；對(duì)t進(jìn)行求導(dǎo)可得機(jī)械手上各特征點(diǎn)響應(yīng)速度。

3 抓持力分析

柔性驅(qū)動(dòng)器受力變形如圖6b所示，氣壓下驅(qū)動(dòng)器彎曲時(shí)呈圓弧狀。施加氣壓后肌肉內(nèi)壁受壓膨脹，變形后的內(nèi)腔橫截面面積[22]為

(14)

式中D1——人工肌肉氣囊初始外徑

D2——人工肌肉氣囊初始內(nèi)徑

由驅(qū)動(dòng)器彎曲變形特點(diǎn)可知，形變后中心線長(zhǎng)度變化量為

Δl=(r+e)θ-rθ=eθ

(15)

式中r——驅(qū)動(dòng)器彎曲半徑

e——?dú)饽抑行木€與彈性骨架之間距離

充氣后驅(qū)動(dòng)器肌肉內(nèi)腔壓力在端面產(chǎn)生軸向力，則驅(qū)動(dòng)器輸出力為

(16)

機(jī)械手柔性手指在氣壓下產(chǎn)生彎曲形變，與目標(biāo)物體接觸后產(chǎn)生正壓力和摩擦力。其中正壓力為驅(qū)動(dòng)器輸出力的分力，則驅(qū)動(dòng)器正壓力可描述為

Fn=KSp

(17)

式中K——比例協(xié)調(diào)系數(shù)，與驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度、彈性元件、氣囊材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)

以機(jī)械手抓握?qǐng)A柱體為例，當(dāng)5根柔性手指正屈同時(shí)與目標(biāo)物體接觸后，摩擦力與重物重力關(guān)系為

G=Ff 1+4Ff 2=μFn1+4μFn2=
2μ(K1S1p1+2K2S2p2)

(18)

式中Ff 1、Ff 2——大拇指、其余四指產(chǎn)生的摩擦力

Fn1、Fn2——大拇指、其余四指產(chǎn)生的正壓力

K1——大拇指夾持力比例協(xié)調(diào)系數(shù)

K2——其余四指夾持力比例協(xié)調(diào)系數(shù)

S1——大拇指肌肉內(nèi)腔橫截面積

S2——其余四指驅(qū)動(dòng)器肌肉內(nèi)腔橫截面積

μ——手指與物體摩擦因數(shù)

由式(18)可知，當(dāng)手指與目標(biāo)物體接觸后，可通過(guò)調(diào)節(jié)大拇指和其余四指肌肉的輸入氣壓實(shí)現(xiàn)對(duì)重物的抓握。此時(shí)，肌肉的輸入氣壓仍采用斜坡控制信號(hào)，將式(10)代入式(18)可得機(jī)械手抓持力的動(dòng)態(tài)方程為

G=Ff 1+4Ff 2=μFn1+4μFn2=
2μcp(K1S1kp1+2K2S2kp2)t

(19)

式中kp1——大拇指驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)的斜率

kp2——其余四指驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)的斜率

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

基于柔性驅(qū)動(dòng)器的靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)建立的采摘機(jī)械手正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可獲得末端執(zhí)行器及柔性臂各特征點(diǎn)在系統(tǒng)坐標(biāo)系下的位置矢量。

4.1 靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)器靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。應(yīng)用陀螺儀傳感器和Optotrak CertusTM三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量柔性驅(qū)動(dòng)器的彎曲角和形變；采用六維力傳感器測(cè)試驅(qū)動(dòng)器正壓力。具體實(shí)驗(yàn)條件和驅(qū)動(dòng)器材料參數(shù)見(jiàn)表1，表中d為彈簧鋼板厚度，b為彈簧鋼板寬度，E為鋼板彈性模量。

驅(qū)動(dòng)器種類(lèi)驅(qū)動(dòng)類(lèi)型l/mmD1/mmD2/mmd/mmb/mmE/GPa單向氣動(dòng)彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器單驅(qū)9016120.312202雙驅(qū)動(dòng)單向氣動(dòng)彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器雙驅(qū)9016120.312202單維雙向氣動(dòng)彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器雙驅(qū)3001612150202

圖10和圖11分別描述手指和大臂驅(qū)動(dòng)器端面轉(zhuǎn)角與氣壓的關(guān)系。可見(jiàn)驅(qū)動(dòng)器端面轉(zhuǎn)角隨著氣壓的增加而增大，且呈非線性變化，同等氣壓下大拇指驅(qū)動(dòng)器彎曲角度明顯大于其余四指(圖10)。關(guān)節(jié)在充放氣過(guò)程中彎曲角度出現(xiàn)偏差(最大偏差19.8%)，說(shuō)明關(guān)節(jié)存在明顯遲滯現(xiàn)象，而且由于重力影響，氣囊需克服與約束環(huán)間的摩擦力，故關(guān)節(jié)回程角度略大于充氣過(guò)程。大臂驅(qū)動(dòng)器左右擺動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)角一致性較好，誤差不超過(guò)1°(圖11)。

圖10 手指驅(qū)動(dòng)器充放氣過(guò)程Fig.10 Inflation/deflation of finger actuators

圖11 大臂擺動(dòng)角度與氣壓關(guān)系曲線Fig.11 Relationship curves between swing angle of robot arm and air pressure

圖12為不同氣壓下，由3D捕捉系統(tǒng)測(cè)得的各驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵點(diǎn)的位置矢量。由圖12可知，柔性驅(qū)動(dòng)器彎曲變形產(chǎn)生類(lèi)似人手指關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)，且彎曲變形幅度隨著氣壓的增加而增大(圖12a、12b)；機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器彎曲變形產(chǎn)生類(lèi)似小臂擺動(dòng)(圖12c)。

4.2 仿真

由靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)擬合獲得驅(qū)動(dòng)器變形規(guī)律，將其代入機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可得驅(qū)動(dòng)器上特征點(diǎn)的位置矢量。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)氣體壓力，可獲得采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡和工作空間。

圖12 各驅(qū)動(dòng)器形變與氣壓關(guān)系曲線Fig.12 Relationship curves between deformation of actuators and air pressure

圖13為手指驅(qū)動(dòng)器和大臂驅(qū)動(dòng)器的端面轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線。由Matlab軟件通過(guò)二次擬合獲得驅(qū)動(dòng)器端面轉(zhuǎn)角與氣壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

圖13 各驅(qū)動(dòng)器彎曲角度數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.13 Data fitting of bending angle of each actuator

圖14 各驅(qū)動(dòng)器形變仿真曲線Fig.14 Deformation simulation curves of each actuator

將圖13中擬合得到的公式代入式(5)、(8)可得驅(qū)動(dòng)器形變隨氣壓的變化。圖14為其余四指、大拇指和大臂分別在0.3 MPa、0.24 MPa和0.3 MPa下的形變曲線與仿真曲線對(duì)比?？梢?jiàn)實(shí)驗(yàn)曲線與仿真曲線吻合較好，驗(yàn)證了柔性驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性。

求解不同氣壓下末端執(zhí)行器和機(jī)械臂各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，可獲得采摘機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)位姿(圖15)，以及末端執(zhí)行器和機(jī)械臂的工作空間(圖16)。由圖15可知，末端執(zhí)行器手指驅(qū)動(dòng)器在氣壓控制下可以實(shí)現(xiàn)不同抓取位姿，隨機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器彎曲往復(fù)擺動(dòng)。

圖15 不同氣壓下機(jī)械臂位姿曲線Fig.15 Arm pose curves at different pressures

圖16 機(jī)械手工作空間Fig.16 Workspaces of picking manipulator

圖16a為末端執(zhí)行器各手指正屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)手指彎曲時(shí)所形成的空間。由圖16a可知，五指同時(shí)正屈時(shí)，可完全包圍目標(biāo)物體，符合形封閉抓取條件，抓握時(shí)大拇指運(yùn)動(dòng)軌跡與中指重合，可完成捏取動(dòng)作；五指抓握最大直徑為160 mm，四指卷取最小直徑為40 mm，機(jī)械手可滿足常見(jiàn)尺寸果蔬的抓取。

圖16b為機(jī)械臂端部位置的工作空間，在Y、Z向滑臺(tái)和機(jī)械臂擺動(dòng)的配合下，大臂工作空間Z向?yàn)?～400 mm，Y向?yàn)?～400 mm，X向?yàn)?170～170 mm。機(jī)械臂可帶動(dòng)機(jī)械手在空間范圍內(nèi)擺動(dòng)，調(diào)整手部的位姿。

采摘機(jī)械手手勢(shì)和果蔬采摘模擬，分別如圖17、18所示。由末端執(zhí)行器工作空間分析可知，通過(guò)柔性手指相互配合，機(jī)械手可以完成五指握取、四指握取和兩指捏取手勢(shì)(圖17)，根據(jù)目標(biāo)物體幾何形狀和尺寸調(diào)整抓取模式滿足圓柱形和球形果蔬的抓取(圖18)。

圖17 柔性末端執(zhí)行器采摘手勢(shì)Fig.17 Picking gestures of picking manipulator

圖18 柔性末端執(zhí)行器采摘模擬Fig.18 Picking simulation diagrams of picking manipulator

5 采摘實(shí)驗(yàn)

機(jī)械手采摘模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖19。施加氣壓后，在控制器的控制下滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂帶動(dòng)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手大拇指正屈配合其余四指彎曲運(yùn)動(dòng)完成果蔬采摘。

采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)圖見(jiàn)圖20。主要由電氣控制系統(tǒng)和氣壓控制系統(tǒng)組成。機(jī)械手控制器采用支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的微處理器(LPC2210)，Y、Z滑臺(tái)由2個(gè)兩相混合型步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，末端執(zhí)行器和機(jī)械臂各柔性驅(qū)動(dòng)器氣壓由SMC公司生產(chǎn)的電磁比例閥(ITV0050-3BS型)進(jìn)行控制。根據(jù)目標(biāo)物體所在的位置，由控制器發(fā)出控制指令，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)；通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓控制系統(tǒng)的比例閥1、2的電壓控制機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器通入氣體的壓力實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，通過(guò)比例閥3、4、5、6、7控制手指柔性驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)抓握完成采摘。系統(tǒng)內(nèi)的氣壓傳感器(SMC-PSE560型)可以測(cè)量柔性驅(qū)動(dòng)器內(nèi)人工肌肉的氣體壓力；觸力傳感器(FSG15NIA型)可以反饋手指與目標(biāo)物體的接觸力。

5.1 位姿實(shí)驗(yàn)

在氣壓系統(tǒng)控制下，末端執(zhí)行器可針對(duì)不同目標(biāo)物體實(shí)現(xiàn)如仿真結(jié)果所示的抓取模式，捏和握等動(dòng)作(圖21)。不同氣壓下機(jī)械臂的彎曲形變與仿真結(jié)果一致，如圖22所示。

圖20 采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)原理圖Fig.20 Control system diagram of picking manipulator

圖21 末端執(zhí)行器抓取模式Fig.21 Grasp modes of picking manipulator

圖22 機(jī)械臂動(dòng)作示意圖Fig.22 Diagrams of movement of robot arm

5.2 采摘實(shí)驗(yàn)

施加氣壓后機(jī)械手與目標(biāo)物體接觸產(chǎn)生正壓力，每次增加一個(gè)Δp(梯度氣壓0.02 MPa)，手指產(chǎn)生不同彎曲形變后與物體表面接觸產(chǎn)生的正壓力隨氣壓的變化，如圖23所示?？梢?jiàn)拇指產(chǎn)生的正壓力高于其余四指。隨氣壓的增加，手指正壓力呈線性增加，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體壓力，可以控制抓取時(shí)驅(qū)動(dòng)器的輸出力。

圖23 手指正壓力實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果Fig.23 Experiments and simulation results of finger positive pressure

圖24為抓取同一直徑不同質(zhì)量圓柱重物，拇指和其余四指所需的氣壓與重物重力的關(guān)系。圓柱體直徑為86 mm，c1和c2分別為0.43和0.36。隨著重物質(zhì)量的增加，可通過(guò)增加各手指所需的氣壓完成重物抓取。

圖24 末端執(zhí)行器抓取重物實(shí)驗(yàn)與仿真曲線Fig.24 Experiments and simulation curves when grasping objects

末端執(zhí)行器抓握功能的實(shí)現(xiàn)主要由拇指、食指、中指完成，小拇指輔助抓??；大拇指與中指相對(duì)，可實(shí)現(xiàn)兩指捏取細(xì)小物體。施加氣壓后，當(dāng)末端執(zhí)行器手指變形與目標(biāo)物體接觸，繼續(xù)增加氣壓機(jī)械手抓取目標(biāo)物體并成功采摘，根據(jù)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適合柱狀和球形果蔬抓取(圖25)，針對(duì)某一形狀果蔬可以采用不同抓取模式。幾種典型果蔬抓取實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。接觸時(shí)的氣體壓力為p0，抓緊時(shí)的氣體壓力為p0+Δp。

機(jī)械手采摘過(guò)程分為6個(gè)步驟，以采摘蘋(píng)果為例，調(diào)整Z向滑臺(tái)，達(dá)到與采摘目標(biāo)相同高度(圖26a)；調(diào)整Y向滑臺(tái)，向采摘目標(biāo)移動(dòng)(圖26b)；然后施加氣壓向右側(cè)擺動(dòng)大臂，同時(shí)手指彎曲接近采摘目標(biāo)(圖26c)；Y滑臺(tái)配合向前移動(dòng)，大臂肌肉泄氣恢復(fù)，此時(shí)采摘目標(biāo)位于末端執(zhí)行器包裹區(qū)域(圖26d)；繼續(xù)施加氣壓抓握目標(biāo)(圖26e)；最后機(jī)械臂反向擺動(dòng)或滑臺(tái)移動(dòng)完成采摘(圖26f)。

采摘實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械手動(dòng)作靈活，具有多種抓取模式、物形適應(yīng)性強(qiáng)、易于控制。通過(guò)調(diào)整氣體壓力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀和質(zhì)量的物體穩(wěn)定抓取。

圖25 末端執(zhí)行器對(duì)不同形狀果蔬的抓取結(jié)果Fig.25 Grasping of fruits and vegetables with different shapes

采摘空間可達(dá)340 mm×400 mm×400 mm，極限采摘果蔬質(zhì)量為1 kg，直徑為40～160 mm。

表2 機(jī)械手抓取實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters of manipulator for grasping

圖26 機(jī)械手采摘過(guò)程Fig.26 Picking process of manipulator

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了3種氣動(dòng)彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器，分別進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)器彎曲角度和夾持力實(shí)驗(yàn)研究，獲得其靜態(tài)特性，并在此基礎(chǔ)上研制了一種帶有柔性機(jī)械臂的果蔬采摘機(jī)械手。

(2)建立了采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并驗(yàn)證了模型的正確性。研究了不同氣壓下驅(qū)動(dòng)器形變、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)位姿和工作空間，并模擬機(jī)械手抓取模式和物品抓取。由仿真結(jié)果可知，機(jī)械手具有3種抓取模式，可捏取細(xì)小物品，抓握直徑為40～160 mm的物體。

(3)建立了手指輸出力模型，并進(jìn)行了不同質(zhì)量重物抓取實(shí)驗(yàn)，獲得了手指正壓力與氣壓的變化規(guī)律。手指輸出力與柔性驅(qū)動(dòng)器內(nèi)腔壓力成正比，通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓可靈活、有效控制關(guān)手指輸出力實(shí)現(xiàn)抓取。

(4)針對(duì)圓柱形和球形果蔬進(jìn)行了模擬采摘實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明所研制的采摘機(jī)械手可以靈活、穩(wěn)定地抓取最大質(zhì)量為1 kg的該類(lèi)型果蔬。