细长果蔬采摘软体气动抓手设计与参数优化

　　摘要：为实现细长果蔬的无损采摘，提出一种充气呈螺旋运动的软体气动抓手。通过对该抓手进行有限元静力学仿真分析，采用3因素3水平的中心组合设计与响应面分析方法，研究各因素对软体气动抓手螺旋特性的交互影响。以软体气动抓手的螺旋直径和螺距为响应值分别建立二次回归模型，得到模型的决定系数分别为0.9987和0.9351，各因素对螺旋直径和螺距的影响显著性从大到小排序均为：壁厚、内腔室宽度、腔室角度;以软体气动抓手的仿真直径35mm、仿真螺距[50,150]mm为目标函数对各影响因素进行优化，最优设计结果为壁厚2.51mm、腔室角30.52°、内腔室高度11.91mm。制作优化后的软体气动抓手并进行试验与仿真结果对比，结果表明螺旋直径与螺距的误差均小于5%。测量该抓手在不同气压下的抓取力，结果显示软体气动抓手在0.13MPa下具有3.37N的最大抓取力。通过抓取不同尺寸和不同柔软度的细长果蔬说明了软体气动抓手的有效性。以水果黄瓜为采摘对象，在3.6s内实现了黄瓜的抓取与断梗。

　　关键词：细长果蔬;软体气动抓手;螺旋运动;响应面;仿真优化

　　0引言

　　近年来，随着中国经济的发展，劳动力紧缺已经初步限制农业的发展，特别是劳动密集型的果蔬采摘产业严重受挫，因此在果蔬采摘领域急需各种类型的采摘机器人填补劳动力空白[1-5]。由于果蔬柔嫩，如何在收获的过程中有效减少果蔬损伤一直是农产品领域研究的热点[6-8]。在多数果蔬采摘作业中，均需通过采摘抓手对果蔬的夹持实现摘取，因此避免夹持损伤成为实现采摘抓手无损采摘的重点和关键。农业采摘抓手对于农业的现代化发展具有重要意义[9-11]。

　　农业论文投稿刊物：《农机化研究》创刊于1979年，季刊，国内外公开发行本刊为农业工程类学术期刊，中国农机学会农业机械化分会、黑龙江省农业机械学会和黑龙江省农业机械工程科学研究院共同主办的学术性期刊，其投稿要以紧紧围绕大农业概念下(包括农、林、《农机化研究》牧、副、渔)的机械化、电气化、自动化及数字化相关的新理论、新技术、新成果和综合述评为核心内容，语言精炼、结构完整、表达准确。

　　针对如何有效采摘不同果蔬的问题，诸多学者开展了农业采摘抓手的研究[12-16]。这些研究设计的抓手对类椭圆形果蔬具有较大优势，但对大长径比果蔬的抓取仍有较大困难。为了采摘黄瓜和茄子等大长径比类果蔬，文献[17]设计了黄瓜采摘抓手，该抓持器由两个基于气动柔性驱动器的弯曲关节构成,机械结构简单,输出力较大,对黄瓜的抓取成功率和断梗率较高,抓手的柔顺度有待进一步提高。文献[18]研究的黄瓜采摘抓手的夹持装置是由两根夹持手指和吸盘构成，在收获过程中夹持手指承载主要载荷，吸盘起辅助固定作用，由于吸盘承受的载荷较小，在抓取过程难以实现稳定抓取。

　　文献[19]设计了一种两指茄子采摘机器人抓手，其中夹持装置是由电机驱动的两根金属手指，能够实现对3~6.5cm的茄子进行抓取。文献[20]设计的茄子抓手，其中真空吸附系统和四指配合使用能够实现对茄子的柔性稳定抓取。周思路[21]针对茄子采摘设计了一种两指式抓手，该抓手由伺服电机驱动，结构简单，控制方便，但对黄瓜表皮的硬度有很高的依赖性。文献[22]针对海参的捕获设计了一种水下远程遥控抓手，该抓手能够实现多个自由度的转动并精准的捕获海参。

　　文献[23]设计的甜椒采摘机械手是由与齿轮连接的两根金属手指构成，其结构简单，运动流畅。以上果蔬采摘抓手均为传统的刚性抓手，其精密的驱动部件和传动部件降低了抓手在非结构化环境中应用的可靠性和耐久性，同时需要依靠精密的传感部件和复杂的传感策略才能实现对细长果蔬的无损采摘，限制了刚性采摘抓手的应用。针对上述问题，本文受藤曼卷曲现象的启发，设计一种螺旋缠绕型软体气动抓手。以软体气动抓手的壁厚、腔室角以及内腔室高度为影响因素，以该抓手的螺旋半径和螺距为优化目标，使用有限元分析和响应面分析法对软体气动抓手进行优化。

　　1抓手的设计与制作

　　由于部分农作物果实的形状为细长型且表皮较柔软、易损伤(如黄瓜、茄子、辣椒等)，使用传统的刚性采摘抓手难以实现无损采摘[24,25]。细长果蔬。软体气动抓手的螺旋直径和螺距对抓取的细长果蔬的直径，螺距决定了抓取过程中细长果蔬受力的均匀性。为设计螺旋型软体气动抓手的尺寸，以市场上水果黄瓜为典型抓取对象，并对水果黄瓜的几何特性进行测量。测量100根水果黄瓜的直径和长度，求取的平均直径和平均长度分别为35mm和150mm。

　　本文设计螺旋型抓手的长度L=200mm，软体气动抓手腔室之间的距离s=1.6mm，腔室之间通道的尺寸分为bb=2mm2mm，软体气动抓手的宽度为W，高度为H，壁厚为t，腔室的角度为θ，内腔室的高度为d,内腔室的高度为h。目前，软体气动抓手的制作方法主要包括模具铸造法、失蜡法和3D打印一体成型方法，本文选用模具铸造法作为软体气动抓手的制作方法。

　　首先，用3D打印制作所需的3个铸造模具(PLA-F170型,Stratasys)，分别为模具1、模具2、模具3、模具4，并将模具1和模具2组装为模具4。其次，将脱泡液体硅胶倒入模具3和组装好的模具4中，并将其放入内部温度为60℃的真空干燥箱中固化2h。从模具4中取出固化的软体气动抓手上层。然后，用脱泡液体硅胶粘合软体气动抓手的上层和下层，并将其放入内部温度为60℃的真空干燥箱中固化2h。最后，取出制作完成的软体气动抓手，并在其端部插入气管。

　　2有限元分析

　　通过仿真工具研究不同参数下抓手的变形情况。该抓手是由硅橡胶(超弹性材料)制作，在气压的作用下发生非线性大变形，传统基于小变形假设的线弹性理论将难以解释其变形过程。通常，硅橡胶材料的本构模型是基于材料的应力-应变关系与唯象理论建立的。通过单轴拉伸试验得到的应力-应变关系数据代入本构模型中拟合出模型参数，拟合结果能预测柔性材料的拉伸和剪切等力学行为并较准确地描述非线性材料的大变形特性。目前常用的硅橡胶材料的本构模型有Neo-Hookean、Ogden、Mooney-Rivlin、Yeoh、Arruda-Boyce、Blatz-Ko、SaintVenant-Kirchhoff等[26]。

　　3试验参数与方法

　　3.1试验因素与水平

　　由初步的抓取试验可知，软体气动抓手的壁厚、内腔室高度和腔室角对其螺旋半径和螺距均有影响，以下使用响应面优化法以壁厚、内腔室高度和腔室角作为影响因素，以螺旋半径和螺距为优化目标对软体气动抓手的尺寸参数进行优化。通过单因素仿真确定软体气动抓手的螺旋直径为35mm(水果黄瓜平均直径)的壁厚、内腔室高度和腔室角的范围分别为2～3mm、8～12mm和30°～60°。采用3因素3水平中心组合设计的Box-Behnken试验，并以(-1，0，1)为编码，取壁厚、内腔室高度和腔室角度的水平如表1所示，并在最大气压为0.08MPa(仿真气压)下分别开展螺旋直径和螺距的仿真优化试验。

　　4参数优化与对比试验

　　通过软体气动抓手螺旋直径与螺距的回归模型，运用Design–Expert8.0软件中Optimization功能，以仿真直径35mm、仿真螺距[50,150]mm为目标函数，其变量的取值范围为壁厚范围为A[2,3]mm、内腔室高度B[8,12]mm、腔室角C[30,60]°,对各参数进行优化求解，得到各因素最优工作参数为A=2.51mm，B=11.91mm，C=30.52°。此时，仿真直径为35mm，仿真螺距为100.05mm。为验证模型准确性，以上述优化后的工作参数进行验证，试验重复3次，仿真直径、仿真螺距的相对误差均小于5%，表明响应面仿真试验能够有效的实现优化。

　　5软体气动抓手抓取试验

　　5.1不同气压下软体气动抓手抓取质量

　　本研究的抓取对象是细长果蔬，在满足柔性抓取的基础上以水果黄瓜为抓取对象，测量软体气动抓手在不同气压下的抓取力。通过法兰将软体气动抓手固定在机械臂(JAKAZU3)末端，该抓手在气压为0.08~0.13MPa，步长为0.01MPa下分别对水果黄瓜进行抓取。

　　在每个气压下，待软体气动抓手螺旋抓取水果黄瓜后，向水果黄瓜下方悬挂砝码，持续增加砝码质量，直至水果黄瓜与抓手之间产生滑移，记录悬挂砝码的总质量，该试验在相同条件下进行5次，以悬挂砝码总质量m的最小值作为软体气动抓手在该气压下的最大摩擦力。通过实验测得黄瓜与硅胶之间的静摩擦因数为1.1，考虑黄瓜与在夹持过程中轴线与竖直方向存在微小的夹角为6.48 。

　　6结论

　　(1)设计一种螺旋变形的软体气动抓手。以该抓手的螺旋直径和螺距作为关键性能参数，对壁厚、内腔室高度和腔室角度进行了参数优化。

　　(2)应用ABAQUS有限元仿真软件对该抓手的变形特性进行仿真分析，并用3因素3水平中心组合设计的Box-Behnken试验结果显示，各因素对螺旋直径和螺距影响的显著性从大到小排序均为：壁厚、内腔室高度、腔室角度，优化后的壁厚、内腔室高度和腔室角度分别为2.51mm、11.91mm和30.52°，此时螺旋直径和螺距分别为35mm和100.05mm。

　　(3)对优化后的软体气动抓手在不同气压下的抓取力进行测量，结果表明该抓手在0.13MPa下具有3.37N的最大抓取力。通过抓取试验，说明该抓手对水果黄瓜、尖椒和长茄等细长果蔬可进行无损抓取。动态采摘试验表明在3.6s内完成了水果黄瓜的无损采摘。

　　参考文献

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　　[4]罗陆锋,邹湘军,叶敏,等.基于双目立体视觉的葡萄采摘防碰空间包围体求解与定位[J].农业工程学报,2016,32(8):41-47.

　　作者：贾江鸣1叶玉泽1程培林1胡润泽1武传宇1,2