摘要：為實現細長果蔬的無損采摘，提出一種充氣呈螺旋運動的軟體氣動抓手。通過對該抓手進行有限元靜力學仿真分析，采用3因素3水平的中心組合設計與響應面分析方法，研究各因素對軟體氣動抓手螺旋特性的交互影響。以軟體氣動抓手的螺旋直徑和螺距為響應值分別建立二次回歸模型，得到模型的決定系數分別為0.9987和0.9351，各因素對螺旋直徑和螺距的影響顯著性從大到小排序均為：壁厚、內腔室寬度、腔室角度;以軟體氣動抓手的仿真直徑35mm、仿真螺距[50,150]mm為目標函數對各影響因素進行優化，最優設計結果為壁厚2.51mm、腔室角30.52°、內腔室高度11.91mm。制作優化后的軟體氣動抓手并進行試驗與仿真結果對比，結果表明螺旋直徑與螺距的誤差均小于5%。測量該抓手在不同氣壓下的抓取力，結果顯示軟體氣動抓手在0.13MPa下具有3.37N的最大抓取力。通過抓取不同尺寸和不同柔軟度的細長果蔬說明了軟體氣動抓手的有效性。以水果黃瓜為采摘對象，在3.6s內實現了黃瓜的抓取與斷梗。

　　關鍵詞：細長果蔬;軟體氣動抓手;螺旋運動;響應面;仿真優化

　　0引言

　　近年來，隨著中國經濟的發展，勞動力緊缺已經初步限制農業的發展，特別是勞動密集型的果蔬采摘產業嚴重受挫，因此在果蔬采摘領域急需各種類型的采摘機器人填補勞動力空白[1-5]。由于果蔬柔嫩，如何在收獲的過程中有效減少果蔬損傷一直是農產品領域研究的熱點[6-8]。在多數果蔬采摘作業中，均需通過采摘抓手對果蔬的夾持實現摘取，因此避免夾持損傷成為實現采摘抓手無損采摘的重點和關鍵。農業采摘抓手對于農業的現代化發展具有重要意義[9-11]。

　　農業論文投稿刊物：《農機化研究》創刊于1979年，季刊，國內外公開發行本刊為農業工程類學術期刊，中國農機學會農業機械化分會、黑龍江省農業機械學會和黑龍江省農業機械工程科學研究院共同主辦的學術性期刊，其投稿要以緊緊圍繞大農業概念下(包括農、林、《農機化研究》牧、副、漁)的機械化、電氣化、自動化及數字化相關的新理論、新技術、新成果和綜合述評為核心內容，語言精煉、結構完整、表達準確。

　　針對如何有效采摘不同果蔬的問題，諸多學者開展了農業采摘抓手的研究[12-16]。這些研究設計的抓手對類橢圓形果蔬具有較大優勢，但對大長徑比果蔬的抓取仍有較大困難。為了采摘黃瓜和茄子等大長徑比類果蔬，文獻[17]設計了黃瓜采摘抓手，該抓持器由兩個基于氣動柔性驅動器的彎曲關節構成,機械結構簡單,輸出力較大,對黃瓜的抓取成功率和斷梗率較高,抓手的柔順度有待進一步提高。文獻[18]研究的黃瓜采摘抓手的夾持裝置是由兩根夾持手指和吸盤構成，在收獲過程中夾持手指承載主要載荷，吸盤起輔助固定作用，由于吸盤承受的載荷較小，在抓取過程難以實現穩定抓取。

　　文獻[19]設計了一種兩指茄子采摘機器人抓手，其中夾持裝置是由電機驅動的兩根金屬手指，能夠實現對3~6.5cm的茄子進行抓取。文獻[20]設計的茄子抓手，其中真空吸附系統和四指配合使用能夠實現對茄子的柔性穩定抓取。周思路[21]針對茄子采摘設計了一種兩指式抓手，該抓手由伺服電機驅動，結構簡單，控制方便，但對黃瓜表皮的硬度有很高的依賴性。文獻[22]針對海參的捕獲設計了一種水下遠程遙控抓手，該抓手能夠實現多個自由度的轉動并精準的捕獲海參。

　　文獻[23]設計的甜椒采摘機械手是由與齒輪連接的兩根金屬手指構成，其結構簡單，運動流暢。以上果蔬采摘抓手均為傳統的剛性抓手，其精密的驅動部件和傳動部件降低了抓手在非結構化環境中應用的可靠性和耐久性，同時需要依靠精密的傳感部件和復雜的傳感策略才能實現對細長果蔬的無損采摘，限制了剛性采摘抓手的應用。針對上述問題，本文受藤曼卷曲現象的啟發，設計一種螺旋纏繞型軟體氣動抓手。以軟體氣動抓手的壁厚、腔室角以及內腔室高度為影響因素，以該抓手的螺旋半徑和螺距為優化目標，使用有限元分析和響應面分析法對軟體氣動抓手進行優化。

　　1抓手的設計與制作

　　由于部分農作物果實的形狀為細長型且表皮較柔軟、易損傷(如黃瓜、茄子、辣椒等)，使用傳統的剛性采摘抓手難以實現無損采摘[24,25]。細長果蔬。軟體氣動抓手的螺旋直徑和螺距對抓取的細長果蔬的直徑，螺距決定了抓取過程中細長果蔬受力的均勻性。為設計螺旋型軟體氣動抓手的尺寸，以市場上水果黃瓜為典型抓取對象，并對水果黃瓜的幾何特性進行測量。測量100根水果黃瓜的直徑和長度，求取的平均直徑和平均長度分別為35mm和150mm。

　　本文設計螺旋型抓手的長度L=200mm，軟體氣動抓手腔室之間的距離s=1.6mm，腔室之間通道的尺寸分為bb=2mm2mm，軟體氣動抓手的寬度為W，高度為H，壁厚為t，腔室的角度為θ，內腔室的高度為d,內腔室的高度為h。目前，軟體氣動抓手的制作方法主要包括模具鑄造法、失蠟法和3D打印一體成型方法，本文選用模具鑄造法作為軟體氣動抓手的制作方法。

　　首先，用3D打印制作所需的3個鑄造模具(PLA-F170型,Stratasys)，分別為模具1、模具2、模具3、模具4，并將模具1和模具2組裝為模具4。其次，將脫泡液體硅膠倒入模具3和組裝好的模具4中，并將其放入內部溫度為60℃的真空干燥箱中固化2h。從模具4中取出固化的軟體氣動抓手上層。然后，用脫泡液體硅膠粘合軟體氣動抓手的上層和下層，并將其放入內部溫度為60℃的真空干燥箱中固化2h。最后，取出制作完成的軟體氣動抓手，并在其端部插入氣管。

　　2有限元分析

　　通過仿真工具研究不同參數下抓手的變形情況。該抓手是由硅橡膠(超彈性材料)制作，在氣壓的作用下發生非線性大變形，傳統基于小變形假設的線彈性理論將難以解釋其變形過程。通常，硅橡膠材料的本構模型是基于材料的應力-應變關系與唯象理論建立的。通過單軸拉伸試驗得到的應力-應變關系數據代入本構模型中擬合出模型參數，擬合結果能預測柔性材料的拉伸和剪切等力學行為并較準確地描述非線性材料的大變形特性。目前常用的硅橡膠材料的本構模型有Neo-Hookean、Ogden、Mooney-Rivlin、Yeoh、Arruda-Boyce、Blatz-Ko、SaintVenant-Kirchhoff等[26]。

　　3試驗參數與方法

　　3.1試驗因素與水平

　　由初步的抓取試驗可知，軟體氣動抓手的壁厚、內腔室高度和腔室角對其螺旋半徑和螺距均有影響，以下使用響應面優化法以壁厚、內腔室高度和腔室角作為影響因素，以螺旋半徑和螺距為優化目標對軟體氣動抓手的尺寸參數進行優化。通過單因素仿真確定軟體氣動抓手的螺旋直徑為35mm(水果黃瓜平均直徑)的壁厚、內腔室高度和腔室角的范圍分別為2～3mm、8～12mm和30°～60°。采用3因素3水平中心組合設計的Box-Behnken試驗，并以(-1，0，1)為編碼，取壁厚、內腔室高度和腔室角度的水平如表1所示，并在最大氣壓為0.08MPa(仿真氣壓)下分別開展螺旋直徑和螺距的仿真優化試驗。

　　4參數優化與對比試驗

　　通過軟體氣動抓手螺旋直徑與螺距的回歸模型，運用Design–Expert8.0軟件中Optimization功能，以仿真直徑35mm、仿真螺距[50,150]mm為目標函數，其變量的取值范圍為壁厚范圍為A[2,3]mm、內腔室高度B[8,12]mm、腔室角C[30,60]°,對各參數進行優化求解，得到各因素最優工作參數為A=2.51mm，B=11.91mm，C=30.52°。此時，仿真直徑為35mm，仿真螺距為100.05mm。為驗證模型準確性，以上述優化后的工作參數進行驗證，試驗重復3次，仿真直徑、仿真螺距的相對誤差均小于5%，表明響應面仿真試驗能夠有效的實現優化。

　　5軟體氣動抓手抓取試驗

　　5.1不同氣壓下軟體氣動抓手抓取質量

　　本研究的抓取對象是細長果蔬，在滿足柔性抓取的基礎上以水果黃瓜為抓取對象，測量軟體氣動抓手在不同氣壓下的抓取力。通過法蘭將軟體氣動抓手固定在機械臂(JAKAZU3)末端，該抓手在氣壓為0.08~0.13MPa，步長為0.01MPa下分別對水果黃瓜進行抓取。

　　在每個氣壓下，待軟體氣動抓手螺旋抓取水果黃瓜后，向水果黃瓜下方懸掛砝碼，持續增加砝碼質量，直至水果黃瓜與抓手之間產生滑移，記錄懸掛砝碼的總質量，該試驗在相同條件下進行5次，以懸掛砝碼總質量m的最小值作為軟體氣動抓手在該氣壓下的最大摩擦力。通過實驗測得黃瓜與硅膠之間的靜摩擦因數為1.1，考慮黃瓜與在夾持過程中軸線與豎直方向存在微小的夾角為6.48 。

　　6結論

　　(1)設計一種螺旋變形的軟體氣動抓手。以該抓手的螺旋直徑和螺距作為關鍵性能參數，對壁厚、內腔室高度和腔室角度進行了參數優化。

　　(2)應用ABAQUS有限元仿真軟件對該抓手的變形特性進行仿真分析，并用3因素3水平中心組合設計的Box-Behnken試驗結果顯示，各因素對螺旋直徑和螺距影響的顯著性從大到小排序均為：壁厚、內腔室高度、腔室角度，優化后的壁厚、內腔室高度和腔室角度分別為2.51mm、11.91mm和30.52°，此時螺旋直徑和螺距分別為35mm和100.05mm。

　　(3)對優化后的軟體氣動抓手在不同氣壓下的抓取力進行測量，結果表明該抓手在0.13MPa下具有3.37N的最大抓取力。通過抓取試驗，說明該抓手對水果黃瓜、尖椒和長茄等細長果蔬可進行無損抓取。動態采摘試驗表明在3.6s內完成了水果黃瓜的無損采摘。

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　　作者：賈江鳴1葉玉澤1程培林1胡潤澤1武傳宇1,2