董增雅，高 謙，高國華*，王 皓

(1.北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術(shù)學院，北京 100124；2.北京生產(chǎn)力促進中心，北京 100088)

0 引 言

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)比較廣泛使用機器人[1]。我國果樹種植面積超過1 000萬公頃，年產(chǎn)量超過2億噸[2]。果實采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最耗時費力的環(huán)節(jié)。采摘自動化能提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，確保適時采收果蔬，解決勞動力不足等問題[3-4]。采摘機器人是智能農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展方向之一，具有廣闊的應用前景[5]。

機械手是采摘機器人實現(xiàn)果實采摘的核心部件，由于果皮較為脆弱，抓取過程中容易造成損傷，對機械手具有一定的柔性要求[6]。與傳統(tǒng)剛性機械手相比，柔性機械手具有質(zhì)量輕、體積小、速度高、負載能力強、能耗小、成本低等優(yōu)點。

目前，國內(nèi)外對機械手已開展了大量的研究，但是存在通用性較差、結(jié)構(gòu)復雜、控制困難、柔順適應性差等問題。加拿大制作了自適應機械手指PaCoMe，無需傳感器，控制簡單，但柔順性較差[7]；葡萄牙研制了依據(jù)繩線驅(qū)動的柔性連接手，機構(gòu)本身容易傾斜[8]；哈佛大學研制了氣動型軟體機器人，可以抓取雞蛋但是加工困難[9]；美國研制了一種西紅柿采摘機械手，屬于高度欠驅(qū)動機構(gòu)，手指易發(fā)生彎曲而導致果實抓取的失敗[10]；臥龍崗大學基于3D打印制造了柔性手指，剛度可調(diào)，能抓取最大重量為180 g的瓶子[11-12]；浙江大學利用欠驅(qū)動原理研制了一款結(jié)構(gòu)簡單的末端執(zhí)行裝置[13]；南京理工大學基于剛?cè)嵯嘟Y(jié)合的方案制作了一種軟體驅(qū)動三觸手柔性手爪[14-15]；浙江工業(yè)大學王志恒等人[16-20]設(shè)計了ZJUT氣動柔性機械手；楊婕等人[21-22]采用鋁合金研制了欠驅(qū)動靈巧機械手；浙江工業(yè)大學以氣動柔性關(guān)節(jié)和扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為基礎(chǔ)設(shè)計了柔性手爪[23]。

通過國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析可知，機械手的結(jié)構(gòu)分為2類：一類多是關(guān)節(jié)型，手指數(shù)目一般為3～5個，手指關(guān)節(jié)的運動副多為轉(zhuǎn)動副，此類機械手一般是剛性接觸，通過多關(guān)節(jié)手指完成抓取，但是結(jié)構(gòu)復雜、質(zhì)量大、柔順性差；另一類為基于新技術(shù)、新材料的機械手，該類機械手自適應抓取效果好、驅(qū)動簡單，但存在加工困難、成本高等問題。

因此，本文結(jié)合氣壓驅(qū)動設(shè)計一款結(jié)構(gòu)精簡、柔順性好、成本低的機械手。

1 柔性吞咽機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計目標

基于前期對機械手的調(diào)研和分析，本文確定了具體設(shè)計目標：

(1)柔順性。機械手需具有自適應變形的能力和良好的抓取效果；

(2)結(jié)構(gòu)簡單。結(jié)構(gòu)復雜的機械手造成裝配困難、控制復雜，所以結(jié)構(gòu)越簡單，性能越優(yōu)良；

(3)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。減少或者合并動作的執(zhí)行，必將對機械手的抓取性能和效率有所改善。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

柔性吞咽機械手具有柔性自適應抓取和吞咽的功能，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性吞咽機械手

機械手主要由柔性手指、氣動元件、氣管接頭、手腕和底座組成。柔性手指為三角形結(jié)構(gòu)，底座中間為中空結(jié)構(gòu)。手腕的上、下兩部分均可彎曲，氣動元件為可以壓縮和伸長的氣囊。通過氣囊的壓縮和伸長驅(qū)動手腕的變形，實現(xiàn)對球形果實的抓取和吞咽。

手腕設(shè)計為一體件，在氣動元件的驅(qū)動下進行彎曲變形，并具有彈性變形的功能，當驅(qū)動完成時，恢復至原狀。手腕頂端設(shè)有燕尾槽，可與柔性手指底端的燕尾槽相連，由于手腕和柔性手指的材料性能不同，裝配牢固可靠。

為了質(zhì)量輕便，將驅(qū)動源后置，本文設(shè)計了氣動元件，氣動元件包括抓取氣囊和吞咽氣囊。抓取氣囊固定在手腕下部，氣嘴通過底座的圓孔直接安裝在氣管接頭一上。吞咽氣囊固定在手腕上部，通過手腕上的圓孔與氣管接頭二相連。筆者通過對氣動元件氣囊的伸長、縮短進行驅(qū)動，從而實現(xiàn)柔性吞咽機械手的抓取和吞咽功能。

1.3 流程分析

機械手的柔性主要體現(xiàn)在柔性手指和手腕上。氣動元件驅(qū)動手腕彎曲，與柔性手指的變形協(xié)調(diào)配合，對接觸對象進行抓取。具體的動作流程如圖2所示。

(1)抓取球形物。吞咽氣囊充入負壓氣體處于壓縮狀態(tài)，抓取氣囊充入正壓氣體帶動手腕彎曲，使得柔性手指處于豎直狀態(tài)，與物體接觸后柔性手指自適應物體變形，完成抓取功能；

(2)包裹球形物。抓取氣囊持續(xù)輸入正壓氣體保持不變，吞咽氣囊充入正壓氣體，達到設(shè)定值,此時柔性手指底端間距稍微變大，柔性手指指尖聚攏，使得柔性手指適應球形物發(fā)生變形，完成包裹;

(3)吞咽球形物。吞咽氣囊充入正壓氣體至設(shè)定值保持不變，減小抓取氣囊正壓氣體，此時柔性手指的上部聚攏，柔性手指底端間距變大，球形物下落，中空的底座與手腕的下部組成吞咽通道，物體下落到吞咽通道內(nèi)，完成吞咽過程；

(4)減小吞咽氣囊正壓氣體，柔性手指打開恢復至氣囊自由狀態(tài)下，此時抓取氣囊和吞咽氣囊均充入負壓氣體處于壓縮狀態(tài)，柔性手指處于打開狀態(tài)。

圖2 動作流程示意圖

2 單手腕運動學分析

手腕下部分相對于底座存在一個轉(zhuǎn)動，手腕上部分相對于中間較厚的部分也有一個轉(zhuǎn)動，故整個手腕有兩個轉(zhuǎn)動自由度。手腕不發(fā)生彎曲變形的較厚部分直接簡化成連桿，發(fā)生彎曲變形的兩部分簡化成常曲率圓弧，柔性手指直接簡化成連桿。

平面四桿柔性機械手如圖3所示。

圖3 平面四桿柔性機械手示意圖b1—連桿1長度；a—連桿2長度；b2—連桿3長度；l3—連桿4長度；(x0,y0)—基礎(chǔ)坐標系，固定在基座上；(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)—連體坐標系，分別固結(jié)在連桿1、2、3、4并隨它們一起運動；關(guān)節(jié)角順時針為負逆時針為正，假定z0、z1、z2、z3垂直于紙面向外

通過連桿坐標系可以得到柔性機械手的連桿參數(shù)，如表1所示。

表1 連桿參數(shù)

本研究運用D-H方法建立其運動學方程。

可以得到第i個坐標系相對于第i-1個坐標系的齊次變換矩陣分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：

θ1234=θ1+θ2+θ3+θ4,θ123=θ1+θ2+θ3,θ12=θ1+θ2。

即端點坐標為：

(7)

(8)

式中：α1—圓心角1；b1—圓心角α1對應的弦長；L1—圓心角α1對應的弧長；α2—圓心角2；b2—圓心角α2對應的弦長；L2—圓心角α2對應的弧長。

由弦長公式得：

(9)

(10)

由平面幾何關(guān)系可以得到θ1，2與α1，2的關(guān)系：

(11)

最后得到柔性手指的端點坐標：

(12)

(13)

其中，L1=42，L2=28，L3=102，a=60.67。

假設(shè)給定關(guān)節(jié)變量α1、α2的值，利用上式就可以計算出柔性機械手的位姿。

3 柔性吞咽機械手樣機驗證

3.1 樣機搭建

本文設(shè)計的柔性吞咽機械手采用FDM型3D打印加工制作而成，手腕和底座材料為PLA(生物降解塑料聚乳酸)；柔性手指、抓取氣囊、吞咽氣囊材料為TPU(熱塑性聚氨酯彈性體)。

組裝完成的柔性機械手的質(zhì)量僅為385 g。其中氣動部分主要包括氣管接頭和真空發(fā)生器，氣泵通過氣管充入正壓氣體，氣動元件膨脹伸長；依靠真空發(fā)生器充入負壓氣體，氣動元件收縮。

3.2 氣動元件形變量標定試驗

驅(qū)動元件安裝在樣機中，形變量受到手腕的制約，因此若要達到確定的位置，需要對驅(qū)動壓力和驅(qū)動角度進行標定。抓取氣囊的驅(qū)動角度為A，吞咽氣囊的驅(qū)動角度為B，氣囊標定試驗如圖4所示。

圖4 氣囊標定試驗

抓取和吞咽氣囊的標定試驗分開進行。當進行抓取氣囊試驗時，吞咽氣囊用扎帶捆住，只對抓取氣囊充氣，通過氣壓表來控制壓力，并利用攝像機對驅(qū)動元件變形過程進行拍攝記錄，從而得到角度值A(chǔ)，同理得到B。

本研究利用Matlab軟件的數(shù)據(jù)擬合模塊cftool對測得數(shù)據(jù)進行擬合，擬合曲線如圖5所示。

圖5 氣動元件擬合曲線

抓取氣囊驅(qū)動角度A與氣壓P1最后擬合的公式為：

(14)

式中：a—系數(shù)，取值為2 437；b—系數(shù)，取值為-1 385；c—系數(shù)，取值為316.4；d—系數(shù)，取值為31.07。

吞咽氣囊驅(qū)動角度B與氣壓P2最后擬合的公式為：

(15)

式中：a—系數(shù)，a=4.334*105；b—系數(shù)，b=-1.018×105；c—系數(shù)，c=5 579；d—系數(shù)，d=421.6；e—系數(shù)，e=16.26。

這樣，通過擬合公式便可以由氣壓控制氣囊的驅(qū)動角度。

3.3 抓取試驗及結(jié)果分析

筆者設(shè)定抓取氣囊的壓力值為0.25 MPa，吞咽氣囊的壓力值為0.12 MPa。本研究對西紅柿進行15次抓取試驗。試驗流程如圖6所示。

圖6 樣機抓取試驗

通過樣機試驗可以發(fā)現(xiàn)：柔性手指在與西紅柿的接觸過程中變形良好，氣動元件靈活，果實下落過程順滑，基本滿足柔性機械手的設(shè)計要求。

本研究對照片進行處理，通過GetData軟件得到不同過程中相對應的驅(qū)動元件的角度，對15次數(shù)據(jù)求取平均值，如表2所示。

表2 驅(qū)動角度平均值

通過角度的變化，柔性機械手實現(xiàn)了良好的抓取和吞咽功能，也驗證了運動學方程的正確性。按照理論分析，吞咽氣囊角度B在抓取和打開過程中的值都為0，但由于多次試驗氣囊內(nèi)部存有殘留氣體，使得角度測量值有所誤差。

4 結(jié)束語

本文利用D-H坐標法和常曲率變形建立了單手腕的運動學方程，基于3D打印搭建了樣機，并進行了氣動元件形變量的標定試驗和對西紅柿的抓取試驗。試驗結(jié)果表明：柔性機械手可以實現(xiàn)果實的無損抓取、達到良好的吞咽效果，也驗證了運動學分析的正確性。

該結(jié)構(gòu)精簡、自適應性強，通過柔性手指的自適應變形抓取對象，通過角度的控制可以實現(xiàn)良好的吞咽效果。