盧 偉 王 鵬 王 玲 DENG Yiming

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 南京 210031；3.密歇根州立大學(xué)工學(xué)院， 東蘭辛 MI 48824)

0 引言

2016—2017年我國(guó)雙孢蘑菇產(chǎn)量335萬(wàn)t，約占世界總產(chǎn)量的65%，并將持續(xù)增長(zhǎng)[1]。褐菇是雙孢蘑菇的一大變種，富含蛋白質(zhì)、氨基酸和鉀鈣磷鎂等微量元素，深受人們喜愛(ài)[2]。目前，褐菇主要通過(guò)工廠化生產(chǎn)，除采摘外均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在采摘環(huán)節(jié)仍采用人工選擇性分級(jí)采摘方式，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、人力成本高，且容易導(dǎo)致風(fēng)濕等職業(yè)病，嚴(yán)重影響了褐菇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此對(duì)褐菇采摘機(jī)器人的需求十分迫切[3]。褐菇采摘執(zhí)行器直接決定了褐菇采摘的質(zhì)量和市場(chǎng)售價(jià)，是褐菇采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。

目前，果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器主要面向硬度較大、呈橢球形或圓柱形的果蔬[5-6],如番茄采摘機(jī)械手[7]、黃瓜抓持切割采摘機(jī)械手[8]、柑橘采摘夾持器[9]和芒果采摘柔性機(jī)械手[10]等。針對(duì)傘蓋狀蘑菇采摘的末端執(zhí)行器研究較少，美國(guó)的CATHA[11]和VAN等[12]研制了通過(guò)刀片實(shí)現(xiàn)蘑菇收獲的蘑菇收割機(jī)，但是剛性刀片采摘的蘑菇易受損傷和變色；REED等[13]研制的蘑菇采摘機(jī)器人利用波紋管硅膠吸盤的真空吸力吸附住菇蓋并扭轉(zhuǎn)，使根土分離，實(shí)現(xiàn)采摘，但由于褐菇柔軟易損，且表面覆有黏液，在實(shí)際采摘時(shí)易造成打滑、菇蓋破損及菇蓋菇柄脫離[14]。柔性手爪因其柔軟的材料而不易對(duì)果蔬造成機(jī)械損傷，為褐菇無(wú)損采摘提供了一種有效途徑[15-16]。

本文首先分析褐菇生物學(xué)與力學(xué)特性，針對(duì)褐菇采摘過(guò)程建立褐菇無(wú)損采摘抓持力的約束條件，設(shè)計(jì)柔性手爪，建立抓取模型，進(jìn)行柔性手爪的仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后對(duì)柔性手爪進(jìn)行抓取試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 褐菇生物學(xué)和力學(xué)特性分析

1.1 褐菇生物學(xué)特性

褐菇主體有菇蓋和菇柄兩部分，成熟后外表呈暗褐色，菇蓋寬大呈半球形，直徑可達(dá)10 cm，菇柄也十分粗壯，高度可達(dá)5 cm，菇蓋內(nèi)側(cè)沿徑向還有黑色菌絲，菇肉疏松肥厚，香味濃，口味鮮美[17]。

褐菇適宜采收時(shí)間一般在菇蓋直徑為8～10 cm時(shí)，此時(shí)菇蓋與菇柄剛脫落并內(nèi)卷，人工采摘使用手指緊貼菇蓋外側(cè)，輕旋使褐菇脫離土壤，再輕輕提起，用小刀平切菇柄，保持菇體潔凈，輕放入采摘筐[18]。

1.2 褐菇力學(xué)特性

褐菇需測(cè)量的基本力學(xué)參數(shù)包括彈性模量、泊松比和褐菇與柔性材料的滑動(dòng)摩擦因數(shù)等參數(shù)[19]，用于褐菇的抓持建模和仿真分析。

在褐菇的彈性限度內(nèi)，承受正向應(yīng)力σ時(shí)產(chǎn)生正向應(yīng)變?chǔ)?，褐菇彈性模量E計(jì)算公式為

(1)

式中F——施加的外力

L——試樣初始長(zhǎng)度

S——試樣初始橫截面積

ΔL——在外力作用下的變形量

褐菇載荷垂直方向上的應(yīng)變與載荷方向上的應(yīng)變之比的負(fù)值定義為褐菇泊松比ν，可根據(jù)布森聶理論計(jì)算，計(jì)算公式為

(2)

式中r——壓模半徑

ΔD——物料變形量

滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ是衡量褐菇和柔性手爪間是否發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的重要參數(shù)，只與接觸面的粗糙度有關(guān)，計(jì)算公式為

(3)

式中T——摩擦力矩

Q——試樣施加力

R——圓環(huán)柱體外半徑

選取褐菇菇蓋制作試樣，使用TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀(美國(guó))和壓模半徑r=2 cm圓柱模進(jìn)行壓模試驗(yàn)，測(cè)量力-位移曲線。沿褐菇菇蓋外側(cè)徑向裁剪試樣，制作柔性材料的圓環(huán)柱體試樣，外半徑R=2 cm，采用M-2000型磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)。經(jīng)多次試驗(yàn)測(cè)量取均值，計(jì)算得褐菇力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 褐菇力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of brown mushroom

1.3 抓持力約束方程

本文設(shè)計(jì)的采摘柔性手爪為n指圓周均布排列，因此僅需分析單個(gè)柔性手指，建模分析褐菇抓持和旋轉(zhuǎn)受力過(guò)程如圖1所示，圖中f′和f分別為單個(gè)手指與褐菇在水平方向和豎直方向的靜摩擦力，fn和fz分別為菇柄和土壤之間扭轉(zhuǎn)的作用力和反作用力，N為單指抓持力，fx為單指和褐菇間在水平方向的扭轉(zhuǎn)力。

圖1 褐菇采摘受力分析圖Fig.1 Picking force analysis of brown mushroom

根據(jù)實(shí)際采摘經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)褐菇的生物學(xué)特性，褐菇采摘實(shí)現(xiàn)菇柄與土壤脫離主要有兩種方案：拔斷式和扭斷式，拔斷式在成功抓持褐菇后向上提起拔斷褐菇，扭斷式在成功抓持褐菇后水平旋轉(zhuǎn)扭斷褐菇。

拔斷式抓持時(shí)為實(shí)現(xiàn)拔斷采摘并且不損傷褐菇結(jié)構(gòu)，約束式為

fg

(4)

式中fb——拔斷式拉力

即拔斷式抓持力Nm1的約束式為

(5)

扭斷式抓持時(shí)為實(shí)現(xiàn)采摘并且避免菇蓋破裂，扭斷式抓持力Nm2約束式為

(6)

扭斷式旋轉(zhuǎn)時(shí)，采摘手爪旋轉(zhuǎn)褐菇產(chǎn)生的扭矩需達(dá)到土壤菇柄分離扭矩才能實(shí)現(xiàn)采摘，同時(shí)扭矩需小于菇蓋菇柄分離扭矩以防蘑菇損傷，因此扭斷式抓持力Nm2約束式為

(7)

式中d——褐菇直徑

參照表1，由式(5)～(7)可得拔斷式抓持力Nm1為1.9～5 N，扭斷式抓持力Nm2為1～6 N，拔斷式抓持力相對(duì)于扭斷式約大0.9 N，且抓持褐菇時(shí)更易造成破壞，因此選用扭斷式進(jìn)行褐菇采摘。

假設(shè)抓持力考慮一定可靠性，抓持力Nm約束式為

(8)

代入得

2 N

(9)

對(duì)于等圓周排列的指數(shù)為n的采摘手爪，單指抓持力N約束方程為

(10)

2 柔性手爪靜力學(xué)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 柔性材料建模

柔性手爪采摘褐菇的基礎(chǔ)是產(chǎn)生定向的大變形，柔性材料須擁有良好的彈性性能，本文參考國(guó)內(nèi)外柔性手爪制作材料[20-22]，選用Smooth On公司硅膠制作柔性手爪，首先對(duì)柔性材料進(jìn)行參數(shù)建模，利用有限元分析優(yōu)化柔性手爪結(jié)構(gòu)。

在使用有限元方法進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，硅橡膠材料在受力過(guò)程中具有非線性特性及各向同性、不可壓縮的超彈性特征，因此需要建立材料的本構(gòu)模型[23]，在實(shí)際工程應(yīng)用中，橡膠材料發(fā)生大變形情況下多采用Yeoh兩參數(shù)模型進(jìn)行求解[24-26]，應(yīng)變能計(jì)算公式為

W=C10(I1-3)+C20(I2-3)2

(11)

式中W——應(yīng)變能

I1、I2——應(yīng)變不變量

C10、C20——材料常數(shù)

式(11)中僅需求C10和C20，可結(jié)合單軸拉伸試驗(yàn)獲取拉伸應(yīng)力σ和拉伸比λ的曲線，通過(guò)曲線斜率和截距計(jì)算C10和C20，σ、λ、C10和C20的關(guān)系式為

(12)

柔性材料建模過(guò)程如圖2所示，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 528—92制作硅膠的啞鈴型試樣，使用CMT6104型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，斷裂時(shí)裂口在窄段中間，說(shuō)明本次試驗(yàn)有效。利用直線擬合兩者關(guān)系，結(jié)合式(12)，計(jì)算得C10=0.154，C20=0.013 3。

圖2 柔性材料彈性參數(shù)測(cè)試Fig.2 Flexible parameters testing of soft material

2.2 多指節(jié)柔性手指設(shè)計(jì)及仿真

現(xiàn)有的柔性手指主要為圓柱形、指形，大多是采用多氣道或者不同材料才能實(shí)現(xiàn)定向變形，手指的設(shè)計(jì)和控制難度較大[27-29]。本文面向褐菇采摘設(shè)計(jì)時(shí)考慮了3方面：①柔性手指可實(shí)現(xiàn)某方向的定向大變形。②單材料單氣道可實(shí)現(xiàn)手指正反向變形的效果。③柔性手指結(jié)構(gòu)參數(shù)易調(diào)整。

圖3 柔性手指結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Flexible finger structure diagram1.底板 2.氣道 3.指面 4.V形指節(jié) 5.通氣孔

本文設(shè)計(jì)的多指節(jié)柔性手指如圖3所示，柔性手指包括指面和底板，兩者之間形成氣道，指?jìng)?cè)由多個(gè)V形指節(jié)串接而成，指跟的端面設(shè)置有通氣孔，通氣孔與手指進(jìn)氣氣管固裝連通。

柔性手指底板寬26 mm，壁厚6 mm，底板壁厚為指面壁厚兩倍，氣泵通過(guò)氣管伸進(jìn)氣道提供指定壓力。類似氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)原理[30]，當(dāng)氣道內(nèi)壓力變化時(shí)，首先發(fā)生形變的是壁厚最薄的指面部分，進(jìn)而帶動(dòng)底板的彎曲形變。當(dāng)壓力增大，指面膨脹，擠壓底板向遠(yuǎn)離指面彎曲，此時(shí)產(chǎn)生徑向位移，手指可貼合抓取褐菇菇蓋。

將手指SoildWorks模型導(dǎo)入Workbench靜力學(xué)模塊，定義柔性材料時(shí)使用Yeoh兩參數(shù)模型，設(shè)定C10=0.154，C20=0.013 3，密度為1.08 g/cm3，施加15 kPa壓力，打開(kāi)大變形開(kāi)關(guān)，后處理沿徑向方向選取Directional Deformation模塊，對(duì)3指節(jié)、4指節(jié)、5指節(jié)手指進(jìn)行靜力學(xué)仿真，如圖4所示手指有良好的正向彎曲性能，可產(chǎn)生徑向大變形。

改變施加的正向壓力值，得到3指節(jié)、4指節(jié)、5指節(jié)手指的壓力-徑向位移曲線如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)徑向位移與壓力呈較好的線性關(guān)系，3指節(jié)、4指節(jié)、5指節(jié)手指分別于4.87、7.55、13.52 kPa時(shí)達(dá)到2 cm的徑向位移，可適用于采摘8～10 cm的褐菇。

圖4 壓力15 kPa時(shí)不同指節(jié)數(shù)柔性手指靜力學(xué)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation of flexible gripper with different numbers of knuckle at pressure 15 kPa

圖5 不同指節(jié)數(shù)柔性手指壓力-徑向位移曲線Fig.5 Pressure-radial offset curves of flexible gripper with different numbers of knuckles

2.3 柔性手爪采摘褐菇仿真

由圖4可見(jiàn)，正壓彎曲時(shí)手爪底板邊緣應(yīng)力較小，從邊緣到中間應(yīng)力逐漸變大，因此使用底板邊緣上側(cè)接觸褐菇可以產(chǎn)生較大的抓持力。在柔性手爪抓取褐菇的過(guò)程中，褐菇直徑、柔性手爪指數(shù)、指節(jié)數(shù)和壓力均可作為變量，影響抓持力，柔性手爪要求在某壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)直徑8～10 cm褐菇的通用采摘。

在Workbench中仿真時(shí)褐菇彈性模量和泊松比等參數(shù)參照表1設(shè)置，褐菇和柔性手爪間設(shè)置球形接觸，后處理將褐菇和柔性手指的接觸面設(shè)置Force Reaction觀測(cè)兩者間作用力的大小和方向，采用靜力學(xué)模塊進(jìn)行仿真。調(diào)整手指和褐菇的相對(duì)位置，使得仿真后手指抓持褐菇的受力方向?yàn)榻扑椒较?，觀測(cè)Force Reaction選項(xiàng)返回的作用力大小，4指節(jié)柔性手指以15 kPa壓力抓持3種尺寸的褐菇的單指仿真結(jié)果如圖6所示，測(cè)得抓持力分別為0.482、0.584、0.747 N。

圖6 抓持多尺寸褐菇仿真結(jié)果Fig.6 Grasp simulation of multi-size brown mushroom

針對(duì)3指節(jié)、4指節(jié)、5指節(jié)柔性手指對(duì)應(yīng)直徑8、9、10 cm褐菇的9個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)，氣壓在0～30 kPa之間，間隔3 kPa取值，測(cè)試抓持力，每個(gè)過(guò)程完成10次仿真，對(duì)應(yīng)10個(gè)抓持力數(shù)據(jù)，共完成了90次仿真，對(duì)應(yīng)90個(gè)抓持力，數(shù)據(jù)由后處理模塊的Force Reaction選項(xiàng)提供，整理數(shù)據(jù)得到關(guān)系曲線如圖7所示。

結(jié)果表明，當(dāng)柔性手指指數(shù)和褐菇直徑確定后，單指抓持力與氣壓呈線性關(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，抓持力Nm計(jì)算式為

圖7 多指節(jié)柔性手指采摘多尺寸褐菇單指抓持力-壓力曲線Fig.7 Single finger clamping pressure-pressure curve of brown mushroom with different sizes

(13)

式中m——指節(jié)數(shù)

2.4 基于遺傳算法的柔性手爪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)柔性手爪采摘褐菇的仿真擬合數(shù)據(jù)，對(duì)柔性手爪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[31-32]，手爪優(yōu)化目標(biāo)為：①柔性手爪可以實(shí)現(xiàn)在某壓力下對(duì)3種尺寸的褐菇實(shí)現(xiàn)通用采摘，抓持力均在約束范圍內(nèi)。②基于輕量化和減少成本的考慮，在滿足功能前提下材料花費(fèi)盡量少。③基于節(jié)約能源、減少成本和提高手指動(dòng)態(tài)特性的考慮，在滿足功能的前提下，柔性手爪的控制壓力盡量小。

對(duì)柔性手爪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行建模，優(yōu)化變量為柔性手爪的手指數(shù)n、柔性手指的指節(jié)數(shù)m和柔性手爪控制壓力p，變量約束條件為

(14)

式中Nmnpd——n指m指節(jié)柔性手爪施加壓力p采摘直徑d褐菇時(shí)的抓持力

對(duì)柔性手爪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化考慮材料成本C和控制壓力p，在SoildWorks中對(duì)n指m指節(jié)柔性手爪測(cè)量，質(zhì)量為n(3m+17)。

對(duì)材料成本和壓力做歸一化處理，表達(dá)式為

(15)

(16)

取兩者平方和作為需要優(yōu)化為最小的目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)，表達(dá)式為

(17)

評(píng)價(jià)函數(shù)為混合整數(shù)非線性規(guī)劃(Mixed integer nonlinear programming，MINLP)，可采用遺傳算法求最優(yōu)解，遺傳算法是計(jì)算數(shù)學(xué)中用于解決最佳化的搜索算法，借鑒了進(jìn)化生物學(xué)中的一些現(xiàn)象而發(fā)展起來(lái)的，包括遺傳、突變、自然選擇以及雜交等現(xiàn)象[33-34]，其主要步驟如圖8所示。采用Matlab的optimization tool工具箱進(jìn)行求解，選用遺傳算法genetic algorithm 模型，因?yàn)槟J(rèn)為求最小值所以設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)為式(13)，設(shè)置3個(gè)變量(m,n,p)，邊界條件為L(zhǎng)ower[3;3;0]和Upper[5;5;30]，結(jié)合式(13)、(16)輸入非線性約束條件，并設(shè)置n、m為整數(shù)，options模塊中設(shè)置種族大小為100，設(shè)置精英數(shù)目和后代交叉比例為10和0.75，設(shè)置相應(yīng)的停止條件，最大進(jìn)化代數(shù)為100，求解結(jié)果如圖9所示。

圖8 遺傳算法流程圖Fig.8 Flow chart of genetic algorithm

圖9 遺傳算法優(yōu)化結(jié)果Fig.9 Optimization result of genetic algorithm

當(dāng)遺傳代數(shù)增加至25代后，平均適應(yīng)度逐漸減小并趨向于最優(yōu)適應(yīng)度，即群體中通過(guò)交叉、變異、自然選擇后最優(yōu)個(gè)體數(shù)目越來(lái)越多，對(duì)應(yīng)于最優(yōu)適應(yīng)度的最優(yōu)個(gè)體的變量屬性為[3,4,18.65]，因此遺傳算法優(yōu)化的結(jié)果為n=3，m=4，p=18.65 kPa，對(duì)應(yīng)研制3指4指節(jié)的柔性手爪，以18.65 kPa的控制氣壓抓持不同尺寸的褐菇為綜合最優(yōu)結(jié)果。

3 柔性手爪設(shè)計(jì)

3.1 柔性手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參考現(xiàn)有的果蔬采摘柔性手爪的結(jié)構(gòu)[35-39]，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款等圓周3指排列的4指節(jié)柔性手爪，其硬件結(jié)構(gòu)如圖10所示。柔性手爪采用自頂向下的扭斷采摘方式，工作時(shí)可產(chǎn)生大形變，自適應(yīng)接觸貼合褐菇表面形成一定的包絡(luò)面，以較小的抓持力產(chǎn)生較大的摩擦力來(lái)可靠抓取褐菇，且不易對(duì)褐菇造成損傷。

圖10 柔性手爪硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Hardware structure diagram of flexible gripper1.手掌 2.柔性手指模塊 3.力傳感器 4.墊塊 5.力傳感器連接件 6.C形連接件 7.4指節(jié)柔性手指

柔性手爪包括手掌和3個(gè)柔性手指模塊。手掌為圓柱薄殼，一面開(kāi)口另一面封閉，封閉面設(shè)置有同心均布的安裝孔。柔性手指模塊包括墊塊、力傳感器、力傳感器連接件、C形連接件、4指節(jié)柔性手指，柔性手指模塊穿過(guò)安裝孔并通過(guò)墊塊固裝于手掌的內(nèi)壁，3個(gè)柔性手指同心圓直徑為10 cm，力傳感器可對(duì)4指節(jié)柔性手指的水平受力進(jìn)行測(cè)量。

3.2 柔性手爪氣壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柔性手爪的氣壓控制系統(tǒng)包括氣路和電路兩部分，如圖11所示，氣路的功能是提供穩(wěn)定的正向氣壓，電路的功能為控制氣路的通斷，控制正向壓力并與上位機(jī)通信。

圖11 柔性手爪的氣壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.11 Pneumatic control system of flexible gripper

氣路包括氣泵、電氣比例閥、緩沖氣瓶、通斷控制電磁閥和四通快速接頭，相互連通并通過(guò)氣管連接柔性手爪通氣孔，其中氣泵用來(lái)產(chǎn)生正向氣壓使柔性手指發(fā)生徑向位移，比例閥用來(lái)調(diào)節(jié)氣壓，電磁閥控制氣路通斷，氣路斷開(kāi)則手爪恢復(fù)初態(tài)，緩沖氣瓶可緩解氣壓的瞬間沖擊以穩(wěn)定氣壓，四通快速接頭和氣管則作為氣壓控制的氣道。

電路包括氣壓控制電路微處理器、繼電器、D/A轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線通信模塊、氣壓傳感器，繼電器控制電磁閥通斷，D/A轉(zhuǎn)換模塊控制比例閥開(kāi)度，氣壓傳感器的氣壓輸入口與四通快速接頭連通用于實(shí)時(shí)測(cè)量氣壓，三者接入氣壓控制電路微處理器，通信模塊連接氣壓控制電路微處理器和上位機(jī)，由上位機(jī)設(shè)置和控制氣壓。

4 試驗(yàn)

4.1 柔性手爪制作

3D打印手指模具、10 cm直徑手掌及連接鍵等，使用澆筑模具法制作四指節(jié)手指，結(jié)合力傳感器、氣管等組裝成3指柔性手爪，連接氣泵、電氣比例閥、緩沖氣瓶、控制通斷電磁閥、繼電器、氣壓控制電路微處理器等，完成柔性手爪的氣壓控制系統(tǒng)，整體實(shí)物圖如圖12所示。

圖12 3指4指節(jié)柔性手爪及氣壓控制系統(tǒng)Fig.12 Flexible gripper with three fingers and four knuckles and air pressure control equipment1.氣泵 2.電氣比例閥 3.緩沖氣瓶 4.氣管 5.四通快速接頭 6.氣壓控制電路微處理器 7.繼電器 8.通斷控制電磁閥 9.3指4指節(jié)柔性手爪

4.2 柔性手爪和剛性手爪褐菇抓取對(duì)比試驗(yàn)

以揚(yáng)州奧吉特生物科技有限公司生產(chǎn)的褐菇作為抓取試樣進(jìn)行試驗(yàn)，施加氣壓18.65 kPa控制3指4指節(jié)柔性手爪，對(duì)比剛性3指手爪對(duì)褐菇進(jìn)行采摘試驗(yàn)的損傷情況，如圖13所示，對(duì)褐菇菇蓋抓取處表面沿徑向取樣，厚度為5 mm，將柔性手爪和剛性手爪采摘的試樣放置在顯微鏡下觀察，可以發(fā)現(xiàn)柔性手爪采摘試樣表面有規(guī)則紋理排列，而剛性手爪采摘試樣表面破損產(chǎn)生暗痕且表面紋理喪失。柔性手爪采摘后褐菇表面無(wú)損傷，微觀結(jié)構(gòu)未被破壞，采摘效果符合要求。對(duì)比試驗(yàn)采用5組直徑分別為8、8.5、9、9.5、10 cm的褐菇，每組褐菇數(shù)量為20個(gè)，10個(gè)用于柔性抓持，10個(gè)用于對(duì)比試驗(yàn)的剛性抓持，共10組試驗(yàn)，樣本數(shù)量共100個(gè)。

圖13 剛?cè)崾肿止讲烧獙?duì)比試驗(yàn)Fig.13 Contrast experiments of brown mushroom picking using rigid and soft claws

每組試驗(yàn)記錄這組試驗(yàn)使用的褐菇直徑，記錄采摘手爪的10個(gè)抓持力的數(shù)據(jù)，剔除個(gè)別異常數(shù)據(jù)，計(jì)算試驗(yàn)抓持力的最大值、最小值和平均值。

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制柔性和剛性手爪采摘褐菇時(shí)抓持力-褐菇直徑的區(qū)間圖，如圖13所示，柔性手爪抓取褐菇力為(2.4±0.3)N，抓持力在無(wú)損抓持力范圍內(nèi)，而剛性手爪成功抓取力為(5.6±0.7)N，這是由于剛性手爪和褐菇的滑動(dòng)摩擦因數(shù)較小，約為柔性手爪和褐菇的滑動(dòng)摩擦因數(shù)的1/2，因此需要更大的抓持力才能成功抓持，但過(guò)大的抓取力造成了褐菇的損傷，而設(shè)計(jì)的柔性手爪僅用較小的抓持力即可實(shí)現(xiàn)褐菇的無(wú)損采摘。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)直徑8～10 cm褐菇自動(dòng)化無(wú)損采摘問(wèn)題，首先分析了褐菇的生物學(xué)特性和力學(xué)特性，根據(jù)抓持力約束方程優(yōu)選出扭斷式采摘方法；通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的柔性手指進(jìn)行有限元仿真分析，給出指數(shù)、指節(jié)數(shù)、褐菇直徑、氣壓與抓持力之間的函數(shù)關(guān)系，建立評(píng)價(jià)函數(shù)，并通過(guò)遺傳算法優(yōu)選出3指4指節(jié)的柔性手爪結(jié)構(gòu)，以及18.65 kPa的最優(yōu)抓持控制氣壓。

(2)設(shè)計(jì)了3指4指節(jié)柔性手爪結(jié)構(gòu)以及氣壓控制系統(tǒng)，并進(jìn)行褐菇采摘試驗(yàn)。結(jié)果表明，與剛性手爪相比，柔性手爪抓持力減小，為(2.4±0.3)N；設(shè)計(jì)的3指4指節(jié)柔性手爪可實(shí)現(xiàn)褐菇的自動(dòng)化無(wú)損采摘，而剛性手爪采摘蘑菇的抓握處切面5 mm深度內(nèi)均有損傷，且表面抓痕明顯。說(shuō)明所設(shè)計(jì)的3指4指節(jié)柔性手爪適于褐菇的自動(dòng)化無(wú)損采摘。