李健，閆杰，黃美珍，王揚(yáng)威

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 ，哈爾濱 150040)

0 引言

蔬菜水果蛋白質(zhì)和脂類含量低，而人體必需的無(wú)機(jī)鹽及維生素含量很豐富[1-2]，是人們生活中必不可少的食物。中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，水果產(chǎn)量和消費(fèi)量巨大，目前果蔬的種植面積仍呈波動(dòng)性增加趨勢(shì)[3-4]。在果蔬生產(chǎn)銷(xiāo)售的全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)中，果蔬采摘無(wú)疑是最耗時(shí)、費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)，由于目前的果蔬采摘仍大量依賴于人工，因此存在采摘效率低、采摘成本高和勞動(dòng)量大等問(wèn)題。果蔬的生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜多樣，且形狀復(fù)雜多變，容易在采摘過(guò)程中受到傷害，導(dǎo)致出現(xiàn)破損甚至無(wú)法食用的情況，會(huì)直接影響果蔬的儲(chǔ)存、加工和銷(xiāo)售[5]。

因此，研究能夠減小果蔬損傷率的機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率以及保證果蔬品質(zhì)等具有重要意義。由于果蔬采摘環(huán)境的特殊性，驅(qū)動(dòng)器需要一定的適應(yīng)性，能夠盡可能地避免周?chē)h(huán)境以及驅(qū)動(dòng)器本體對(duì)果蔬造成破壞傷害，且能夠較好地應(yīng)對(duì)采摘對(duì)象的質(zhì)地脆弱易傷特性，具有較好的包裹性。除此之外，驅(qū)動(dòng)器和采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單可靠，可控性好，價(jià)格合理，能夠大面積推廣及應(yīng)用[6-10]。

針對(duì)果蔬采摘的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)果蔬采摘機(jī)械手進(jìn)行了大量的研究，研制出許多果蔬采摘裝置。傳統(tǒng)的果蔬采摘機(jī)械手存在動(dòng)作僵硬、環(huán)境適應(yīng)性差、采摘專一性高、效率低、損壞率高、裝置復(fù)雜和造價(jià)昂貴等缺陷，無(wú)法適應(yīng)對(duì)于易損果蔬的采摘，不能實(shí)現(xiàn)真正的商業(yè)化推廣應(yīng)用，缺少實(shí)用價(jià)值。與剛性機(jī)械手相比，軟體機(jī)械手具有高度的靈活性、柔韌性和通用性，因此采用軟體機(jī)械手作為果蔬采摘裝置的末端執(zhí)行器可以最大程度地適應(yīng)易損果蔬的采摘要求。軟體手的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于自然界中的軟體動(dòng)物觸角，如水母、章魚(yú)和海星等，通常由柔軟材料制成，具有較大的變形能力和無(wú)限的自由度，可在較大范圍內(nèi)根據(jù)目標(biāo)物體的形狀改變自身的形狀和尺寸，因此軟體手可通過(guò)變形實(shí)現(xiàn)與被抓取物體的形態(tài)匹配，并最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的抓取動(dòng)作[11-14]。以氣壓和線纜作為驅(qū)動(dòng)，德國(guó)festo和北京航空航天大學(xué)合作研制了象鼻、章魚(yú)觸手和氣動(dòng)肌肉等[15]。美國(guó)哈佛大學(xué)Whiteside課題組以彈性硅膠作為材料，結(jié)合3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)制造了以氣動(dòng)網(wǎng)格為執(zhí)行器的軟體手，具有承壓小、變形大、運(yùn)動(dòng)靈活、能夠與環(huán)境實(shí)現(xiàn)互容等特點(diǎn)。有關(guān)研究提出一種新的4D打印技術(shù)可使軟體手根據(jù)被抓物體形狀尺寸調(diào)整其有效長(zhǎng)度。智能材料的運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)將物理刺激轉(zhuǎn)化為位移，如介電彈性體、導(dǎo)電聚合物、相形狀記憶合金和形狀聚合物等在軟體機(jī)器人上的應(yīng)用，使其具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值[16-21]。因此，結(jié)合軟體機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)，綜合改進(jìn)果蔬的栽植方式，軟體機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)器在無(wú)損采摘領(lǐng)域和提高采摘效率方面將會(huì)發(fā)揮巨大的作用。

1 捕蠅草啟發(fā)的腔室化驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

捕蠅草在捕捉昆蟲(chóng)時(shí)主要由4個(gè)步驟組成：引誘昆蟲(chóng)、捕捉昆蟲(chóng)、分解與吸收，以維持自身生長(zhǎng)。捕蠅草的捕捉過(guò)程極為復(fù)雜，對(duì)稱的葉片通過(guò)葉柄相連接。捕蠅草引誘蟲(chóng)子主要依靠葉片邊緣的蜜腺所分泌的蜜汁。昆蟲(chóng)被吸引落在葉片上時(shí)，當(dāng)捕蠅草一定時(shí)間間隔內(nèi)受到昆蟲(chóng)2次刺激時(shí)，通過(guò)傳遞信號(hào)，葉片會(huì)迅速閉合，完成捕捉動(dòng)作。葉片邊緣有規(guī)則狀的刺毛，在葉片閉合時(shí)，刺毛正好交錯(cuò)排布，形成一個(gè)籠子，使昆蟲(chóng)無(wú)法逃出。且在刺毛的終端存在分泌黏液的系統(tǒng)，黏液可以黏住昆蟲(chóng)，防止昆蟲(chóng)逃脫。隨后昆蟲(chóng)會(huì)被消化吸收，吸收的養(yǎng)分用來(lái)維持捕蠅草的自身生長(zhǎng)。捕蠅草葉片經(jīng)過(guò)透明化處理后得到捕蠅葉片的葉脈和微觀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。捕蠅草的葉脈結(jié)構(gòu)具有明顯的層次特征，軸向葉脈呈扇形規(guī)則分布，徑向葉脈將葉片劃分為不同大小的細(xì)胞腔室，形成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。葉片的細(xì)胞腔室大小越靠近刺毛附近，腔室越致密且越小。刺毛呈一定間隔均勻分布在葉片的頂端。整個(gè)葉片的頂部和底部呈現(xiàn)出一條橢圓曲線。葉片在不閉合時(shí)呈現(xiàn)外凸?fàn)顟B(tài)，在閉合時(shí)呈現(xiàn)內(nèi)凹狀態(tài)。

圖1 捕蠅草葉片透明化處理Fig.1 Transparent treatment of blades of the Venus flytrap

很多植物的運(yùn)動(dòng)都是依靠膨壓驅(qū)動(dòng)，即細(xì)胞內(nèi)的水對(duì)細(xì)胞壁的壓力驅(qū)動(dòng)。同樣，在捕蠅草葉片感觸運(yùn)動(dòng)的初始階段，葉片在細(xì)胞膨壓驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。離子的運(yùn)動(dòng)引起水在細(xì)胞和組織間的輸送，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞的膨脹和壓縮，在呈現(xiàn)一定排列規(guī)律的細(xì)胞群的變形累積下，整體葉片發(fā)生緩慢運(yùn)動(dòng)和剛度的變化。捕蠅草的葉片運(yùn)動(dòng)是最震撼的快速感觸運(yùn)動(dòng)，速度在毫秒量級(jí)，其運(yùn)動(dòng)的一般過(guò)程為：捕蠅草葉片初始狀態(tài)為向外側(cè)彎曲，當(dāng)內(nèi)側(cè)觸發(fā)絨毛感受到機(jī)械刺激后，電信號(hào)會(huì)引起組織內(nèi)離子的定向運(yùn)動(dòng)，形成化學(xué)勢(shì)差，并引起水的流動(dòng)，在水壓的作用下引起細(xì)胞壁的緩慢變形，并存儲(chǔ)了彈性勢(shì)能，葉片的曲率逐漸變平；當(dāng)水壓到達(dá)一個(gè)臨界閾值時(shí)，在幾何約束的作用下，本體彈性勢(shì)能突然釋放并轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，葉片快速屈曲，實(shí)現(xiàn)曲率從凸到凹的變化，引起的被動(dòng)流可以提供黏性阻力以平衡彈性，持續(xù)的壓力供給使得葉片保持在向內(nèi)彎曲的狀態(tài)。

捕蠅草啟發(fā)的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先選取合適的捕蠅草葉片，如圖2(a)所示，通過(guò)三維掃描儀對(duì)捕蠅草葉片進(jìn)行三維掃描獲得捕蠅草的葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和篩選得到捕蠅草葉片優(yōu)質(zhì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)捕蠅草葉片進(jìn)行逆向建模，從而得到捕蠅草的三維葉片模型。提取捕蠅草葉片表面，同時(shí)對(duì)葉片表面進(jìn)行關(guān)鍵尺寸測(cè)量，得到捕蠅草葉片的二維尺寸參數(shù)，最終對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整得到捕蠅草葉片的二維模型參數(shù)。由于捕蠅草葉片本體尺寸較小，不利于后期仿真和制作，因此對(duì)捕蠅草葉片的二維模型尺寸參數(shù)進(jìn)行5倍放大，得到捕蠅草葉片放大后的模型，如圖2(b)所示。

受捕蠅草啟發(fā)的氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器主要由變形層和限制層組成，其工作原理是通過(guò)利用變形層與限制層延展性的較大差異及硅橡膠基體結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)腔室的彎曲變形。通過(guò)對(duì)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的變形層腔室進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則的制定，從而得到具有一定規(guī)則的腔室設(shè)計(jì)方案。圖2(c)為氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器腔室的設(shè)計(jì)規(guī)則。黑色粗實(shí)線為氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的邊界曲線，藍(lán)色實(shí)線為氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)邊界曲線，黑色虛線為無(wú)效網(wǎng)格線，綠色虛線為有效網(wǎng)格線，綠色實(shí)線為有效腔室外邊界，黑色細(xì)實(shí)線為腔室內(nèi)邊界線，紅色點(diǎn)劃線為中心線，藍(lán)色實(shí)線為角度線。具體規(guī)則如下。

(1)對(duì)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行扇形網(wǎng)格劃分。對(duì)于氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器，考慮到氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部腔室邊界與驅(qū)動(dòng)器邊緣距離較小時(shí)，會(huì)增加氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的制作難度以及出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器在壓力作用下破裂的情況，因此以距離外邊緣為d1建立驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)邊界。在對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行扇形網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)器上邊界曲線以d2為標(biāo)尺進(jìn)行等間距縱向平移畫(huà)線，平移得到的等間距曲線與以O(shè)點(diǎn)為圓心的角度線相交，其中角度線以θ為標(biāo)尺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)畫(huà)線，從而得到以d1、d2、θ為標(biāo)尺的葉片網(wǎng)格劃分方案。O點(diǎn)是上邊界曲線的最小曲率半徑為標(biāo)尺的圓的圓心。選擇劃分后有效的網(wǎng)格，以d4為腔室厚度，得到驅(qū)動(dòng)器的腔室劃分方案，從而得到驅(qū)動(dòng)器的扇形腔室設(shè)計(jì)方案，如圖2(d)所示。

(a)捕蠅草葉片

(2)通過(guò)對(duì)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)和腔室設(shè)計(jì)規(guī)則的確定，制作了驅(qū)動(dòng)器并進(jìn)行彎曲變形預(yù)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵尺寸參數(shù)：限制層的厚度設(shè)置為t=2 mm，變形層厚度為t1=4 mm，腔室高度t3=2 mm，邊緣距離d1=2 mm，腔室縱向間距d2=4 mm，腔室厚度d4=2 mm，角度θ=5°。通過(guò)三維實(shí)體建模軟件建立氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的實(shí)體模型，為后續(xù)的仿真以及實(shí)驗(yàn)提供結(jié)構(gòu)和模型基礎(chǔ)。

2 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的仿真分析與流道設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的仿真分析

為了使氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器在實(shí)現(xiàn)抓取以及面向無(wú)損采摘時(shí)能夠產(chǎn)生較好的效果，驅(qū)動(dòng)器需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)維度的屈曲變形，呈現(xiàn)包裹狀態(tài)，且具有一定的剛度，從而達(dá)到完全封閉的抓取采摘效果。

對(duì)腔室化設(shè)計(jì)的氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，采用硅橡膠作為驅(qū)動(dòng)器的基體材料，對(duì)硅橡膠進(jìn)行配比實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)、硬度實(shí)驗(yàn)，選擇既能夠滿足大變形要求，又具有較好的形狀保持能力的硅橡膠配比組合，結(jié)合硅橡膠的本構(gòu)模型和理論基礎(chǔ)確定仿真分析的材料參數(shù)。基于超彈性材料的非線性力學(xué)理論模型(yeoh模型)，運(yùn)用Abaqus有限元分析軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行仿真分析研究。

在Abaqus中對(duì)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行有限元仿真分析，流體設(shè)置為空氣，驅(qū)動(dòng)氣壓設(shè)置為0.3 kPa，仿真步時(shí)為6 s。根據(jù)仿真分析結(jié)果觀察驅(qū)動(dòng)器的變形情況，圖3為驅(qū)動(dòng)器的變形情況示意圖。仿真的響應(yīng)指標(biāo)是2個(gè)維度的彎曲角度以及變形協(xié)調(diào)性，2個(gè)維度上的彎曲變形情況會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的彎曲性能以及驅(qū)動(dòng)器的包裹性。通過(guò)仿真結(jié)果不難看出，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器可以發(fā)生2個(gè)維度變形，呈包裹狀態(tài)，與真實(shí)捕蠅草的變形和捕捉狀態(tài)相比，具有較高的一致性，達(dá)到了較好的仿生設(shè)計(jì)效果，在實(shí)現(xiàn)抓取和無(wú)損采摘方面，呈現(xiàn)出較好的性能表現(xiàn)。

圖3 驅(qū)動(dòng)器的變形仿真結(jié)果分析Fig.3 Analysis of deformation simulation results of driver

2.2 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的流道設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

通過(guò)對(duì)腔室化設(shè)計(jì)的氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)彎曲變形的可行性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行基于腔室化的流道設(shè)計(jì)，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的流道設(shè)計(jì)方案，研究最佳的流道路徑和驅(qū)動(dòng)器腔室布局。流道設(shè)計(jì)方案的改變會(huì)直接影響到驅(qū)動(dòng)器本體的孔隙率和腔室占比，驅(qū)動(dòng)器的孔隙率和腔室占比越大，驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的抵抗變形能力隨之降低，驅(qū)動(dòng)器整體的彎曲變形情況也會(huì)發(fā)生改變。優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的流道設(shè)計(jì)，使其不僅能夠達(dá)到最佳的彎曲變形效果，而且具有較好的形狀保持性能和變形恢復(fù)能力。

驅(qū)動(dòng)器流道設(shè)計(jì)仿真如圖4所示，流道方案1為在上述腔室設(shè)計(jì)規(guī)則下的腔室布局，全部腔室在氣壓激勵(lì)下發(fā)生變形，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器在X-Y面內(nèi)的彎曲角度為38.11°，X-Z面內(nèi)彎曲角度為24.46°。在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行流道設(shè)計(jì)，由圖4可知，驅(qū)動(dòng)器在X-Y面內(nèi)的最大彎曲角度為58.96°，發(fā)生在方案5的流道設(shè)計(jì)中，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器在X-Z面內(nèi)的彎曲角度為32°。驅(qū)動(dòng)器在X-Z面內(nèi)的最大彎曲角度為33.18°，發(fā)生在方案2的流道設(shè)計(jì)中，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器在X-Y面內(nèi)的彎曲角度為41.04°。綜合考慮2個(gè)方向上的彎曲情況以及變形協(xié)調(diào)性，選擇流道設(shè)計(jì)方案5進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器性能實(shí)驗(yàn)和可行性實(shí)驗(yàn)。

圖4 驅(qū)動(dòng)器流道設(shè)計(jì)仿真Fig.4 Flow channel design and simulation of driver

不同流道設(shè)計(jì)方案與彎曲角度之間的關(guān)系如圖5所示，通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析可得，隨著氣腔占比和氣腔孔隙率的升高，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器在X-Z面內(nèi)的彎曲角度呈現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)，流道的設(shè)計(jì)方案對(duì)于2個(gè)方向的彎曲有著至關(guān)重要的影響，在不同腔室耦合變形結(jié)果下，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器可以發(fā)生較大的彎曲變形。

圖5 流道設(shè)計(jì)方案與彎曲角度之間的關(guān)系Fig.5 Flow design scheme and the relationship between the bending angle

3 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的性能測(cè)試與對(duì)比分析

3.1 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的制作與實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)搭建

通過(guò)對(duì)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行腔室設(shè)計(jì)和流道設(shè)計(jì)，在驅(qū)動(dòng)器仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，得到了最佳的流道設(shè)計(jì)方案。氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的制作，通過(guò)3D打印的制造方法打印模具，通過(guò)模具澆注制造工藝制作驅(qū)動(dòng)器。由圖6可知，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的制作分為兩部分：一部分為變形層的制作，一部分為限制層的制作。對(duì)于變形層，通過(guò)模具運(yùn)用硅膠填充澆注；對(duì)于限制層，在氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器底面鋪設(shè)編織網(wǎng)，用硅膠填充澆注。再對(duì)兩者進(jìn)行復(fù)合澆注，使兩者能夠完整黏合在一起，從而完成氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的制作。

圖6 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的制作Fig.6 Pneumatic flexible driver production

氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖7所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)備有：電源、氣泵、PWM驅(qū)動(dòng)板、外置電位器調(diào)速器、氣閥和泵管。通過(guò)氣泵和氣閥為氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器提供穩(wěn)定的氣壓激勵(lì)，通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)板和外置電位器調(diào)速器調(diào)節(jié)氣泵電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泵流量和流速的調(diào)節(jié)，從而探索氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器在不同的氣壓激勵(lì)情況下的變形情況，以及在不同的流量和流速下響應(yīng)時(shí)間的變化情況。

圖7 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)Fig.7 Experimental test platform for pneumatic flexible driver

3.2 測(cè)試與對(duì)比

氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器采用氣體驅(qū)動(dòng)方式，以硅膠作為本體材料，驅(qū)動(dòng)硅膠發(fā)生變形，可以重復(fù)使用。對(duì)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，如圖8所示，由圖8可知，在0.3 kPa氣壓激勵(lì)，以及3 L/min的流量下，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器能夠在3 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在2個(gè)維度上對(duì)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖9所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用腔室化設(shè)計(jì)的氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器能夠發(fā)生2個(gè)維度的彎曲變形。氣壓為0.3 kPa時(shí)，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器X-Y面內(nèi)的彎曲角度為48.9°，相較于仿真結(jié)果，誤差為6°；X-Z面內(nèi)彎曲角度為24.18°，相較于仿真結(jié)果，誤差為2.62°。

圖8 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器彎曲實(shí)驗(yàn)Fig.8 Bending experiments of the pneumatic flexible driver

圖9 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器彎曲角度與氣壓的關(guān)系Fig.9 Bending angle and pressure relationship of the pneumatic flexible driver

氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的彎曲角度隨氣壓的增高而增大，且與仿真結(jié)果誤差較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。受氣泵功率限制，氣泵最大僅能提供0.35 kPa的氣壓，因此可預(yù)見(jiàn)，隨著氣壓增大，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的彎曲角度也會(huì)繼續(xù)增大，直至氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器腔室破裂。

氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間與流量的關(guān)系如圖10所示。通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓閥門(mén)使其氣壓值為0.3 kPa，通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)板和外置電位器調(diào)速器調(diào)節(jié)氣泵電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泵流量在0～4 L/min調(diào)節(jié)，研究氣泵流量與氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間之間的關(guān)系。流量的大小取決于流體流速與橫截面積，由于氣泵出口的橫截面積一定，因此流量的變化趨勢(shì)在一定程度上也表征了流速的大小變化，且具有正相關(guān)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，隨著氣泵流量/流速的增加，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，當(dāng)流量為3 L/min時(shí)，葉片能夠在3 s內(nèi)完成變形，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖10 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間與流量的關(guān)系Fig.10 Relationship between response time and traffic of the pneumatic flexible driver

4 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的抓取與無(wú)損采摘實(shí)驗(yàn)

4.1 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的抓取實(shí)驗(yàn)

通過(guò)氣泵和氣閥為氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器提供穩(wěn)定的氣壓激勵(lì)，如圖11所示。將氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器通過(guò)夾具以一定的夾角固定，本實(shí)驗(yàn)中兩驅(qū)動(dòng)器的夾角設(shè)置為80°。當(dāng)氣源打開(kāi)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器在氣壓激勵(lì)下迅速變形，驅(qū)動(dòng)氣壓為0.3 kPa，彎曲變形能夠在3 s內(nèi)完成，然后驅(qū)動(dòng)器末端開(kāi)始接觸。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)不同物體進(jìn)行抓取，觀察其抓取效果。

圖11 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器抓取實(shí)驗(yàn)Fig.11 Grab experiment of the pneumatic flexible driver

對(duì)正四棱錐、正方體、長(zhǎng)方體、球體進(jìn)行抓取，驅(qū)動(dòng)器發(fā)生2個(gè)維度的耦合彎曲變形，在X-Y面內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器能夠很好地貼合以及包裹抓取物；在X-Z面內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器對(duì)于小物體實(shí)現(xiàn)全包裹，且貼合度良好。通過(guò)對(duì)正四棱錐、正方體、長(zhǎng)方體、球體進(jìn)行抓取，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器能夠完成對(duì)于規(guī)則物體不同形狀的自適應(yīng)抓取，并能夠?qū)ψト∥飳?shí)現(xiàn)包裹或者半包裹式抓取，且抓取牢固。在對(duì)不規(guī)則物體，例如核桃和小玩偶的抓取過(guò)程中，基于腔室化設(shè)計(jì)的氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器，能夠很好地完成抓取，對(duì)不規(guī)則物體實(shí)現(xiàn)包裹式與半包裹式自適應(yīng)抓取。氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器能夠在3 s內(nèi)完成對(duì)于目標(biāo)物體的抓取，在關(guān)閉氣壓激勵(lì)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器能夠在室溫下快速恢復(fù)至初始狀態(tài)，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取任務(wù)，具有良好的抓取性能。驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間以及抓取周期可以根據(jù)抓取任務(wù)進(jìn)行有針對(duì)性地設(shè)置和調(diào)整，從而適應(yīng)不同的抓取任務(wù)。受限于氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)尺寸，驅(qū)動(dòng)器在實(shí)現(xiàn)包裹式抓取時(shí)，對(duì)于抓取目標(biāo)具有一定的尺寸要求。通過(guò)改變氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于不同尺寸大小的物體包裹式抓取和半包裹式自適應(yīng)抓取。

4.2 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的無(wú)損采摘實(shí)驗(yàn)

對(duì)草莓以及花生柿子進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)，如圖12所示。實(shí)驗(yàn)選取草莓的小果和大果進(jìn)行采摘實(shí)驗(yàn)，小果草莓直徑為45 mm，質(zhì)量約25 g；大果草莓直徑為55 mm，質(zhì)量約42 g。氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器在氣壓激勵(lì)下，發(fā)生彎曲變形，對(duì)草莓進(jìn)行抓取。對(duì)于小果草莓，驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)維度的包裹式自適應(yīng)抓取，對(duì)于大果能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)維度的半包裹式自適應(yīng)抓取，且抓取牢固，抓取效果良好。通過(guò)調(diào)節(jié)氣泵可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于驅(qū)動(dòng)器抓取時(shí)間和周期的精確控制，通過(guò)改變輸入氣壓激勵(lì)大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于抓取力的精確調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同成熟度草莓的無(wú)損采摘。

圖12 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器采摘實(shí)驗(yàn)Fig.12 Picking experiment of the pneumatic flexible driver

在對(duì)花生柿子進(jìn)行抓取采摘時(shí)，同樣選取小果和大果，小果花生柿子的直徑為25 mm，質(zhì)量約20 g；大果花生柿子直徑為35 mm，質(zhì)量約35 g。氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器在氣壓激勵(lì)下，發(fā)生彎曲變形，對(duì)花生柿子進(jìn)行抓取。對(duì)于花生柿子，驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)維度的包裹式自適應(yīng)抓取，且抓取牢固，抓取效果良好。

5 結(jié)論

本研究提出并設(shè)計(jì)了一種面向無(wú)損采摘的腔室化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器，在捕蠅草葉片的啟發(fā)下，對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行腔室化設(shè)計(jì)，制定了腔室設(shè)計(jì)規(guī)則；在此基礎(chǔ)上對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了仿真分析以及流道設(shè)計(jì)仿真分析，研究探索了流道設(shè)計(jì)思路和方案；對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了性能測(cè)試和對(duì)比分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。在0.3 kPa的氣壓激勵(lì)和3 L/min的流速下，驅(qū)動(dòng)器能夠在3 s內(nèi)完成2個(gè)維度的彎曲變形，在X-Y面內(nèi)的彎曲角度為48.9°，X-Z面內(nèi)彎曲角度為24.18°，與仿真結(jié)果具有較高的一致性。最后，完成了氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的抓取實(shí)驗(yàn)和無(wú)損采摘實(shí)驗(yàn)，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器能夠完成對(duì)于不同形狀大小的物體自適應(yīng)抓取和對(duì)采摘物體的無(wú)損采摘，能夠?qū)ψト∥飳?shí)現(xiàn)包裹或者半包裹式抓取，且抓取效果與采摘效果良好。在本研究中對(duì)氣動(dòng)柔性器本體進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及性能分析，氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器作為末端執(zhí)行器，結(jié)合機(jī)械臂以及其他作業(yè)平臺(tái)可以適應(yīng)不同工作的需要完成不同的任務(wù)，下一步將對(duì)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合草莓采摘平臺(tái)，輔助以相應(yīng)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓的定位、采摘和收集等功能，為驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)一步應(yīng)用和無(wú)損采摘研究應(yīng)用提供參考價(jià)值和研究思路。