王睿遠(yuǎn) 王佳虹 晏毓 朱國宏 葉宏寶

摘要：為解決獼猴桃采摘過程中易刮傷果實(shí)表皮的問題，設(shè)計(jì)一種新型的包覆式氣囊夾爪，基于氣動(dòng)控制氣囊的膨脹與收縮，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的收納與包覆，并通過增加果實(shí)與夾爪的受力面積，減少夾爪對(duì)果實(shí)的擠壓，在保證果實(shí)不受損傷的前提下提高采摘成功率。以底部向上捕捉、剪切收獲果實(shí)的采摘方式，設(shè)計(jì)氣囊夾爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)；通過有限元模擬，對(duì)采摘過程中氣囊與果實(shí)的受力情況進(jìn)行分析，證明設(shè)計(jì)的夾爪受力點(diǎn)主要在氣囊夾爪上下表面，貼合性高。經(jīng)過實(shí)地采摘試驗(yàn)，測試不同氣壓下氣囊夾爪的采摘成功率以及損傷率，確定夾爪氣壓為40 kPa時(shí)，采摘效果最好，成功率達(dá)95%，損傷率曲線與手工采摘最為相似。

關(guān)鍵詞：獼猴桃；采摘機(jī)構(gòu)；末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)；氣動(dòng)裝置

中圖分類號(hào)：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 06-0026-07

收稿日期：2022年10月18日

修回日期：2023年1月10日

*基金項(xiàng)目：浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019C02029，2022C02055）；“科技助力經(jīng)濟(jì)2020”重點(diǎn)專項(xiàng)（SQ2020YFF0401786）

第一作者：王睿遠(yuǎn)，男，1996年生，河南漯河人，碩士；研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)技術(shù)與智能裝備。E-mail： wangruiyuan@qogori.com

通訊作者：王佳虹，女，1984年生，山西大同人，碩士；研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)與機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)。E-mail： jackie@qogori.com

Design and experiment of pneumatic non-destructive picking mechanism for coated kiwi fruit

Wang Ruiyuan¹， Wang Jiahong¹， Yan Yu¹， Zhu Guohong¹， Ye Hongbao²

（1. Hangzhou Qogori Technology Co.， Ltd.， Hangzhou， 310051， China; 2. Institute of Agricultural Equipment，

Zhejiang Academy of Agricultural Sciences， Hangzhou， 310021， China）

Abstract： In order to solve the problem that the skin of kiwifruit is easily scratched during picking， a new type of enveloping airbag gripper based on pneumatic control of airbag expansion and contraction to achieve fruit storage and encapsulation was designed. By increasing the area of contact between the fruit and the gripper， reducing the compression on the fruit， the harvesting success rate was improved without damage to the fruit. The mechanical structure of the airbag gripper was designed by capturing and shearing the fruit from the bottom upwards. Through finite element simulation to analyze the force situation between the airbag and the fruit during picking， it was proved that the force point of the designed gripper was mainly on the upper and lower surfaces of the airbag gripper with a high fit. After the field picking test， the picking success rate and damage rate of the airbag gripper under different air pressure were tested. The best picking effect was achieved when the air pressure of the gripper was 40 kPa， with a success rate of 95%， and the damage rate curve was most similar to hand picking.

Keywords： kiwi fruit; picking mechanism; end effectors mechanism; pneumatics equipment

0 引言

獼猴桃原產(chǎn)于我國，其營養(yǎng)豐富，被稱為水果之王^[1]。目前，獼猴桃生產(chǎn)中大量采用人工收獲，其勞動(dòng)強(qiáng)度要求高，采摘效率低，成本昂貴^[2]。再加上目前勞動(dòng)力成本的日益上漲、人口老齡化等原因帶來的勞動(dòng)力不足問題，給廣大果農(nóng)增加了負(fù)擔(dān)^[3]。因此，有較多的研究致力于解決獼猴桃的自動(dòng)采摘過程^[4]。

在采摘機(jī)器人的研究過程中，要保證果實(shí)的無損采摘，需要設(shè)計(jì)合適的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傅隆生等^[5]基于果實(shí)的幾何模型，通過對(duì)采摘?jiǎng)幼鞯暮喕治觯O(shè)計(jì)了鉗式組合手指，實(shí)現(xiàn)了果實(shí)分離的效果。楊慶華等^[6]設(shè)計(jì)了新型的彎曲關(guān)節(jié)用來模擬手指夾持動(dòng)作，其通過氣體控制彎曲關(guān)節(jié)外側(cè)橡膠管的膨脹與收縮，完成關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)鏈接件的運(yùn)動(dòng)。這些研究大都采用硬接觸的方式進(jìn)行果實(shí)的抓取，在實(shí)際的作業(yè)過程中，堅(jiān)硬的末端容易夾傷或者碰傷果實(shí)。而部分研究^{[7， 8]}設(shè)計(jì)新型的柔性夾爪，通過控制氣壓完成夾爪的釋放與抓取。雖然能夠發(fā)生一定程度的形變，但是在實(shí)際的采摘過程中，由于果實(shí)的形狀大小不一，夾爪與果實(shí)無法完全貼合，果實(shí)的受力大多集中在夾爪頂部的尖端上，在抓取過程中易刮傷果實(shí)表皮。

因此，本文設(shè)計(jì)一種包覆式氣動(dòng)無損的獼猴桃末端采摘裝置，在采摘過程中通過增加末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與果實(shí)的受力面積，降低末端執(zhí)行裝置對(duì)果實(shí)的壓力，減少對(duì)果實(shí)的損傷。利用仿真模擬對(duì)采摘的受力效果進(jìn)行可視化分析，并進(jìn)行實(shí)際采摘試驗(yàn)，以驗(yàn)證采摘效果。

1 采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 果實(shí)采摘模型

自然條件下，獼猴桃果實(shí)與枝干通過果柄連接，果柄中的維管束提供上拉力實(shí)現(xiàn)果實(shí)的懸掛生長。在果柄物理學(xué)特性的研究中，已經(jīng)證實(shí)成熟期果實(shí)的果蒂處形成的離層結(jié)構(gòu)，是導(dǎo)致果實(shí)掉落的主要原因^[9]。張發(fā)年^[10]也發(fā)現(xiàn)，獼猴桃果實(shí)的成熟期時(shí)，維管束組織形成離層結(jié)構(gòu)，易受剪切力而發(fā)生折斷，特別是當(dāng)果柄與果實(shí)的慣性軸角度60°時(shí)，果柄分離力最小。事實(shí)上，維管束是一種管狀空心纖維組織，能承受較強(qiáng)的拉應(yīng)力，但不易承受剪切力。果實(shí)脫落的主要原因是果柄離層受剪切力作用，導(dǎo)致維管束被折斷。圖1是簡化的果實(shí)采摘模型，獼猴桃采摘過程中，末端執(zhí)行器與果實(shí)接觸，通過外力移動(dòng)末端機(jī)構(gòu)，在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與果實(shí)之間產(chǎn)生靜摩擦力，完成剪切所需的最小動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的摘取。

在采摘過程中，對(duì)于相同的果實(shí)和采摘?jiǎng)幼鞫?，?shí)現(xiàn)果實(shí)摘取所需的最小剪切力是固定的。剪切力主要是由末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與果實(shí)之間的靜摩擦力提供，最大靜摩擦力則與果實(shí)與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的壓力成正比。

P=FS（1）

式中： P——果實(shí)與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓強(qiáng)，Pa；

F——果實(shí)與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力，N；

S——果實(shí)與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接觸面積，m²。

根據(jù)式（1）可知，當(dāng)受力面積S減小時(shí)，在施加相同的壓力F情況下，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與果實(shí)之間的壓強(qiáng)P會(huì)同比增大，這易導(dǎo)致果實(shí)產(chǎn)生彈性或者塑性形變。形變導(dǎo)致的壓縮量是最為顯著的果實(shí)損傷因素，也是部分指型夾爪在貼合不嚴(yán)密時(shí)易損傷果實(shí)的原因。事實(shí)上，獼猴桃損傷存在極限夾持壓力。陳軍等^[11]通過抗壓特性試驗(yàn)確定，20 N的加載力不會(huì)對(duì)獼猴桃表面造成損傷；傅隆生等^[5]分析果實(shí)采摘過程的受力情況，基于理論計(jì)算確定夾持壓強(qiáng)為18.8 kPa時(shí)，果實(shí)直到可食也未出現(xiàn)腐壞（對(duì)應(yīng)壓力為15 N）。因此，本文以15 N壓力與18.8 kPa壓強(qiáng)為果實(shí)損傷閾值，進(jìn)行采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 采摘機(jī)構(gòu)工作原理

采摘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路主要是對(duì)人的采摘?jiǎng)幼鬟M(jìn)行簡化與模擬。對(duì)于人工采摘方式而言，作業(yè)工人首先將獼猴桃果實(shí)向兩側(cè)拉拽，使果柄與果實(shí)的長軸形成直角或者較大的銳角時(shí)，手腕處提供額外的剪切力使果柄離層處折斷，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的脫落。由于人手臂的自由度高，手指的握力可隨著手指的感知實(shí)時(shí)進(jìn)行更改，因此在獼猴桃采摘時(shí)，果實(shí)基本不會(huì)與手指發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)，更不會(huì)刮傷果實(shí)表皮。對(duì)于目前的夾爪而言，一方面要求夾爪具有一定的強(qiáng)度，能夠固定果實(shí)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的抓取，另一方面要求夾爪足夠柔軟，能夠完全貼合果實(shí)表皮，同時(shí)避免果實(shí)產(chǎn)生形變，對(duì)果實(shí)造成損傷。在這種條件下，夾爪的設(shè)計(jì)成本往往較高，不利于產(chǎn)品化應(yīng)用。

通過將人工采摘的動(dòng)作進(jìn)行分解，采摘?jiǎng)幼骺珊喕癁楸Ьo、移動(dòng)、剪切。對(duì)于抱緊的動(dòng)作，研究參考血壓計(jì)的設(shè)計(jì)思路，用果實(shí)來替換手臂進(jìn)入氣囊中心。當(dāng)氣囊中空氣的填充量減少時(shí)，氣囊中心空間增大，便于果實(shí)進(jìn)入；當(dāng)氣囊中壓力增大時(shí)，氣囊膨脹，進(jìn)而與水果密切貼近，并隨著氣囊內(nèi)部壓力的增大，果實(shí)與氣囊之間的包裹力也增加，獲得更穩(wěn)定的固定效果；在移動(dòng)的過程中，本文使用機(jī)械臂代替手臂，將果柄與豎直方向形成一定夾角，便于完成剪切動(dòng)作分離果實(shí)與果柄；剪切動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)主要是利用杠桿原理，通過氣缸推動(dòng)氣囊固定機(jī)構(gòu)的下部裝置，使上部的氣囊朝相反方向移動(dòng)，折斷果柄實(shí)現(xiàn)果實(shí)的剪切。

1.3 采摘機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

獼猴桃通常以棚架式進(jìn)行栽培，其果實(shí)大多懸掛于棚架下方，底部遮擋不明顯，空間大。因此，結(jié)合果實(shí)的生長特點(diǎn)，采摘機(jī)構(gòu)擬從果實(shí)底部進(jìn)行采摘作業(yè)。根據(jù)前期試驗(yàn)以及整體采摘機(jī)械中視覺部件的安裝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)從果實(shí)底部接近、導(dǎo)向環(huán)分離簇生果實(shí)以及氣動(dòng)包覆的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)獼猴桃果實(shí)的無損采摘，本文包覆式獼猴桃氣動(dòng)無損采摘機(jī)構(gòu)由套筒裝置與剪切裝置組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該采摘機(jī)構(gòu)的套筒裝置安裝于剪切裝置上方，通過活動(dòng)軸承與剪切裝置連接。剪切裝置一端留有安裝孔位，通過螺紋固定于機(jī)械臂末端，一端設(shè)計(jì)為環(huán)形桶狀，兩側(cè)設(shè)計(jì)的凸臺(tái)內(nèi)嵌兩個(gè)活動(dòng)軸承實(shí)現(xiàn)與套筒裝置的連接。為了實(shí)現(xiàn)剪切動(dòng)作，剪切裝置上方安裝有往復(fù)式氣缸，其活塞桿與套桶側(cè)表面連接，通過控制氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，控制套筒裝置的前后擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“掰”的動(dòng)作。

1.4 套筒裝置設(shè)計(jì)

本文以血壓計(jì)與靈感，設(shè)計(jì)包覆式的套筒裝置（圖3）。其中，桶形的采摘機(jī)構(gòu)外殼，能夠適應(yīng)獼猴桃近似圓形的截面形狀，同時(shí)能夠?qū)J猴桃果實(shí)完全容納在腔體中，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的完全包覆，避免果實(shí)接觸裝置其余剛性部件造成損傷；在腔體內(nèi)部，橡膠氣囊被導(dǎo)向環(huán)及下底座固定與密封，當(dāng)氣囊內(nèi)部有氣體進(jìn)入或排出時(shí)，氣囊便會(huì)被膨脹與收縮，實(shí)現(xiàn)果實(shí)被抱緊與釋放?？紤]到獼猴桃簇生的特征，在套筒裝置的頂部，設(shè)計(jì)導(dǎo)向環(huán)上部為內(nèi)外倒角結(jié)構(gòu)，便于將目標(biāo)果實(shí)與周圍干擾物體進(jìn)行分離；桶形外殼側(cè)邊上，使用快速接頭與外接氣源連接，進(jìn)行氣囊結(jié)構(gòu)的控制。最后，采摘機(jī)構(gòu)底部為固定環(huán)，與剪切裝置進(jìn)行連接。

1.4.1 導(dǎo)向環(huán)

獼猴桃果實(shí)多呈簇狀生長，相互之間毗鄰且存在遮擋，在實(shí)際的采摘過程中末端機(jī)構(gòu)易于目標(biāo)相鄰果實(shí)發(fā)生碰撞或者推擠，造成目標(biāo)果實(shí)的位置發(fā)生偏移，導(dǎo)致單次的采摘任務(wù)失敗。設(shè)計(jì)的導(dǎo)向環(huán)（圖4）采用內(nèi)外倒角設(shè)計(jì)，在末端機(jī)構(gòu)由下往上運(yùn)動(dòng)過程中，導(dǎo)向環(huán)尖端沿果實(shí)間隙插入，使待抓取的目標(biāo)果實(shí)順著導(dǎo)向環(huán)內(nèi)倒角進(jìn)行套筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部，目標(biāo)相鄰的干擾果實(shí)則被外倒角結(jié)構(gòu)分隔，實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)果實(shí)的分離。

1.4.2 橡膠氣囊

在套筒內(nèi)部，氣囊使用橡膠材質(zhì)，保證氣囊具有優(yōu)秀的形變性能。在氣囊的上部與底部平臺(tái)上，留有裝配孔位，用以與套筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。其折邊結(jié)構(gòu)通過臺(tái)階式的設(shè)計(jì)，形成多側(cè)密封，在保證腔體密封性的同時(shí)，確保氣囊的膨脹時(shí)不會(huì)拉扯上部與底部平臺(tái)，延長氣囊的使用壽命，也避免氣囊膨脹對(duì)使整個(gè)腔體密閉性的影響；在氣囊的側(cè)部，囊壁被設(shè)計(jì)為圓形，同時(shí)搭配折角結(jié)構(gòu)，在氣囊充氣時(shí)通過使折角結(jié)構(gòu)膨脹，使氣囊有足夠的膨脹空間，給果實(shí)足夠的包裹性，收縮時(shí)能夠使囊壁完全貼合套筒，在向上抓取時(shí)能夠使果實(shí)順利進(jìn)入套筒空腔內(nèi)。

橡膠氣囊的設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖如圖5所示。由預(yù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)以及實(shí)際工業(yè)環(huán)境中氣壓的設(shè)置經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置氣囊中氣壓的使用范圍為10～50 kPa（以大氣壓強(qiáng)為零點(diǎn)，梯度為10 kPa）。

1.4.3 固定環(huán)

固定環(huán)（圖6）位于套筒底部，其安裝于剪切裝置的固定桶上部，用于將套筒與剪切裝置固定，并在氣缸的帶動(dòng)下完成果實(shí)的“掰”取。另外，為了實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘后的自動(dòng)收取，固定環(huán)下部還連接有收獲管道，使采摘后的果實(shí)可以順著管道到達(dá)指定的收集裝置中。

2 仿真模擬分析

2.1 獼猴桃的三維模型

為了確定氣囊模擬試驗(yàn)中獼猴桃的物理尺寸，在預(yù)試驗(yàn)階段，隨機(jī)挑選20個(gè)獼猴桃果實(shí)（海沃德，杭州市富陽樹石村獼猴桃采集基地），使用游標(biāo)卡尺與電子天平進(jìn)行獼猴桃果實(shí)物理參數(shù)的測量。

如表1所示，果實(shí)的質(zhì)量、長度、寬度和厚度均值分別為93.2 g、67.3 mm、52.1 mm和46.6 mm。測試的獼猴桃樣品形狀接近球形，后續(xù)仿真過程中可用球形近似替代獼猴桃進(jìn)行有限元建模。

2.2 試驗(yàn)裝置的簡化模型

如圖7（a）所示，是簡化的獼猴桃與套筒裝置在采摘過程的剖視圖，其中，橡膠氣囊由于充入了高壓氣體，體積發(fā)生膨脹，進(jìn)而與獼猴桃表面貼近并產(chǎn)生較大的壓力，形成較強(qiáng)的靜摩擦力，使獼猴桃固定在套筒裝置內(nèi)部。橡膠氣囊內(nèi)部形狀分布均勻，根據(jù)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，在建模過程中，初始的氣囊與果實(shí)的幾何模型可以根據(jù)軸對(duì)稱幾何，簡化建立為二維平面。

二維平面模型如圖7（b）所示。其中，為了模型能夠快速收斂，使用圓形近似代替獼猴桃；由于獼猴桃在采摘過程中，其側(cè)邊主要與氣囊表面進(jìn)行接觸，因此，仿真時(shí)獼猴桃取左半部進(jìn)行計(jì)算。在仿真過程中，氣囊取最大橫截面處，為了保證氣囊內(nèi)部氣壓能夠保持穩(wěn)定，設(shè)置氣囊截面為密封環(huán)境。根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置截面處氣囊長為3.8 cm，寬為0.8 cm，氣囊壁厚為0.15 cm。

2.3 Comsol模型及分析

2.3.1 模型分析

眾所周知，非線性、彈性、各向同性和不可壓縮性是橡膠材料的典型特征，研究者提出了一系列滿足應(yīng)變函數(shù)的超彈性本構(gòu)模型來描述變形行為^{[12， 13]}。其中，Mooney-Rivlin雙參數(shù)模型可較好地描述小形變的超彈本構(gòu)關(guān)系^[14]。超彈性是指材料存在一個(gè)應(yīng)變能函數(shù)，該函數(shù)是應(yīng)變張量的標(biāo)量函數(shù)，當(dāng)超彈性材料產(chǎn)生相當(dāng)大的形變后，仍可在其卸載時(shí)應(yīng)變自動(dòng)恢復(fù)^{[15， 16]}。

采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型來描述橡膠的變形行為^[13]。橡膠的應(yīng)變能可以用Mooney-Rivlin模型表示，如式（2）所示。

W=∑ni，j，k=0C_{i，j，k}（I₁－3）ⁱ（I₂－3）^j（I₃－3）^k（2）

式中： W——應(yīng)變勢能，J；

C_i，j，k——材料常數(shù)，MPa；

i、j、k——I₁（體積變化程度）、I₂（形變程度）、I₃（非淺性程度）對(duì)材料特性的影響；

I₁、I₂、I₃——變形張量；

n——方程的階數(shù)。

橡膠材料被認(rèn)為是不可壓縮的。式（2）可以簡化為式（3）。

W=∑ni，j=0C_i，j（I₁－3）ⁱ（I₂－3）^j（3）

Mooney-Rivlin模型可以進(jìn)一步簡化為一般形式，如式（4）所示。

W=C₁₀（I₁－3）ⁱ+C₀₁（I₂－3）^j（4）

C₁₀型和C₀₁型是簡化后的Mooney-Rivlin模型中的材料常數(shù)。

對(duì)于不可壓縮橡膠材料，泊松比約為0.5?；赥reloar^[17]與Lee^[18]等的研究，材料常數(shù)之間的關(guān)系，剪切模量、彈性模量可以表示為

G=E3=2（C₁₀+C₀₁）（5）

E=6C₁₀1+C₀₁C₁₀（6）

式中： G——剪切模量，Pa；

E——彈性模量，Pa。

由于橡膠硬度可以測量?；诮?jīng)驗(yàn)方程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，彈性模量計(jì)算如式（7）所示。

logE=0.0198H_r-0.5432（7）

式中： H_r——橡膠材料的硬度，（°）。

根據(jù)式（6）、式（7），材料常數(shù)與橡膠硬度的關(guān)系可以表示為

log6C₁₀1+C₀₁C₁₀=0.0198H_r-0.5432（8）

本文C₁₀取為0.37 MPa，C₀₁取為0.11 MPa。

2.3.2 模型參數(shù)

在計(jì)算氣囊內(nèi)部的壓力時(shí)，首先需要獲取氣囊內(nèi)部的橫截面積。計(jì)算面積的有效方式是使用散度發(fā)散定理，將原始曲面積分轉(zhuǎn)換為等值線積分，如式（9）所示。

式中： A——橫截面積，m²；

x——方向矢量在x方向的分量；

n_x——微分后的小體積單元單位法矢量在x方向的分量；

l——微分后的小體積單元的外表面積，m²。

由于橡膠材料幾乎不可壓縮，因此體積模量設(shè)置為104 MPa。假設(shè)密閉空氣的壓縮是絕熱的，則壓力與密度的關(guān)系為

pp₀=pp₀^γ=A₀A^γ（10）

式中： A₀——未形變時(shí)的面積，m²；

γ——常量，γ為1.4；

p——?dú)饽覛鈮?，Pa；

p₀——標(biāo)準(zhǔn)氣壓，Pa。

那么作用在氣囊內(nèi)部的載荷

Δp=p-p₀=p₀A₀A^γ－1（11）

2.3.3 初始以及邊界條件

在設(shè)定初始值時(shí)，環(huán)境溫度、氣囊以及獼猴桃果實(shí)的溫度均設(shè)置為25 ℃。由于氣囊固定在套筒裝置內(nèi)部，因此設(shè)置氣囊與套筒的接觸面為固定面。另外，依據(jù)實(shí)際的工作場景，設(shè)置氣囊中壓強(qiáng)為40 kPa，試驗(yàn)過程中氣囊保持密閉。

2.3.4 仿真程序

本文使用COMSOL Multiphysics軟件包模擬了氣囊包裹果實(shí)的過程。在程序設(shè)計(jì)上，使用了固體力學(xué)模塊，選擇二維穩(wěn)態(tài)情況對(duì)過程進(jìn)行分析。幾何模型根據(jù)2.2節(jié)中的簡化模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于預(yù)設(shè)的氣壓對(duì)果實(shí)不會(huì)造成形變，因此設(shè)置獼猴桃果實(shí)為剛體，在仿真模擬過程中不發(fā)生形狀改變。

在有限元網(wǎng)格劃分過程中，獼猴桃邊界、氣囊側(cè)邊默認(rèn)為超細(xì)，氣囊與獼猴桃接觸邊界自定義網(wǎng)格大小，設(shè)置最大網(wǎng)格大小為0.2 mm。選擇默認(rèn)求解器，求解的時(shí)間為0～1 s，時(shí)間步長為0.1 s，便于模型更快地收斂。所有的工作均在惠普工作站上進(jìn)行（I7處理器，英偉達(dá)2080顯卡，內(nèi)存32 G）。

2.4 仿真模擬結(jié)果分析

在氣囊氣壓的逐漸增大過程中，氣囊內(nèi)部空氣分子數(shù)量增加，使氣囊發(fā)生膨脹，逐漸增加與果實(shí)的接觸面積。圖8（a）為氣囊內(nèi)部壓力達(dá)到40 kPa時(shí)，果實(shí)與氣囊接觸情況的仿真模擬結(jié)果?？梢钥闯觯?dāng)氣壓大小達(dá)到40 kPa時(shí)，氣囊發(fā)生明顯的膨脹，導(dǎo)致氣囊與圓形果實(shí)之間形成壓痕。從圖8（b）可以看出，接觸區(qū)域的壓力隨著壓痕的變化而發(fā)生變化，但是沒有出現(xiàn)零壓力的分布，證明氣囊能夠?qū)⒐麑?shí)的接觸面完全包裹，說明本文設(shè)計(jì)的氣囊夾爪具有良好的包覆性。此外，通過觀察壓痕線上的壓力分布，可以發(fā)現(xiàn)在果實(shí)與氣囊接觸的邊緣，壓力值達(dá)到最大值（13.2 kPa，小于1.1節(jié)中的果實(shí)損傷閾值），說明本文設(shè)置的氣囊夾爪在40 kPa的壓力下理論上是可行的，也證明氣囊夾爪在壓痕首尾端易產(chǎn)生損傷，確定了在實(shí)際的采摘過程中，可通過判斷接觸面上下端果實(shí)的損傷情況判斷夾爪的采摘效果。

3 采摘試驗(yàn)

3.1 采摘裝置介紹

為了測試本文設(shè)計(jì)的包覆式氣囊夾爪的采摘效果，在測試時(shí)氣囊夾爪搭載于自行設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人系統(tǒng)。采摘機(jī)器人系統(tǒng)包括履帶式底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、六軸機(jī)械臂、3D立體視覺設(shè)備和工控機(jī)。為了確保氣囊夾爪采摘到的獼猴桃果實(shí)在運(yùn)輸過程中不受損傷，所有果實(shí)在采摘?jiǎng)幼鲌?zhí)行完成后，釋放氣囊中壓強(qiáng)，并手動(dòng)轉(zhuǎn)移至測試平臺(tái)。

3.2 試驗(yàn)方法介紹

采摘成功率試驗(yàn)：采摘成功率試驗(yàn)控制采摘裝置其余參數(shù)保持恒定，調(diào)整氣囊夾爪中氣壓從10～50 kPa，步長設(shè)置為10 kPa，手動(dòng)指定獼猴桃位置后控制機(jī)械臂移動(dòng)到指定獼猴桃下方10 cm處，利用真空泵（真空度設(shè)置為20 kPa）使氣囊收縮方便獼猴桃進(jìn)入。待獼猴桃進(jìn)入后，控制不同氣壓的空氣進(jìn)入氣囊中，包覆住獼猴桃果實(shí)，然后控制剪切裝置“掰”下獼猴桃果實(shí)，獼猴桃果實(shí)被成功摘下并保持在氣囊夾爪中才認(rèn)為本次采摘成功。單次采摘測試共摘取20次，每種氣壓條件下測試3次。

果實(shí)損傷率試驗(yàn)：在采摘成功率試驗(yàn)進(jìn)行完后，將成功采摘的果實(shí)轉(zhuǎn)移至測試平臺(tái)，在室溫（25 ℃）下存放，每隔24 h檢查一次果實(shí)表面，將果實(shí)表面發(fā)軟腐敗的獼猴桃定義為損壞的果實(shí)，并記錄發(fā)生腐敗的日期。為了判斷氣囊夾爪的采摘效果，人工在相同作業(yè)區(qū)域采摘60個(gè)作為對(duì)照組。最長的存儲(chǔ)時(shí)間為14天。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 不同夾持氣壓下果實(shí)的采摘成功率

不同夾持氣壓下，果實(shí)的采摘成功率存在差距。如圖9所示，果實(shí)的采摘成功率隨著夾持氣壓的上升整體得到提升。當(dāng)夾持氣壓為10 kPa時(shí)，采摘成功率最低，為16.7%，證明10 kPa的氣壓并不能提供充足的壓力，使氣囊表面橡膠與果實(shí)表面緊密接觸，因此提供了較弱的摩擦力。當(dāng)氣囊表面提供的摩擦力小于果柄對(duì)果實(shí)的拖拽力時(shí)，在執(zhí)行剪切動(dòng)作后，果柄的離層并不會(huì)發(fā)生斷裂，使果實(shí)停留在獼猴桃藤上。當(dāng)夾持氣壓提高到30 kPa時(shí)，采摘成功率為68.3%，此時(shí)果實(shí)在剪切動(dòng)作執(zhí)行后，果柄離層斷裂的概率較大，但是由于剪切動(dòng)作提供了一個(gè)圍繞剪切軸的向心力，會(huì)在果柄離層斷裂后將獼猴桃果實(shí)甩出氣囊空腔，掉落在地上，使成功率下降。當(dāng)夾持氣壓為40 kPa、50 kPa時(shí)，采摘成功率分別95%和96.7%，此時(shí)采摘失敗的果實(shí)大部分都是由于視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的誤差以及果實(shí)附近枝干造成。這種情況說明提升夾持氣壓對(duì)于提高采摘成功率的影響較小，因此合適的夾持氣壓應(yīng)大于40 kPa。

3.3.2 不同夾持氣壓下果實(shí)的損壞率

獼猴桃屬于后熟果實(shí)，其質(zhì)地在采摘時(shí)硬而脆，極易發(fā)生碰撞造成輕微損傷，并且這些損傷在早期不易被發(fā)現(xiàn)，在儲(chǔ)存期會(huì)出現(xiàn)早熟和腐敗的現(xiàn)象。通過Harmandeep等^[19]的研究，獼猴桃果實(shí)在發(fā)生損傷后，常會(huì)出現(xiàn)以下?lián)p傷結(jié)果：（1）在儲(chǔ)藏過程中出現(xiàn)表皮刮傷；（2）果實(shí)表皮出現(xiàn)局部凹陷；（3）剝皮出現(xiàn)組織潰爛或白點(diǎn)；（4）果肉變?yōu)樽睾稚Ｒ陨鲜鏊捻?xiàng)損傷指標(biāo)為果實(shí)損傷檢測的依據(jù)。由于剝皮會(huì)影響果實(shí)存放，通過表皮狀況以及果實(shí)硬度進(jìn)行腐敗情況的判斷，果實(shí)損傷率以獼猴桃果實(shí)損傷的數(shù)量與樣本總量的比值進(jìn)行確定。

圖10是獼猴桃果實(shí)存放8～14天時(shí)的損傷率曲線。從圖10中可以看出，所有條件下的獼猴桃果實(shí)都隨著存放天數(shù)的增加腐敗數(shù)量不斷上升。其中，氣壓為50 kPa時(shí)，損傷率曲線上升速率最快，這是由于氣壓過高導(dǎo)致獼猴桃果實(shí)在采摘過程中橫向發(fā)生形變，使果實(shí)內(nèi)部受損，在儲(chǔ)藏過程中易腐敗變質(zhì)。當(dāng)氣壓為10 kPa和20 kPa時(shí)，果實(shí)損傷率也處于較高水平，此時(shí)損傷主要為果實(shí)表面的刮傷。這是由于在采摘過程中，氣囊由于壓力過小，不能將果實(shí)抱牢，導(dǎo)致果實(shí)與氣囊壁以及導(dǎo)向環(huán)發(fā)生刮蹭。從損傷率曲線看，氣壓為40 kPa時(shí)，損傷率曲線的變化趨勢與人工采摘相近，證明此時(shí)采摘效果與人工采摘近似。

圖11是氣壓為50 kPa時(shí)獼猴桃發(fā)生腐敗的照片，從圖11中可以看出，獼猴桃受損中心多集中于果實(shí)腹部上下側(cè)，并向四周蔓延，說明果實(shí)在較高夾持氣壓下，果實(shí)腹部上下側(cè)容易受到損傷，證實(shí)本文設(shè)計(jì)的氣囊夾爪在上下兩側(cè)夾持力較強(qiáng)，這一結(jié)果與仿真模擬結(jié)果一致。

4 結(jié)論

1） 本文提出一種包覆式氣囊夾爪，實(shí)現(xiàn)獼猴桃的無損采摘。新設(shè)計(jì)的氣囊夾爪，通過增加末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與獼猴桃的接觸面積，在氣囊氣壓大于40 kPa時(shí)，采摘成功率可達(dá)95%以上。

2） 通過仿真分析，證實(shí)氣囊夾爪與獼猴桃之間良好的包覆效果。設(shè)置氣囊氣壓為40 kPa時(shí)，氣囊與果實(shí)的接觸區(qū)域未出現(xiàn)零壓力分布，且最大壓力為13.2 kPa，低于果實(shí)的理論損傷值。

3） 通過實(shí)際的采摘試驗(yàn)，獲取采摘成功率與采后損傷率的試驗(yàn)結(jié)果，證明本文所設(shè)計(jì)的氣囊最適氣壓為40 kPa，此時(shí)采摘成功率為95%，采后損傷率曲線的變化趨勢與人工采摘相近。表明本文所設(shè)計(jì)的氣囊夾爪可以應(yīng)用于獼猴桃采摘作業(yè)中，具有良好的市場應(yīng)用價(jià)值。

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