面向草莓抓取的氣動四葉片軟體抓手研制

李 健，戴楚彥，王揚威，查富生，苗文亮

(1.黑龍江省林業智能裝備工程重點實驗室(東北林業大學)，哈爾濱 150040；2.機器人技術與系統國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱150090)

傳統的剛性鏈接機械手具備高精度、迅速響應和重復執行任務的優勢，針對重量和體積較大物品可以實現穩定抓握[1]。受到非結構化的采摘環境和復雜的天氣因素影響，機器人技術在農業領域的運用仍存在諸多的難點。近年來，軟體機器人技術已成為發展最快的領域，研究人員通過對自然界的仿生，提出了大量的多自由度柔軟結構[2-6]。通過在末端手指或者整體結構上使用超彈性軟材料，軟體機器人可以在抓取過程中實現對不規則、表皮較脆弱的果實的有效保護，其結構自身具備較高的柔順性和靈活性[7-8]，可以在有限的采摘空間中實現多形態的變化[9-10]。

氣動軟體手爪的研究最早始于1990年，日立制作所的鈴森康一設計了一種三自由度的軟體致動器[11-12]，使用有限元分析和特征方程的方法分析了其運動特性。近年來研究學者對軟體機械手開展了持續的研究[13-14]。京都大學的Kondo等[15]研制了一種末端執行器，可以一次收獲單個番茄果實或是一個番茄簇，每次采摘時間約為15 s。新加坡國立大學Low等[16]研制了四指氣動軟體抓手，通過改變驅動器的長度和寬度，穩定抓取和固定50～1 100 g的目標物。北華大學的趙云偉等[17]仿照人手的外形和功能，設計了一種多自由度采摘機械手，適用于抓取球形和圓柱形目標物。國家農業智能裝備工程技術研究中心的馮青春等[18]研發了草莓采摘機器人，使用風琴式吸盤和電熱絲熔斷組成的柔性末端執行器，有效降低了對表皮的損傷。

在農業領域中，傳統的剛性機械手體積較大、控制精度要求高、自適應能力較差[19-20]，難以實現無損采摘。目前，常見的三指軟體抓手已經可以實現適應性的抓握，作為抓取作業中設計核心的末端驅動器[21]，通常采用氣體驅動、多腔式設計。但是，針對果蔬的不規則外形特點，現有的軟體驅動器難以實現果實的完全包裹和對末端力的精確控制。因而，軟體抓手在無損采摘中仍存在很大的研究空間。本研究設計了一種貼合草莓表面的軟體抓手，設計原理來自草莓的外部輪廓曲線，采用氣體驅動的方式。通過建立軟體抓手的模型，優化仿真分析的算法，獲得葉片在不同氣壓下的變形量，進而調整氣體通道的排布。在抓取實驗前，測試草莓表面的破壞應力和軟體抓手的末端力，最終實現對草莓的安全抓握。

1 結構設計

1.1 設計方法

針對不同品種的草莓，傳統的機械抓手很難做到適應草莓的表皮輪廓，因而采用柔性機械手實現抓取操作，其設計基礎是確保對抓取對象外表面的完全包裹和無損保護。目前，市面上的草莓多為工廠化的大棚種植，每個品種在經過培育后，其果實的大小和形狀大多相似。論文由此選取市面上常見的五個品種的草莓作為觀測對象，選用各品種最具代表性的果實圖像，利用Matlab軟件提取清晰的草莓輪廓曲線，如圖1所示。為使圖像輪廓具備更好的清晰度，依次采用顏色空間識別、圖像膨脹、腐蝕和二值化操作，選用色相和保護度較好的圖像，然后填充目標對象的空洞，減小噪聲的形狀和體積，連接斷開的輪廓線，最后獲得清晰的草莓曲線。調整圖像角度使草莓輪廓的中線豎直于圖像中央，添加1根草莓中心線縱軸和41根間距為5 mm橫軸的分割線，根據分割線與輪廓曲線的交點，將圖像中的輪廓線轉化為坐標數值。分別提取每個品種草莓的左右兩側曲線，獲得如圖2(a)所示草莓輪廓曲線。

圖1 草莓輪廓提取過程Fig.1 Strawberry contour extraction process

針對草莓外部輪廓設計驅動器的限制層，輪廓曲線的邊緣凹凸較多、曲率變化較大，會降低驅動器內部接觸面的平滑度。抓取不同品種草莓時，曲線的最大寬度會影響抓手的穩定性和安全性，較小寬度會對體型較大的目標對象造成額外的壓力，而較大的寬度會在抓取較小目標對象時出現松動的情況。因此在相同的Y軸坐標下，對不同曲線的X軸數值做均值處理，最終獲得一條平滑曲線作為設計曲線(如圖2(b)所示)。

(a)草莓輪廓曲線

如圖3所示，為實現軟體抓手對草莓外表面的完全包裹，基于Solidworks軟件對草莓曲線進行旋轉基體獲得草莓3D模型，然后在模型的橫向最寬位置和縱向中線位置切除實體，寬度為2 mm，最后使用展平操作將3D模型生成一個平面，作為軟體抓手的限制層平面。按照草莓曲線的尺寸設計，可以實現在抓取的過程中，降低抓取不牢和草莓外表面破損的情況。

(a)草莓設計曲線 (b)橫縱切除2 mm展平曲面圖3 軟體抓手設計原理Fig.3 Principles of soft gripper design

1.2 結構設計

本研究利用草莓設計曲線，設計了一種新型四葉片軟體抓手Ⅰ型，結構模型如圖4(a)所示，其主要結構由限制層和腔室層兩大部分組成。

(a)軟體抓手剖面圖

限制層使用硅橡膠材料制備而成，加入具有較小伸長率的紗網，限制硅橡膠材料的膨脹拉伸。腔室層由4個在縱軸兩側完全相同的葉片組成，每個葉片中均勻排布氣體腔室，隨著氣壓的升高，軟體抓手的葉片向內部收緊完成抓握動作，四葉片協調彎曲動作如圖4(b)所示。軟體抓手結構基本參數如表1所示。

表1 軟體抓手設計參數Tab.1 Design parameters of soft gripper mm

1.3 氣體通道的仿真分析

軟體抓手在實際抓取過程中，葉片需要按照草莓輪廓包裹貼合，因此對于Ⅰ型四葉片軟體抓手提出了如下設想，不同的氣體通道設計能否影響葉片曲面的彎曲方向；氣體通道的曲率如果與葉片上側曲率相同，能否實現對草莓表面的適應性包裹。

本研究對圖5(a)和(b)所示的軟體抓手進行了有限元分析測試，分別有兩種氣體通道：Ⅰ型直線型和Ⅱ型弧線型，通過對上、下葉片的氣體通道施加氣壓，對比兩種軟體抓手的彎曲性能和運動趨勢，實現對軟體抓手氣體通道的優化。

如圖5(c)仿真分析所示，在輸入氣壓為10～15 kPa時，彎曲速度明顯增快；隨后軟體抓手速率降低，腔室體積快速增長。上葉片最大輸入氣壓為21 kPa，Ⅱ型通道軟體抓手末端點最大彎曲角度為65.7°，Ⅰ型軟體抓手為63.5°。在下葉片中，具備較大的內部腔室體積，因此需要更大的輸入氣壓，以達到與上葉片相同的彎曲角度。在輸入氣壓為23 kPa時，Ⅱ型軟體抓手下葉片的末端點最大彎曲角度為63.1°，Ⅰ型軟體抓手為61.3°。因此氣體通道的結構變化對彎曲性能有一定的提升，上下葉片之間最大彎曲角度的差距約為2°。但是在不同氣體通道結構的仿真過程中，腔室上側的膨脹曲面具備不同的彎曲速率，這種變化將會影響到軟體抓手的葉片對目標物的包裹狀態和壓力分布，如果接觸面未能實現在曲面的弧度上的同時接觸，可能會增加對目標物表面破壞的風險。

(a)Ⅰ型直線型通道 (b)Ⅱ型弧線型通道

2 驅動器的制造

相較于傳統的剛性機器人，軟體抓手多選用硅橡膠材料等軟質材料[22-24]。這類超彈性軟體材料可以依靠本身的自適應能力，實現復雜環境下的變形工作，有效降低了機械抓手對目標抓取物的破壞。其自身穩定的化學性、耐高溫、耐寒，可以在復雜惡劣的工作環境中維持工作的穩定性。

2.1 軟體抓手的材料選擇與測試

為研究材料的力學性能，本研究選用雙組份液體硅橡膠材料中的5、10和15度，每種度數的硅橡膠材料分為A、B兩組獨立包裝，在使用時按照1∶1比例混合，在室溫或加熱狀態下靜置4 h后，即可凝聚為驅動器所需的彈性體。在材料選擇的過程中，度數越小的硅橡膠材料，其本身剛性將越低，在相同氣壓條件下，所制備的驅動器將有更好的彎曲性能，但是無法實現對較重目標物的有效抓取。因此，為了提升軟體抓手的工作穩定性，測試不同度數混合的硅橡膠材料，如圖6(a)所示，按照GB/T 528-2009標準制備了啞鈴狀試樣的模具，選用了5種不同配比，分別為5度、10度、15度、5度與10度1∶1混合和10度與15度1∶1混合，分別制備硅橡膠測試件。如圖6(b)所示，使用萬能拉伸試驗機，對彈性啞鈴試件以拉伸速率為100 mm/min，進行了拉伸應力和伸長率的測試，并用曲線擬合計算不同配比材料的彈性模量；然后使用A型邵氏硬度計，在測試件上多次采樣，記錄不同配比硅橡膠材料的硬度值。

(a)測試件模具 (b)萬能拉力機圖6 硅橡膠材料測試Fig.6 Silicone rubber material test

硅橡膠的材料分析如圖7所示，為了實現軟體抓手在彎曲行動中產生較大的彎曲量，同時保證一定的剛性能力，選擇使用5度和10度硅橡膠進行1∶1混合，該配比具有5.5 HA的硬度，0.18 MPa的彈性模量和293.8±2.5 mm的伸長量。通過應力應變曲線看出，隨著應變量增大，材料的性質發生改變。應力在0～0.95 MPa之間是彈性變形，0.95～2.02 MPa之間是均勻塑形變形，大于2.02 MPa是不均勻塑形變形；應力達到2.19 MPa時測試件斷裂。

(1)

在制作軟體抓手的時候，抓取的草莓重量m在10～50 g之間，抓手的末端受力面積S約為1 cm2，代入公式(1)中，其最大應力僅為5×10-5MPa，遠低于0.95 MPa，因此這種材料滿足軟體抓手的工作狀況。

2.2 制造工藝

軟體抓手的主要制作過程如圖8所示。模具采用PLA材料，通過FDM3D打印機制作而成。首先，將硅橡膠5度和10度的AB膠分別按照1∶1的比例混合，再將兩份硅膠按1∶1比例混合，在混合的過程中，使用攪拌棒按照同一方向多次攪拌均勻，并利用真空泵去除硅橡膠混合過程中產生的微小氣泡。然后，將硅橡膠材料分別注入腔室層和限制層的模具當中，其中限制層模具需要提前將限制層紗網鋪好，紗網的尺寸與限制層相同，使用裁刀按照模具完成切割。在硅橡膠液面與模具同一水平位置平齊時停止注膠，擦除模具外遺留的多余硅橡膠材料，放置于室溫23 ℃環境中靜置4 h，待固化成型后，即可將腔室層和限制層部件脫模，并用美工刀對各部件邊角的多余材料處理。最后采用多次刷膠的固定工藝，將限制層和腔室層固定，在腔室層的固定部分鉆孔、給每個葉片插入2 mm氣管，并涂抹少量硅橡膠密封連接部位，再次靜置4 h后，獲得一個完整的四葉片軟體抓手。

(a)應力-應變曲線

圖8 軟體抓手制造過程Fig.8 Manufacturing process of soft gripper

3 末端力分析

3.1 草莓破壞應力分析

軟體抓手實現對草莓目標物的安全抓握，需要證明每個葉片的末端力應小于草莓表皮破壞的最小應力。本研究測量1～6 N施壓條件下的草莓外表面的破損情況和塑料薄板的上的陰影面積，測試夾具如圖9(a)所示。

(a)測試夾具 (b)6N草莓表面陰影圖9 草莓表面破損應力測試Fig.9 Test of damage stress on strawberry surface

如圖10所示，使用Matlab提取陰影面積，并進行線性擬合。當X值為2.87 N時，塑料薄板出現陰影面積，此時草莓表面出現破損情況。因此四葉片軟體抓手的末端力最大值應小于2.87 N，可實現對草莓目標物的安全抓握。

圖10 草莓表面破損應力分析Fig.10 Analysis of damage stress on strawberry surface

3.2 葉片末端力測試

本研究根據壓力傳感器測試Ⅰ型軟體抓手和Ⅱ型軟體抓手的葉片末端力，將軟體抓手末端放置于壓力傳感器上，均勻的施加壓力，并記錄傳感器數值。如果小于破壞的最小壓力，則證明軟體抓手在實際工作狀態下，不會對草莓的表皮產生破壞，其實驗數據如圖11所示。

上葉片的最大輸入氣壓為21 kPa，下葉片為23 kPa。在測試過程中，葉片與傳感器保留微小距離，當氣壓達到2 kPa時，壓力傳感器感應到數值。上葉片氣體腔室體積較小，當氣壓升高時，彎曲速度較快，末端與傳感器表面接觸后，壓力數值增速較快；隨著氣壓繼續增加，上葉片的體積將持續增加，壓力數值增速降低。在氣壓達到21 kPa時，葉片對應達到最大彎曲角度，此時Ⅱ型軟體抓手上葉片的最大末端力為2.48 N，Ⅰ型為2.54 N。下葉片腔室體積較大，需要更多的氣壓實現與上葉片同樣的彎曲效果，使用相同速率輸入氣壓，下葉片和上葉片同樣為先速率較大后速率下降的曲線，由于下葉片具有較大面積的末端和不規則的形狀，因此壓力曲線相對平滑，在氣壓達到23 kPa時，葉片達到最大彎曲角度，此時Ⅱ型軟體抓手下葉片的最大末端力為2.53 N，Ⅰ型為2.66 N。兩種軟體抓手的上下葉片末端力均小于2.87 N，證明四葉片軟體抓手的結構，可以實現對草莓目標物的安全抓握。

但是在試驗過程中發現，Ⅰ型軟體抓手的上下葉片壓力明顯大于弧線氣體通道，然而兩種氣體通道的腔室體積近似為完全相同。因此Ⅱ型軟體抓手在彎曲過程中，葉片并非按照末端的垂直方向彎曲，部分末端力被分到了葉片的邊緣上；而直線通道的葉片在氣體通道兩側均勻膨脹，末端與壓力傳感器完全接觸。

4 軟體抓手抓取性能測試實驗

4.1 葉片空間位移量測試及分析

軟體抓手在彎曲運動中，葉片平面的彎曲角度并不同步，可能會造成過大的接觸壓力，進而破壞草莓表皮。為進一步探究葉片在空間中的運動軌跡，選用動作捕捉技術精確記錄葉片在受到氣壓后平面的位移量。如圖12所示，總共在軟體抓手的葉片上側添加7個觀測點。由于葉片的面積較小，為提升實驗精度，觀測點之間的間隔不能太密。因而觀測點在下葉片處，選擇葉片腔室層的最大寬度和長度處，放置4個觀測點。在上葉片處，選擇腔室層末端和最大寬度處，放置3個觀測點。

圖12 軟體抓手觀測點安放位置Fig.12 Position of soft gripper observation points

兩個型號的軟體抓手分別固定于拍攝場景中，當葉片在輸入氣壓實現彎曲運動時，利用相互交疊的八臺高速攝像頭，記錄反光觀測點在運動過程中的位移變化，處理并分析出觀測點的X坐標、Y坐標和Z坐標，經過一段時間的記錄合成出觀測點的空間軌跡。反復進行多次實驗，記錄下葉片觀測點在空間中的位移量，繪制出上、下葉片觀測點的空間運動狀態。

如圖13下葉片的空間位移量所示，空間中葉片曲面的運動過程轉化為4個觀測點的位移量。兩種設計的輸入氣壓和測試時間相同，當氣壓升高時，葉片向觀測點1方向彎曲，葉片曲面在Z軸上的位移量最大，在X和Y軸上的運動則受到腔室膨脹影響，觀測點向葉片外側移動造成。Ⅱ型軟體抓手下葉片的觀測點3比觀測點2的位移距離更長，在Z軸的位移量中，相差12.01 mm；在X軸的位移量中多位移2.72 mm，在Y軸的位移量中多位移2.35mm。因而，Ⅱ型軟體抓手上葉片在遠離氣體通道的觀測點3運動速率更快。在Ⅰ型軟體抓手的下葉片中，觀測點2和觀測點3 在Z軸上的位移相差2.66mm，在X軸和Y軸的位移僅相差0.006 mm和0.07 mm，Ⅰ型軟體抓手的下葉片在彎曲運動中，以氣體通道和觀測點1為主要運動方向，葉片的上下兩端運動速率近似相同。

(a)Ⅰ型軟體抓手下葉片空間位移量

軟體抓手上葉片觀測點空間位移量如圖14所示，在觀測點5和6中，Ⅰ型軟體抓手的觀測點運動沿著氣體通道和末端，向觀測點7的方向彎曲；在Ⅱ型軟體抓手中，運動趨勢相似于直線氣體通道。兩種氣體通道的上葉片其觀測點7的位移狀態不相同，Ⅱ型軟體抓手的觀測點7在X、Y和Z軸上的位移比直線氣體通道多17.68 mm、0.33 mm和4.60 mm，因此弧線氣體通道的上葉片沿著氣體通道的曲率，呈現向內側觀測點5彎曲包裹的現象。

(a)Ⅰ型軟體抓手上葉片空間位移量

當氣流進入腔室層后，氣體腔室的體積比氣流通道的體積更大，氣球效應更明顯；而氣體通道連接多個氣體腔室，與限制層的接觸面積更大，隨著氣壓的增加，材料內部應力的限制將阻礙氣體通道體積的進一步增加。進而，Ⅰ型軟體抓手的氣體腔室在氣體通道的兩側，葉片發生膨脹彎曲后，垂直于彎曲方向的截面近似位移速率相同，沿著氣體通道的方向彎曲；Ⅱ型軟體抓手的腔室在氣體通道的一側，葉片在膨脹后具備不同的彎曲速率，氣體通道的外側腔室有更快的運動速率和位移，葉片將向氣體通道內側包裹，更貼合草莓的果實外壁。因此，氣體通道的結構將會影響到腔室上側曲面不同點的彎曲速率，這種變化可以實現軟體抓手葉片對不規則草莓目標物的安全包裹，接觸面能實現在曲面弧度上的同時接觸，有效降低對目標物表面破壞的風險。

4.2 抓取測試

驗證Ⅱ型四葉片軟體抓手的實際工作能力，本研究通過STM32開發板連接兩路光耦-高低電平繼電器，分別控制兩個氣泵對上下葉片輸入不同的氣壓，實現各葉片間對目標物的同步抓握。抓取實驗臺如圖15(a)所示，抓取物草莓的平均重量為30 g，平均半徑為16 mm。

(a)抓取測試實驗臺

草莓抓取實驗過程如圖15(b)和(c)所示，在抓取實驗中，上葉片的輸入氣壓從0逐漸加至21 kPa，下葉片最大輸入氣壓為23 kPa，兩組葉片在草莓抓取平面上同時向下完成彎曲運動。四葉片軟體抓手隨著氣壓的升高，葉片的彎曲角度增加，只需要輕微調整軟體抓手的高度，在其本身重力的作用下，葉片將主動貼合到目標物曲面上，最終實現對目標抓取物的完全包裹。達到設定的輸入氣壓時間后，STM32板在控制程序下終止氣泵工作，為了測試軟體抓手在草莓自身的慣性下出現的擺動現象，用于固定軟體抓手氣管的機械臂帶動抓手實現豎直方向的提升，最大高度為200 mm，隨后在0～200 mm之間往復升降。經過多次測試，軟體抓手仍能實現對草莓的完全包裹，其穩定性和抗干擾能力可以實現對草莓的有效拾取。

Ⅱ型四葉片軟體抓手能夠實現對草莓外表面的完全包裹，其自身的適應能力可以輕松實現對不同位姿草莓的有效抓取。對5個品種草莓分別進行10次抓取測試，成功抓取的概率可以達到90%，檢測每次抓取后的草莓表皮，其破損率為2%。

5 結 論

本研究設計的草莓曲線四葉片軟體抓手，針對抓取成功率和表皮破損率，分別對結構設計、材料選用和實驗測試方面進行了進一步的探索。在結構設計中，結合草莓設計曲線，提出了一種新型四葉片軟體抓手。在材料選用中，對5種不同配比的硅橡膠材料做了測試分析，選用了5度和10度硅橡膠進行1∶1混合，具有5.5 HA的硬度，0.18 MPa的彈性模量和293.8±2.5 mm的伸長量。使用壓力傳感器測試草莓表面破壞應力和軟體抓手末端壓力，四葉片軟體抓手的上葉片末端力最大值為2.48 N，下葉片為2.53 N，小于草莓表面破壞應力2.87 N，可以實現對草莓目標物的安全抓握。使用Abaqus仿真軟件和動作捕捉技術，證明了氣體通道的結構可以影響軟體抓手的彎曲狀態，Ⅱ型四葉片軟體抓手的上下葉片在膨脹后具備不同的彎曲速率，氣體通道的外側腔室將有更快的運動速率和位移，葉片將向氣體通道內側彎曲運動，可以實現對不規則草莓目標物的安全包裹。最后選用弧線型氣體通道的Ⅱ型四葉片軟體抓手進行了實際抓取測試，其具備較好的穩定性、抗干擾能力、自適應能力、靈活性和柔性，可以實現對草莓的有效拾取，成功抓取的概率達到90%，對抓取物表面的破損率為2%。本文僅開展了面向草莓無損采摘軟體抓手的結構設計和彎曲特性的初步研究，在繼續優化軟體抓手的結構上，下一步分析各葉片在接觸不同形狀果實時的壓力分布及角度變化，實現各葉片能夠獨立控制氣壓的輸出，為軟體手爪的進一步應用奠定基礎。