姬江濤 李夢(mèng)松 趙凱旋 馬 淏

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 洛陽(yáng) 471003;2.河南省機(jī)械裝備先進(jìn)制造協(xié)同創(chuàng)新中心， 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

雙孢菇是世界性栽培和消費(fèi)的菇類作物，具有生產(chǎn)成本低、生長(zhǎng)周期短、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)種植非常普遍[1]。在日常生產(chǎn)中，為確保雙孢菇優(yōu)良的質(zhì)量和完好的外觀，90%以上的雙孢菇都要依靠人工收獲。而人工收獲勞動(dòng)強(qiáng)度高，勞動(dòng)成本占總生產(chǎn)成本的15%～30%[2]。因此，對(duì)于實(shí)現(xiàn)雙孢菇采摘機(jī)械化、自動(dòng)化的需求十分迫切。末端執(zhí)行器作為采摘機(jī)器人的核心裝置[3-6]，對(duì)于雙孢菇的質(zhì)量有至關(guān)重要的作用。

近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的快速發(fā)展，軟體機(jī)械手成為國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)[7-9]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼對(duì)其開(kāi)展了研究。魏博等[10]設(shè)計(jì)了雙連桿并聯(lián)式手指，在抓握直徑差異較大的柑橘時(shí)，手指能夠自動(dòng)進(jìn)行抓取或捏取動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)被動(dòng)柔順。朱銀龍等[11]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)嵌傳感器的四指軟體機(jī)械手，建立了軟體驅(qū)動(dòng)器的彎曲特性和末端輸出力的數(shù)學(xué)模型，可預(yù)測(cè)施加不同氣壓時(shí)的軟體驅(qū)動(dòng)器性能。劉曉敏等[12]設(shè)計(jì)了2自由度“剛-柔耦合”驅(qū)動(dòng)器，施加氣壓后，驅(qū)動(dòng)器在60°～120°范圍內(nèi)連續(xù)彎曲，最大彎曲角為277°，其彎曲變形類似圓弧狀，與球果表面很好地貼合。以上研究成果雖具有仿形能力和低損特性，但所需作業(yè)空間較大[13-15]，而菇類作物生長(zhǎng)較密集，因此難以應(yīng)用于菇類作物采摘。

針對(duì)菇類作物采摘，盧偉等[16]設(shè)計(jì)了3指4指節(jié)的柔性手爪，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。HUANG等[17]提出并測(cè)試了4種雙孢菇采摘方法，其中彎曲方法需要最少的采摘力和最少的采摘時(shí)間，所需的操作時(shí)間、分離角和峰值力分別為(0.9±0.5) s、13.6°±6.7°、(3.3±2.4) N。但雙孢菇與褐菇相比，菇蓋面積更小、作業(yè)空間也更小，因此褐菇的柔性手爪難以應(yīng)用于雙孢菇的采摘。而剛性采摘執(zhí)行器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活性差、適應(yīng)能力差等問(wèn)題[18-21]，在抓取過(guò)程中容易對(duì)雙孢菇表面造成破壞，難以實(shí)現(xiàn)無(wú)損采摘[22-24]。普通吸附類采摘執(zhí)行器存在與雙孢菇之間的密封性差的問(wèn)題[25-27]，在吸附過(guò)程中容易出現(xiàn)漏氣的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致雙孢菇脫落。

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合雙孢菇的外形參數(shù)和采摘需求，本文設(shè)計(jì)一種雙孢菇柔性仿形采摘末端執(zhí)行器，對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行有限元仿真和分析，制作物理樣機(jī)，對(duì)末端執(zhí)行器的性能指標(biāo)和采摘效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 末端執(zhí)行器總體設(shè)計(jì)

1.1 雙孢菇特性分析及采摘要求

雙孢菇呈白色或棕色，菇蓋呈半球形，下方逐漸平展，表面光滑，目前常見(jiàn)的雙孢菇工廠化栽培生長(zhǎng)情況如圖1所示，具有以下特點(diǎn)：長(zhǎng)勢(shì)較為密集，成熟雙孢菇通常簇?fù)碓谝黄穑慌c培養(yǎng)基質(zhì)的連接力較小，容易脫落；質(zhì)地柔軟，易被損傷，損傷后略變淡黃色。

圖1 雙孢菇工廠化栽培生長(zhǎng)情況Fig.1 Growth of Agaricus bisporus in factory cultivation

市場(chǎng)上售賣的成熟雙孢菇直徑為25～50 mm，其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：一級(jí)雙孢菇直徑為25～35 mm，二級(jí)雙孢菇直徑為35～50 mm。根據(jù)DB34/T 1277—2010《雙孢蘑菇采收、分級(jí)和鹽漬技術(shù)規(guī)程》，雙孢菇采摘最佳菇蓋直徑為25～35 mm。由于雙孢菇長(zhǎng)勢(shì)密集，長(zhǎng)在同一區(qū)域的雙孢菇成熟時(shí)間不一致、質(zhì)地柔軟，使雙孢菇難以實(shí)現(xiàn)批量采摘，單體采摘仍是雙孢菇采摘的主流方法。在避免雙孢菇表面出現(xiàn)機(jī)械損傷前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸和橢圓度的雙孢菇采摘，是雙孢菇采摘末端執(zhí)行器研究的關(guān)鍵。

1.2 末端執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖2所示，設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器對(duì)單個(gè)雙孢菇的菇蓋進(jìn)行采摘作業(yè)，通過(guò)吸附的方式完成雙孢菇的采摘。

圖2 采摘方式示意圖Fig.2 Schematic of picking method

該末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)由柔性仿形吸盤和金屬附件組成，其機(jī)械結(jié)構(gòu)三維剖視圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.3 Section view of mechanical structure1.端蓋 2.密封圈 3.支撐件 4.卡箍 5.連接套 6.通氣芯 7.通氣螺釘 8.墊片 9.顆粒 10.柔性膜

其中柔性仿形吸盤由顆粒和柔性膜組成，附件包括端蓋、支撐件、連接套、通氣芯、卡箍、通氣螺釘和墊片，附件的主要作用是將吸盤部分固定并向柔性仿形吸盤傳輸氣壓。端蓋內(nèi)設(shè)有兩條通氣管道，分別用于柔性膜內(nèi)部的通氣和吸盤的吸附。為防止顆粒泄漏，在端蓋和支撐件之間設(shè)有密封圈，在通氣芯的外側(cè)設(shè)有過(guò)濾網(wǎng)?？ü繉⑷嵝苑滦挝P固定在支撐件上，通氣螺釘將柔性仿形吸盤的下表面固定在通氣芯上。

柔性仿形吸盤的工作原理為：標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，顆粒在柔性膜內(nèi)具有類流體特性，當(dāng)柔性膜和雙孢菇表面接觸后，會(huì)根據(jù)雙孢菇的表面輪廓進(jìn)行仿形，從而和雙孢菇之間進(jìn)行充分接觸，使兩者之間具有良好的密封性，并在密閉空腔內(nèi)形成一定的負(fù)壓，使后續(xù)的吸附更加穩(wěn)定。

1.3 末端執(zhí)行器控制原理

末端執(zhí)行器控制原理如圖4所示，采用氣壓反饋控制，能夠?qū)崿F(xiàn)力與負(fù)壓的精確轉(zhuǎn)換。具體工作路線為：輸入吸附力后，系統(tǒng)能夠根據(jù)公式將吸附力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的負(fù)壓，此負(fù)壓即為控制系統(tǒng)的給定負(fù)壓，給定負(fù)壓與氣壓傳感器所測(cè)得的負(fù)壓對(duì)比，當(dāng)兩者存在偏差時(shí)，調(diào)節(jié)負(fù)壓調(diào)壓閥，使柔性仿形吸盤與雙孢菇之間的密閉空腔內(nèi)的負(fù)壓達(dá)到給定負(fù)壓，從而完成對(duì)吸附力的調(diào)節(jié)。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖Fig.4 Control system schematic

2 柔性仿形吸盤設(shè)計(jì)

2.1 柔性仿形吸盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸盤與接觸物體之間的密封程度直接影響吸盤密閉空腔內(nèi)外真空負(fù)壓的強(qiáng)度，從而影響吸盤吸附力的強(qiáng)弱[28]。不同雙孢菇的橢圓度和表面曲率不同，標(biāo)準(zhǔn)吸盤在采摘時(shí)存在與雙孢菇密封程度偏低，導(dǎo)致抓不緊或掉落的問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了柔性仿形采摘末端執(zhí)行器，利用柔性仿形吸盤的仿形能力和單體作業(yè)模式，能夠有效降低機(jī)械損傷并且不會(huì)對(duì)周圍的雙孢菇造成干擾。

為了縮短作業(yè)時(shí)間，加快仿形速度，將吸盤開(kāi)口形狀設(shè)計(jì)為圖5所示的“凹”形。結(jié)合菇蓋形狀試制開(kāi)口角度為60°、90°、120°的吸盤，進(jìn)行了預(yù)試驗(yàn)，使用3種開(kāi)口角度的吸盤分別采摘了100個(gè)雙孢菇，采摘成功率分別為92.00%、88.00%、73.00%?？芍_(kāi)口角度為60°時(shí)，吸盤采摘成功率最高，故將吸盤開(kāi)口角度取為60°。

圖5 吸盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of sucker

2.2 柔性仿形吸盤尺寸確定

柔性仿形吸盤尺寸由實(shí)際作業(yè)空間和雙孢菇尺寸共同決定，吸盤外徑的取值應(yīng)在不影響實(shí)現(xiàn)仿形功能的前提下盡可能小，以減小對(duì)周圍雙孢菇造成干擾的可能性。成熟雙孢菇直徑為25～50 mm，為了預(yù)留吸盤的開(kāi)口直徑并保證吸盤的仿形能力，取吸盤外徑為35 mm。

吸盤吸力公式為

(1)

式中F1——吸盤吸力，N

A——吸附有效面積，m2

D——吸盤有效直徑，m

p——相對(duì)壓力，Pa

由公式(1)得知，吸盤吸力是由相對(duì)壓力和吸盤有效直徑共同決定的，相對(duì)壓力可以通過(guò)調(diào)壓閥進(jìn)行控制，吸盤有效直徑主要受吸盤開(kāi)口直徑的影響，因此，選擇吸盤最佳開(kāi)口直徑能夠使吸盤的有效直徑最大化，從而使同等吸附力所需負(fù)壓最低。本文將通過(guò)仿真的方式分析吸盤開(kāi)口直徑和吸盤有效直徑之間的關(guān)系，從而確定吸盤最佳開(kāi)口直徑。

2.3 吸盤吸附力影響因素分析

吸盤在采摘過(guò)程中，吸盤吸附力主要與負(fù)壓和直接接觸面有關(guān)，其中負(fù)壓影響密閉空腔內(nèi)外的相對(duì)壓力，而直接接觸面對(duì)于吸附力的影響規(guī)律則需要結(jié)合受力分析才能得知。因此對(duì)柔性仿形吸盤吸附后的雙孢菇進(jìn)行受力分析。

為簡(jiǎn)化受力分析模型，將雙孢菇視為呈中心軸對(duì)稱的規(guī)則形狀，那么雙孢菇在沿中心軸切開(kāi)的任意平面內(nèi)的受力情況都相同，當(dāng)雙孢菇被吸盤吸緊且有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，任取一平面進(jìn)行受力分析，雙孢菇受力包括向上的吸力F1，向下的重力G，左右兩側(cè)的支反力FN1和FN2，摩擦力FS1和FS2，其受力情況如圖6所示。

圖6 吸附后雙孢菇受力分析Fig.6 Force analysis of Agaricus bisporus after adsorption

此時(shí)吸盤的吸附力為

F=F1+(FS1+FS2)sinα

(2)

其中

(3)

式中α——重力和支反力的夾角

fS——接觸面之間的摩擦因數(shù)

則吸附力為

F=F1+fS(FN1+FN2)sinα

(4)

由公式(2)～(4)可知，吸盤的吸附力由吸盤吸力和摩擦力組成，而摩擦力和吸盤吸力都與接觸面相關(guān)，接觸面的面積和接觸面之間的摩擦因數(shù)對(duì)摩擦力有直接影響，接觸面之間的密封性對(duì)吸附力有直接影響，因此選擇合適的柔性膜材料對(duì)于提升吸盤的吸附力至關(guān)重要。

2.4 柔性仿形吸盤材料選取

考慮到接觸面對(duì)于吸附力的重要性，對(duì)吸盤柔性膜材料進(jìn)行了選擇，對(duì)比了乳膠膜和硅膠膜的吸附性能，結(jié)果如表1所示，乳膠膜與硅膠膜相比，具有更高的彈力、更高的塑形能力、更高的表面硬度和更低的表面粘附性。乳膠膜更高的彈性和塑形能力使其擁有更強(qiáng)的仿形能力，能與雙孢菇進(jìn)行更充分的接觸，使接觸面變大，從而提高摩擦力；更高的表面硬度使其對(duì)雙孢菇完成仿形后，在接觸面之間產(chǎn)生更強(qiáng)的穩(wěn)定性和密封性，從而提高吸附力；更低的表面粘附性使其在吸附結(jié)束后更容易與雙孢菇分離。綜上所述，乳膠膜更適合于雙孢菇采摘，因此選擇乳膠作為吸盤柔性膜材料。

表1 乳膠膜和硅膠膜性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of latex film and silica gel film

考慮到柔性仿形吸盤中顆粒的流動(dòng)性、可壓縮性、堆積密度以及獲取成本，選擇表面光滑的POM塑料球和兩種不同直徑的石英砂作為顆粒填充物(圖7)。

3 柔性仿形吸盤有限元仿真

3.1 有限元仿真模型建立

本文采用ANSYS有限元軟件Workbench中的Static Structural模塊對(duì)柔性仿形吸盤的仿形過(guò)程和吸附過(guò)程進(jìn)行有限元仿真，通過(guò)吸盤仿形過(guò)程有限元仿真確定吸盤的最佳開(kāi)口直徑，通過(guò)吸盤吸附過(guò)程有限元仿真得出吸盤受應(yīng)力情況，為吸盤尺寸的確定及吸附性能的研究提供理論依據(jù)。

根據(jù)ANSYS Workbench工作平臺(tái)有限元模型設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在SolidWorks三維建模軟件中對(duì)吸盤進(jìn)行三維建模，建模過(guò)程中，在不影響仿真數(shù)據(jù)的前提下，將與仿真無(wú)關(guān)的零部件刪除，盡可能的簡(jiǎn)化模型以便于加快仿真速度。

在實(shí)際吸附過(guò)程中，加載位置、加載速度、接觸面之間的摩擦因數(shù)等因素都會(huì)對(duì)吸盤的吸附性能和吸盤的應(yīng)力產(chǎn)生影響。若完全考慮上述影響因素并對(duì)仿真參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置，則會(huì)使吸盤有限元仿真分析過(guò)程十分復(fù)雜，甚至導(dǎo)致運(yùn)算過(guò)程終止，無(wú)法完成仿真。因此，在對(duì)分析結(jié)果影響不大的前提下，對(duì)吸盤的有限元模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并對(duì)吸盤有限元仿真分析過(guò)程做如下假設(shè)：假設(shè)吸盤在初始位置與雙孢菇處于接觸狀態(tài)。假設(shè)吸盤在下壓過(guò)程中，作用力均勻作用在吸盤頂部表面。假設(shè)吸盤和雙孢菇表面光滑平整，材料均勻連續(xù)且具有通向性。假設(shè)顆粒直徑極小，填充之后為連續(xù)實(shí)體。

柔性膜材料參數(shù)：密度為1 000 kg/m3、材料常數(shù)C10為0.01 MPa、材料常數(shù)C20為0.001 MPa、不可壓縮性為1.21×10-9Pa-1。由于雙孢菇材料參數(shù)難以獲取，因此在分析受力情況時(shí)，選擇用聚乙烯材料代替。吸盤利用顆粒在柔性膜中的流動(dòng)特性進(jìn)行仿形，仿真的主要目的是獲得應(yīng)力云圖，顆粒的流動(dòng)軌跡不是仿真重點(diǎn)，為降低仿真難度，將顆粒視為連續(xù)體，其材料選擇為石英。

進(jìn)行吸盤仿形過(guò)程和吸附過(guò)程有限元仿真時(shí)，柔性膜和雙孢菇的接觸面作為主要研究對(duì)象，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)柔性膜下表面及雙孢菇上表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。設(shè)定柔性膜和雙孢菇網(wǎng)格劃分類型為四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm，并對(duì)柔性膜下表面及雙孢菇上表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，網(wǎng)格大小設(shè)置為1 mm。柔性膜下表面和雙孢菇上表面之間的接觸類型為不分離接觸類型。選擇柔性膜下表面為接觸面，雙孢菇上表面為目標(biāo)面。Formulation算法選項(xiàng)設(shè)置為增廣拉格朗日算法類型。

3.2 吸盤仿形過(guò)程有限元仿真

為了確定吸盤開(kāi)口直徑和吸盤有效直徑之間的關(guān)系，選擇開(kāi)口直徑為20、22.5、25、27.5 mm的吸盤對(duì)直徑為25 mm的雙孢菇進(jìn)行有限元仿真。

對(duì)仿形過(guò)程進(jìn)行載荷設(shè)定，在菇蓋下表面添加固定支撐，在吸盤上表面均勻加載10 N作用力，模擬吸盤對(duì)雙孢菇的仿形過(guò)程，載荷設(shè)置完成后，打開(kāi)大變形選項(xiàng)，對(duì)有限元模型進(jìn)行求解。

4種不同開(kāi)口直徑的吸盤對(duì)直徑為25 mm的雙孢菇的仿形過(guò)程有限元仿真應(yīng)力云圖如圖8所示，菇蓋的形狀為半橢圓狀，吸盤開(kāi)口直徑較小時(shí)，與雙孢菇接觸的位置處于菇蓋頂部，此時(shí)吸盤的有效直徑主要受到吸盤開(kāi)口直徑的限制。隨著吸盤開(kāi)口直徑的增大，吸盤和雙孢菇接觸的位置由菇蓋頂部逐漸向下，直到完全將菇蓋包裹，此時(shí)吸盤的有效直徑即為菇蓋直徑，吸盤的有效直徑主要受到菇蓋直徑的限制。

圖8 不同開(kāi)口直徑吸盤仿真應(yīng)力云圖Fig.8 Simulation stress cloud of suckers with different opening sizes

如圖9所示，在ANSYS Workbench中測(cè)得開(kāi)口直徑為20、22.5、25、27.5 mm的吸盤對(duì)直徑為25 mm的雙孢菇有效直徑分別為22.1、24.2、25.0、25.0 mm。結(jié)果表明：當(dāng)菇蓋直徑一定時(shí)，隨著吸盤開(kāi)口直徑的增大，吸盤的有效直徑先逐漸增大，達(dá)到最大值之后不再變化，其最大值為菇蓋直徑。吸盤的有效直徑在吸盤開(kāi)口直徑為25 mm時(shí)達(dá)到最大值，因此吸盤最佳開(kāi)口直徑為25 mm。

圖9 吸盤有效直徑變化曲線Fig.9 Variation curve of effective diameter of suction cup

3.3 吸盤吸附過(guò)程有限元仿真

在吸盤吸附過(guò)程有限元仿真中，為便于分析吸盤和雙孢菇應(yīng)力變化，將吸附過(guò)程分為兩步，即吸盤下壓過(guò)程和吸盤吸附過(guò)程，吸盤有限元載荷加載設(shè)置如圖10所示。吸盤下壓過(guò)程為吸盤頂部開(kāi)始受到壓力作用且運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)與雙孢菇表面進(jìn)行接觸的加載過(guò)程。在軟件中的設(shè)置為：將菇蓋下表面添加固定支撐，在吸盤頂面均勻加載10 N作用力。下壓過(guò)程結(jié)束后，在吸盤容腔表面添加真空負(fù)壓載荷0.07 MPa，模擬吸盤貼附過(guò)程。載荷設(shè)置完成后，打開(kāi)大變形選項(xiàng)，對(duì)有限元模型進(jìn)行求解。

圖10 有限元載荷加載設(shè)置Fig.10 Finite element load setting

為更直觀地研究吸盤底面各點(diǎn)處的應(yīng)力變化，在等效應(yīng)力圖上，應(yīng)用有限元軟件探針沿吸盤直徑方向依次取11個(gè)點(diǎn)進(jìn)行Mises應(yīng)力取值，并繪出吸盤Mises應(yīng)力曲線。

由圖11可知，柔性膜表面所受應(yīng)力小于內(nèi)部顆粒所受應(yīng)力，原因是柔性膜材質(zhì)柔軟，在受到應(yīng)力后會(huì)隨應(yīng)力方向變形，從而將應(yīng)力傳遞給顆粒，外層的顆粒為主要的受力對(duì)象。

圖11 整體應(yīng)力圖Fig.11 Overall stress diagram

由圖12可知，吸盤在吸附過(guò)程中，吸盤和雙孢菇的接觸部分應(yīng)力較大，吸盤中心應(yīng)力相對(duì)較小，且吸盤的應(yīng)力集中區(qū)域呈圓環(huán)狀。吸盤有效直徑為圓環(huán)外徑，在采摘不同直徑的雙孢菇時(shí)，吸盤的有效直徑會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)吸盤的有效直徑達(dá)到最大值時(shí)，吸附效果最好。

圖12 吸盤等效應(yīng)力圖Fig.12 Sucker equivalent effect diagram

由圖13可知，應(yīng)力由邊緣位置到中心位置再到邊緣位置呈類拋物線分布特點(diǎn)，中心位置的應(yīng)力較小且較為均衡，邊緣位置應(yīng)力較大且相對(duì)中心位置近似對(duì)稱分布，表明吸盤對(duì)橢圓度較高的雙孢菇的應(yīng)力分布為對(duì)稱的，且吸盤表面所受應(yīng)力較為集中。

圖13 吸盤Mises應(yīng)力曲線Fig.13 Mises stress curve of sucker

4 氣動(dòng)回路和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

由于雙孢菇所需采摘力較小，因此選用抽氣打氣兩用的微型真空泵，最大真空度為-70 kPa，選用最大流量為140 L/min、壓力調(diào)節(jié)范圍為1.3～-100 kPa的負(fù)壓調(diào)壓閥。氣動(dòng)回路如圖14所示，左側(cè)回路為吸氣回路，右側(cè)回路為卸載回路，吸氣回路連接在真空泵的抽氣端，卸載回路連接在真空泵的打氣端。該回路與一般的真空發(fā)生器連接氣路相比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，實(shí)用性更強(qiáng)。同時(shí)，對(duì)氣路中的電磁閥、氣壓表、過(guò)濾器等元件也進(jìn)行了精選，保證了氣路元件本身的密封要求。

圖14 氣動(dòng)回路Fig.14 Pneumatic circuit

氣動(dòng)回路的工作流程如圖15所示，當(dāng)吸盤到達(dá)指定位置后，電磁閥D1通電、D2斷電，吸氣回路連通，由真空泵產(chǎn)生的真空經(jīng)負(fù)壓調(diào)壓閥調(diào)整后，傳遞到吸盤吸嘴處，吸盤將雙孢菇進(jìn)行吸附。當(dāng)吸盤吸附雙孢菇移動(dòng)至采集筐上方時(shí)，電磁閥D2通電、D1斷電，卸載回路連通，由真空泵打氣端產(chǎn)生的正壓傳遞到吸盤吸嘴處，雙孢菇在正壓作用下脫離吸盤。

圖15 氣動(dòng)回路工作流程圖Fig.15 Pneumatic circuit work flow chart

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器作為采摘機(jī)器人的核心裝置，與采摘機(jī)器人配合完成采摘作業(yè)，基于采摘機(jī)器人的控制邏輯為該末端執(zhí)行器開(kāi)發(fā)了一個(gè)控制系統(tǒng)，如圖16所示，該控制系統(tǒng)安裝在采摘機(jī)器人上，主要由硬件控制部分和氣動(dòng)控制部分組成?？刂葡到y(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，在采摘作業(yè)中主要使用自動(dòng)模式。其工作原理為：圖像采集裝置將圖像上傳到工控機(jī)，工控機(jī)利用可視化控制軟件計(jì)算出雙孢菇的位置后，通過(guò)可編程邏輯控制器(PLC)發(fā)送電信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)和氣動(dòng)回路執(zhí)行采摘和分揀動(dòng)作。PLC發(fā)送第1次電信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行定位程序，將吸盤移動(dòng)到待采摘的雙孢菇上方；當(dāng)吸盤移動(dòng)至雙孢菇上方后，PLC發(fā)送第2次電信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行采摘程序，將吸盤下移使之與雙孢菇接觸；當(dāng)吸盤與雙孢菇貼合后，PLC發(fā)送第3次電信號(hào)，真空泵啟動(dòng)，吸氣回路接通，吸盤對(duì)雙孢菇進(jìn)行吸附；當(dāng)吸盤將雙孢菇吸附后，PLC發(fā)送第4次電信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行分揀程序，將雙孢菇移至采集筐上方；當(dāng)吸盤移至采集筐上方后，PLC發(fā)送第5次電信號(hào)，單控電磁閥接通，吸嘴處產(chǎn)生正壓，將雙孢菇吹落。

圖16 控制系統(tǒng)流程圖Fig.16 Flow chart of control system

5 試驗(yàn)

5.1 拉脫力試驗(yàn)

5.1.1試驗(yàn)材料及方法

吸附式采摘末端執(zhí)行器的性能指標(biāo)為末端執(zhí)行器對(duì)物體的吸附力，但吸附力難以直接測(cè)量，而吸附力與拉脫力有直接關(guān)系，因此通過(guò)測(cè)量拉脫力的方式驗(yàn)證末端執(zhí)行器的性能。影響末端執(zhí)行器性能的因素有許多種，如吸附負(fù)壓、雙孢菇直徑、柔性膜厚度、顆粒直徑，為明確這幾種因素對(duì)末端執(zhí)行器性能的影響，對(duì)所試制的末端執(zhí)行器進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)。

試驗(yàn)使用單立柱電子拉力試驗(yàn)機(jī)(東日儀器有限公司)對(duì)雙孢模型進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，如圖17所示，末端執(zhí)行器通過(guò)連接件固定在拉力試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)端，雙孢菇模型則通過(guò)夾持器固定在固定端。試驗(yàn)材料為樹脂材料打印的雙孢菇模型，直徑分別為25、35、45 mm，厚度分別為0.7、0.9、1.1 mm的柔性膜；直徑分別為200、20目的石英和直徑為3 mm的塑料球作為顆粒填充物。

圖17 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.17 Test platform

(1)拉脫力-柔性膜厚度關(guān)系試驗(yàn)

打開(kāi)真空泵，使電磁閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，通過(guò)負(fù)壓調(diào)壓閥調(diào)節(jié)負(fù)壓，待壓力調(diào)節(jié)完成后，將拉力試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)端下移，使末端執(zhí)行器與雙孢菇模型接觸并完成仿形，打開(kāi)電磁閥D1，使末端執(zhí)行器吸附雙孢菇模型，完成吸附后，在PC端上運(yùn)行雙孢菇拉脫力測(cè)試程序，拉力試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)端以10 mm/min的速度上移，逐漸脫離雙孢菇模型，直至移動(dòng)到最高點(diǎn)，點(diǎn)擊回零，拉力試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)端回到初始位置，在此過(guò)程中，PC端記錄的最大力即為末端執(zhí)行器的拉脫力。選擇直徑為200目的石英顆粒作為填充物，更換安裝厚度為0.7、0.9、1.1 mm的柔性膜，對(duì)直徑為 25 mm 的雙孢菇模型進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)。操作拉力試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行雙孢菇拉脫力測(cè)試程序，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)20次。

(2)拉脫力-顆粒直徑關(guān)系試驗(yàn)

選擇厚度為0.9 mm的柔性膜，更換安裝顆粒直徑為200、20目的石英和3 mm的塑料球，對(duì)直徑為25 mm的雙孢菇模型進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)。操作拉力試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行雙孢菇拉脫力測(cè)試程序，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)20次。

(3)拉脫力-雙孢菇直徑關(guān)系試驗(yàn)

選擇厚度為0.9 mm的柔性膜，直徑為200目的石英顆粒組成柔性仿形吸盤，更換安裝直徑為25、35、45 mm雙孢菇模型，分別在負(fù)壓為-70～-10 kPa時(shí)(壓力間隔為10 kPa)測(cè)出拉脫力，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)20次。

5.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

由拉脫力與柔性膜厚度關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果(圖18)可以得知，柔性膜厚度與拉脫力呈非線性關(guān)系，在同一負(fù)壓下，厚度為0.9 mm的柔性膜的拉脫力最大，1.1 mm次之，0.7 mm最差，表明過(guò)薄或過(guò)厚的柔性膜的吸附效果都不好。其原因是：過(guò)薄的柔性膜缺少穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生皺褶影響密封性，過(guò)厚的柔性膜的仿形能力不好，容易在接觸面之間產(chǎn)生縫隙影響密封性。

圖18 拉脫力與柔性膜厚度關(guān)系曲線Fig.18 Relationship curves between pulling force and flexible film thickness

由拉脫力與顆粒直徑關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果(圖19)可以得知，顆粒直徑和拉脫力呈負(fù)相關(guān)，在同一負(fù)壓下，顆粒直徑為200目的細(xì)石英的拉脫力最大，直徑為3 mm的塑料球次之，直徑為20目的粗石英最差。其原因是：不同直徑或形狀的顆粒的仿形能力不同，導(dǎo)致與接觸面之間的密封性不同，從而在相同負(fù)壓下的拉脫力不同。直徑為200目的細(xì)石英呈粉末狀，顆粒之間縫隙最小，與雙孢菇接觸之后，顆粒能夠根據(jù)雙孢菇表面輪廓進(jìn)行仿形，使接觸面之間具有良好的密封性；直徑為3 mm的塑料球表面光滑，形狀為規(guī)則的球體，這種物理特性使塑料球之間的摩擦力較小，與雙孢菇接觸之后，能夠快速移動(dòng)，對(duì)雙孢菇表面輪廓進(jìn)行仿形，但由于塑料球之間的縫隙較大，導(dǎo)致其仿形能力弱于細(xì)石英，接觸面之間的密封性也低于細(xì)石英；直徑為20目的石英直徑較大且形狀不規(guī)則，與雙孢菇接觸之后，顆粒移動(dòng)速度較慢，而且顆粒之間存在較大的縫隙，導(dǎo)致其仿形能力最弱，接觸面之間的密封性也最低。

圖19 拉脫力與顆粒直徑關(guān)系曲線Fig.19 Relationship curves between pulling force and particle diameter

由拉脫力與雙孢菇直徑關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果(圖20)可以得知，拉脫力與雙孢菇直徑呈正相關(guān)，同一負(fù)壓下，隨著菇蓋直徑的增大，拉脫力也逐漸增大；拉脫力與負(fù)壓呈近似線性關(guān)系，在拉脫力-負(fù)壓關(guān)系曲線中，其斜率為吸附的有效面積，而斜率在每個(gè)負(fù)壓間隔處都有波動(dòng)，表明吸附的有效面積也發(fā)生了變化，當(dāng)負(fù)壓小于-40 kPa時(shí)，3條折線均出現(xiàn)斜率變小的現(xiàn)象，可能的原因：在較高負(fù)壓和較大作用力下，吸盤表面發(fā)生變形導(dǎo)致邊緣漏氣，對(duì)拉脫力造成影響；吸盤的開(kāi)口直徑為25 mm，因此根據(jù)公式(1)計(jì)算出吸盤在各個(gè)負(fù)壓下吸盤吸力的理論值，但在實(shí)際試驗(yàn)中，拉脫力均大于理論值，其原因是：吸盤的拉脫力與吸附力大小相等，方向相反，吸附力由吸力和摩擦力組成，因此拉脫力大于吸力理論值；負(fù)壓相同時(shí)，隨著菇蓋直徑的增大，折線的斜率也逐漸增大，表明吸附的有效面積也隨著菇蓋直徑的增大而增大?？赡艿脑颍何P對(duì)菇蓋直徑較大的雙孢菇進(jìn)行仿形后，接觸面發(fā)生了變形，導(dǎo)致吸盤有效面積變大。

圖20 拉脫力與雙孢菇直徑關(guān)系曲線Fig.20 Relationship curves between pulling force and diameter of Agaricus bisporus

結(jié)合3個(gè)拉脫力試驗(yàn)可知，吸附負(fù)壓、雙孢菇直徑、柔性膜厚度和顆粒直徑的改變均會(huì)對(duì)吸盤的性能造成影響。改變?nèi)嵝阅ず穸然蝾w粒直徑會(huì)導(dǎo)致吸盤的仿形效果發(fā)生變化，當(dāng)柔性膜厚度為9 mm、顆粒直徑為20目的石英時(shí)吸盤的仿形效果最好。改變吸附負(fù)壓會(huì)導(dǎo)致相對(duì)壓力發(fā)生變化，改變菇蓋直徑會(huì)導(dǎo)致吸附的有效面積發(fā)生變化，這兩種變化都會(huì)對(duì)吸盤吸附力產(chǎn)生直接影響。

5.1.3標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤對(duì)比試驗(yàn)

目前常見(jiàn)吸盤為硅膠材質(zhì)，本文選用圖21所示的直徑為25 mm的標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤與柔性仿形吸盤(柔性膜厚度為9 mm、顆粒直徑為20目)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分別將兩個(gè)吸盤安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)直徑為25 mm雙孢菇模型進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，在負(fù)壓為-70～-10 kPa時(shí)(壓力間隔為10 kPa)測(cè)出拉脫力，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)20次。

圖21 兩種吸盤實(shí)物Fig.21 Two kinds of sucker objects

由圖22可知，在負(fù)壓相同時(shí)，柔性仿形吸盤的拉脫力大于標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤的拉脫力，并且隨著真空負(fù)壓的增大，標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤拉脫力的上升趨勢(shì)也逐漸減小。通過(guò)觀察兩種吸盤與雙孢菇模型的接觸情況可以發(fā)現(xiàn)：標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤和雙孢菇之間是平面與圓弧面之間的接觸，其接觸面形狀為平面，接觸面較小且接觸面之間的密封程度較差；而柔性仿形吸盤和雙孢菇之間是圓弧面與圓弧面之間的接觸，其接觸面形狀為圓弧面，接觸面較大且接觸面之間的密封程度較好。隨著真空負(fù)壓的增大，接觸面之間的密封程度對(duì)吸附力的影響會(huì)逐漸增大，使兩者的差值也越來(lái)越大。

圖22 兩種吸盤拉脫力試驗(yàn)曲線Fig.22 Pulling force test curves of two suction cups

5.2 雙孢菇采摘試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的雙孢菇采摘末端執(zhí)行器的實(shí)際應(yīng)用效果，在河南洛陽(yáng)奧吉特食用菌有限公司進(jìn)行了采摘試驗(yàn)。如圖23、24所示，試驗(yàn)使用柔性仿形吸盤和直徑為25、35、45 mm的標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤分別對(duì)200個(gè)直徑為25～50 mm的雙孢菇進(jìn)行采摘試驗(yàn)。

圖23 標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘試驗(yàn)Fig.23 Ordinary silica gel sucker picking test

圖24 柔性仿形吸盤采摘試驗(yàn)Fig.24 Flexible profiling sucker picking test

采摘試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，柔性仿形吸盤的采摘成功率為98.5%，25、35、45 mm的標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤的采摘成功率分別為90.5%、92.5%、86%；柔性仿形吸盤采摘的平均氣壓為-9.2 kPa，25、35、45 mm的標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘的平均氣壓為-10.3、-9.8、-11.7 kPa。試驗(yàn)結(jié)果表明：在采摘同一批雙孢菇時(shí)，柔性仿形吸盤所需負(fù)壓更低，采摘成功率更高。對(duì)采摘失敗的雙孢菇觀察后發(fā)現(xiàn)，這些雙孢菇形狀畸形或表面存在缺陷，標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤與這些雙孢菇的接觸面之間存在較大的縫隙，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行吸附，而柔性仿形吸盤在面對(duì)嚴(yán)重畸形或缺陷的雙孢菇時(shí)，也不能夠?qū)ζ渫瓿煞滦?，從而?dǎo)致采摘的失敗。

表2 采摘試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of picking test

采摘結(jié)束后，對(duì)人工采摘、柔性仿形吸盤采摘和標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘的雙孢菇進(jìn)行損傷檢測(cè)。損傷檢測(cè)結(jié)果如表3所示，其中人工采摘和柔性仿形吸盤采摘的雙孢菇表面均沒(méi)有明顯損傷，極少數(shù)雙孢菇表面出現(xiàn)輕微損傷；而標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘的部分雙孢菇表面出現(xiàn)輕微吸痕，少數(shù)雙孢菇表面出現(xiàn)明顯吸痕。綜合評(píng)定：人工采摘的采摘損傷率為1%，柔性仿形吸盤的采摘損傷率為2.5%，標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤的采摘損傷率為20.5%。

表3 損傷檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Damage detection results

在3種方式采摘的雙孢菇中，隨機(jī)各取出1個(gè)樣本進(jìn)行記錄。如圖25所示，放置2 h后，人工采摘和柔性仿形吸盤采摘的雙孢菇表面基本完整，沒(méi)有明顯受損痕跡；標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘的雙孢菇表面則有一道呈圓弧狀的吸痕；放置24 h后，3種方式采摘的雙孢菇表面的菌絲在空氣中氧化變?yōu)榈S色，除此之外，人工采摘的和柔性仿形吸盤采摘的雙孢菇表面基本沒(méi)有變化，而標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤采摘的雙孢菇表面的吸痕顏色加深。

圖25 樣本變化情況Fig.25 Sample changes condition

通過(guò)采摘試驗(yàn)結(jié)果得知：柔性仿形吸盤的采摘成功率為98.5%，高于標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤；柔性仿形吸盤采摘的平均氣壓為-9.2 kPa，低于標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤；柔性仿形吸盤采摘損傷率為2.5%，低于標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可知柔性仿形吸盤的采摘效果和控制性能均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤，且能夠滿足雙孢菇的采摘需求。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種雙孢菇柔性仿形采摘末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器由柔性仿形吸盤和氣動(dòng)回路組成，通過(guò)仿形提高接觸面之間的密封性，使吸附更加穩(wěn)定。采用單體柔性吸附的采摘方式，不僅避免了雙孢菇在自動(dòng)化采摘過(guò)程中的機(jī)械損傷，也為果實(shí)無(wú)損化采摘提供了新思路。

(2)對(duì)柔性仿形吸盤進(jìn)行了有限元仿真，通過(guò)吸盤仿形過(guò)程有限元仿真確定了吸盤的最佳開(kāi)口直徑，通過(guò)吸盤吸附過(guò)程有限元仿真得出了吸盤受應(yīng)力情況，結(jié)果表明吸盤的應(yīng)力集中區(qū)域呈圓環(huán)形，外層的顆粒為主要的受力對(duì)象。設(shè)計(jì)了采摘?dú)鈩?dòng)回路和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雙孢菇自動(dòng)化采摘。

(3)針對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行了拉脫力試驗(yàn)，結(jié)果表明拉脫力與吸附負(fù)壓、雙孢菇直徑、顆粒直徑均呈線性關(guān)系，與柔性膜厚度呈非線性關(guān)系。當(dāng)末端執(zhí)行器中柔性膜厚度為9 mm、顆粒直徑為20目的石英時(shí)仿形效果最好，并與標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤開(kāi)展了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明同等吸附力柔性仿形吸盤所需負(fù)壓更低。針對(duì)尺寸范圍為25～50 mm的雙孢菇進(jìn)行了采摘試驗(yàn)，柔性仿形吸盤的采摘成功率為98.5%，并對(duì)采后雙孢菇進(jìn)行了損傷檢測(cè)，柔性仿形采摘末端執(zhí)行器的采摘損傷率為2.5%。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的柔性仿形采摘末端執(zhí)行器具備適應(yīng)性強(qiáng)、抓取穩(wěn)定、損傷率低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足雙孢菇自動(dòng)化采摘需求。