基于3D打印的柔性机械手研制及试验研究

高国华 董增雅 孙晓娜 王皓

摘   要：果实采摘是农业种植生产过程中最耗时费力的环节。为了实现果实的良好抓取，本研究设计了一款结构精简、具有自适应性的柔性机械手。该机械手由柔性手指、气动元件、手腕和底座组成，基于3D打印制作，装配简单。其中，气动元件和柔性手指由柔性材料TPU和PLA打印而成，手腕为具有柔性的一体件打印而成;利用气动元件的伸缩功能实现对手腕的驱动，带动柔性手指自适应变形抓取果实。结合常曲率变形和D-H坐标法建立了单手腕的运动学模型。在此基础上，进行了柔性机械手功能性验证试验和安全测试试验。试验结果表明，柔性机械手具有适应果实的形状进行自适应抓取的功能，对表皮较为脆弱的果实没有损伤;气动元件满足使用要求，可以完成对手腕的动作驱动。研究结果将为机械手柔性抓取结构的设计提供参考价值。

关键词：柔性机械手;3D打印;运动学;自适应;接触力

中图分类号：S233.4                  文献标志码：A             文章编号：201812-SA012

高国华， 董增雅， 孙晓娜， 王   皓. 基于3D打印的柔性机械手研制及试验研究[J]. 智慧农业， 2019， 1（1）： 85-95.

Gao G， Dong Z， Sun X， Wang H. Development and test of a flexible manipulator based on 3D printing[J]. Smart

Agriculture， 2019， 1（1）： 85-95.  （in Chinese with English abstract）

1  引言

我国是一个农业大国，水果产量巨大，2016年果树种植面积超过1700万公顷，年产量超过2亿吨[1]。果实采摘是整个种植生产过程中最耗时费力的环节，人工劳动强度大、生产成本高、生产效率低[2，3]。因此，要想降低劳动强度和成本、提高生产效率，实现农业现代化，必须要通过发展农业装备的机械化和智能化[4]。

近年来，国内外许多科研机构和学者在采摘机器人方面进行了大量的研究。20世纪90年代，日本Kondo和Ting[5]利用四自由度的工业机械臂研制了番茄采摘机器人，但是只能采摘整串番茄。2017年，Yasukawa等[6]通过体感摄像头的彩色与红外信息融合实现果实的识别，开发了简易的轨道式番茄采摘機器人样机。2016年日本Yaguchi等[7]设计的番茄采摘末端执行器，已实现精准定位采摘番茄，但采摘一个番茄需要80s。并利用双目视觉搭建了番茄采摘机器人，可实现自然光下温室浅通道内的采摘作业，单果的识别采摘周期为23s。2016年，本古里安大学[8]也进行了甜椒采摘机器人的开发，并应用小型体感摄像头实现果实的识别和定位。21世纪初，荷兰研制的多功能黄瓜采摘机器人，利用红外视觉识别系统探测黄瓜的位置[9-11]，在无人干扰的情况下自行采摘成功率达80%。2010年，日本研制了用于草莓收获的采摘机器人[12]，采摘成功率为54.9%，自动包装作业成功率97.3%。近年，欧洲学者基于机器视觉识别技术设计了自适应抓取结构的采摘机器人[13]，实现了甜椒采摘的抓握和摘取。日本高知技术大学[14]也对甜椒机器人开展了研究，开发了三直角坐标机械臂和剪刀式末端执行器的移动采摘机器人。国内对采摘机器人的研究较晚，但发展迅速。2016年，上海交通大学[15]开发了三自由度机械臂的双臂式番茄采摘机器人，提高了运动控制速度和工作效率。2017年，李长

勇等[16]研究了高架草莓采摘机器人，通过双目视觉定位，成熟草莓的识别率达95%。江西理工大学设计了脐橙采摘机器人[17]，基于双目视觉识别完成了果实识别和定位系统的搭建，华南农业大学的熊俊涛等人设计了多类型水果采摘机器人[18]，实现了柑橘的定位采摘。可见，视觉系统和末端夹持器是果实采摘研究的重要组成部分。

传统的末端夹持装置与对象之间一般是刚性接触，通过施加压力以产生摩擦力，从而实现抓持功能。虽然结构简单，但当载荷增大时，这类夹持器只能单纯采用增大接触压力、产生更大摩擦力的方式来提高抓持能力，从而对表皮脆弱的对象造成损伤。与传统刚性机械手相比，柔性机械手具有质量轻、体积小、速度高、负载能力强、能耗小、成本低等优点，具有广阔的市场前景。

采摘过程中，由于果实的外表较为脆弱，抓取过程中容易造成损伤，所以抓取结构需要具有一定的柔性[19]。国内外对柔性机械手的结构也已有了许多针对性研究。21世纪初，日本学者Noritsugu等[20]利用旋转型气动柔性驱动器制作了一种三指柔性手，可以实现柔性球的抓取。美国 Peter研制了番茄采摘机械手，利用吸盘和塑料软管通过绳驱动实现抓取[21]。国内鲍官军等[22]以气动柔性关节和扭转关节为基础设计了柔性三指柔性手，抓取过程具有良好的适应性和柔顺性。徐淼鑫等[23，24]提出了一种刚柔相结合的手爪方案，设计并制作了一种软体驱动三触手柔性手爪，可以实现对物体的抓持。金波和林龙贤[25]借助欠驱动原理研制了一款结构简单的末端执行装置，通过单驱动实现柔性手指抓取物体的功能。

3D打印是一种快速成型的加工方法，能够快速成型复杂的结构，既经济又节省时间，在机械手方面的应用也越来越多。2015年，Telegenov等[26]利用3D打印技术设计了一个夹持装置，证明打印材料的刚度和强度都可以满足要求。2017年，Mutlu课题组[27，28]基于3D打印技术制造了刚度可调的柔性手指，通过施加负压带动波纹管达到弯曲状态实现对物体的抓取。2017年陆叶[29]利用3D打印对单臂轮式机器人的硬件结构进行制造，实现了复杂的原型设计，缩短了开发周期。2018年傅思程等[30]设计了基于3D打印技术的仿人机械手，选用工程塑料ABS作为打印材料，通过鱼线和皮筋实现手指的驱动。2018年，马怀振等[31]采用3D打印并装配了欠驱动末端夹持器，能平稳地实现抓取功能。

综合国内外研究现状，机械手结构多种多样[32-36]，柔性结构在采摘机器人作业过程中至关重要。因此，本文基于3D打印柔性材料设计了一款结构精简、具有自适应性的柔性机械手，并以橙子等6种对象进行了抓取安全验证，试验表明该机械手实现了能够自适应抓取对象，抓取过程中贴合状态良好，为柔性抓取机构的设计和研究提供了参考。

2  柔性机械手结构设计及工作原理

机械手具有良好的自适应抓取功能，主要由柔性手指和手腕保证自适应性。基于柔性材料3D打印加工的机械手，质量轻巧、装配方便，不带传感器、控制简单，采用气压驱动、动作迅速简单，抓取果实后下落到中空通道内，简化了动作流程，提升了工作的高效性。

利用SolidWorks软件进行了机械手结构设计，如图1所示，它主要由3个柔性手指、2种气动元件、3个手腕和1个底座组成。柔性手指为三角形结构，与手腕固连，间隔120°，分布在圆环状的底座周围。气动元件包括抓取气囊和吞咽气囊。手腕设计为一体件，它的上、下两部分均可弯曲。下部分安装有抓取气囊，上部分安装有吞咽气囊，在气囊的驱动下进行弹性弯曲变形，当完成抓取后，手腕恢复至原状。手腕顶端和柔性手指底端通过燕尾槽连接，装配牢固可靠。柔性手指和驱动元件为TPU（热塑性聚氨酯弹性体）材料打印而成，其余零部件均由PLA（生物降解塑料聚乳酸）材料打印而成。

气压驱动具有气动成本低、气源方便、动作迅速、安全可靠等优点，是常用的机械手驱动方式，考虑到可将驱动源后置，使得作为机器人末端结构的机械手质量更加轻便。本研究设计了驱动手腕弯曲运动的抓取气囊和吞咽气囊等具有良好的灵活性和操作性的气动元件进行机械手的抓取控制。抓取气囊和吞咽气囊协调驱动，带动手腕弯曲，即通过柔性手指底部施加外力，利用力的可传递性和柔性体的变形，柔性手指发生弯曲变形，在横梁的牵引下，柔性手指内外两侧均发生弯曲变形，对球形物进行自适应抓取。

机械手的柔性主要通过柔性手指和手腕来保证。气动元件具有良好的灵活性，能够提供手腕弯曲的动力，手腕的弯曲与柔性手指协调配合，实现机械手抓取对象的功能。

抓取开始阶段，气泵通过真空发生器向抓取气囊和吞咽气囊充入负压气体，气囊均处于压缩状态，柔性手指处于打开状态。接触作用对象进行抓取时，吞咽气囊继续充入负压气体处于压缩态，而抓取气囊则充入正压气体达到设定值后保持不变，此时带动手腕下部分弯曲，使设置在底座上的各个柔性手指的下部聚拢，柔性手指聚拢后将物体夹持住，同时柔性手指进行自适应变形，这样才能够进行贴合包裹，不損伤果实，完成抓取功能。

3  机械手运动学分析

利用D-H方法通过关节变量求解出机械手的笛卡尔坐标空间位姿[37]，是一种常用的研究机器人运动学的方法。通过依次变换可最终推导出末端执行器相对于基坐标系的位姿，从而建立机器人的运动学方程。本研究按照D-H坐标系建立的规则，进行机械手的分析与求解。一方面验证结构设计的正确性，另一方面也是机械手理论分析、轨迹规划的基础。手腕下部分相对于底座存在一个转动，手腕上部分相对于中间较厚的部分存在一个转动，故整个手腕有两个转动自由度。以变形效果为依据，手腕不发生弯曲变形的较厚部分直接简化成连杆，发生弯曲变形的两部分简化成常曲率圆弧，柔性手指直接简化成连杆。

平面四连杆柔性机械手示意图如图2所示，连杆1长度b1，连杆2长度a，连杆3长度b2，连杆4长度l3。坐标系如图所示，其中（x0，y0）为基础坐标系，固定在基座上;（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）、（x4，y4）为连体坐标系，分别固结在连杆1、2、3、4并随它们一起运动。关节角顺时针为负，逆时针为正。假定z0、z1、z2、z3垂直于纸面向外，运用D-H方法建立单手腕的运动学方程。

通过连杆坐标系可以得到柔性机械手的连杆参数，如表1所示。

经D-H坐标法得到第i个坐标系相对于第i-1个坐标系的齐次变换矩阵分别为：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中，T为变换矩阵，θ为旋转角，（°）;a为连杆2的长度，mm;b1为连杆1的长度，mm;b2为连杆3的长度，mm。

由此可知，第4个连杆相对于基坐标系的变换矩阵为：

（5）

那么，连杆4末段点在基础坐标系中的位置矢量为：

（6）

其中，L3为连杆4的长度，mm。

θ1234=θ1+θ2+θ3+θ4，θ123=θ1+θ2+θ3，θ12=θ1+θ2

即端点坐标为：

（7）

（8）

若b1为圆心角α1对应的弦长，L1为对应的弧长，b2为圆心角α2对应的弦长，L2为对应的弧长，由弦长公式得：

（9）

（10）

由平面几何关系可以得到θ1，2与α1，2的关系：

（11）

最后得到柔性手指的端点坐标：

（12）

（13）

其中，

L1=42mm  L2=28mm  L3=102mm  a=60.67mm

假设给定关节变量α1、α2的值，利用上式就可以计算出柔性机械手的位姿。即通过抓取对象的大小确定关节变量的值，从而得到机械手的位置和姿态。

4  柔性机械手试验研究

4.1  柔性机械手平台搭建

柔性机械手的手腕、底座的打印材料为PLA，PLA可以提供足够的材料强度;柔性手指、抓取气囊、吞咽气囊的打印材料为TPU，TPU可以提供足够的弹性和柔软性。以上两种材料均是绿色可再生材料，能够自然降解且重量轻[38]。

采用九悦卓飞公司生产的 X600 型3D打印机进行加工制作。首先利用SolidWorks2014软件对需要打印的零件进行三维建模，另存为.stl文件导入开源软件Cura14.07进行打印模式设置的准备工作。本研究设置的3D打印机参数如下：层高为0.2mm，外壳厚度为0.8mm，填充密度为40%，打印速度为60mm/s。为保证充足的层间黏连，打印温度为210℃。但打印氣动元件的气密性要求高，故设置层高为0.1mm，填充密度为60%。

组装柔性机械手，并通过滑台和铝型材将其安装在可实现全方向自由移动的四轮平台上。柔性机械手在竖直滑台上可以实现上下移动。

将测试目标对象置于左、右水平排列的相机正前方，两相机中心点距离设置为120mm，实验平台示意图如图3所示。通过相机识别悬挂在横梁上的抓取对象。

柔性机械手样机的元器件包括气管接头和真空发生器。抓取气囊连接的气管接头为直通气管接头PU-06。为了节省空间，减小手腕的尺寸，吞咽气囊连接的气管接头为直角90°弯头PV-06。气动元件具有良好的伸缩性，充入气体即可膨胀伸长;收缩需要真空发生器的协助。

对样机进行抓取试验之前，预先用细线绳将抓取对象连接在固定架上，通过双目视觉系统获得目标果实的世界坐标，机器人控制系统驱动机械手到达目标位置。然后，驱动元件运行，对位于正上方的目标果实进行抓取。利用Alied Vision公司生产的Manta G-283B/C型号的相机试验过程进行拍摄记录，以观察柔性机械手的变形情况。

4.2  机械手柔性验证试验

机械手的柔性主要通过气动元件和柔性手指来体现。本试验以抓取橙子为例验证柔性机械手的柔性抓取效果。抓取橙子的试验过程图4所示。

（1）如图4（a）所示，抓取橙子时，吞咽气囊充入负压气体处于压缩状态，抓取气囊充入正压气体带动手腕弯曲，使设置在底座上的各个柔性手指的下部聚拢，各个柔性手指聚拢后将物体夹持住，同时柔性手指进行自适应变形，完成抓取功能。

（2）包裹对象过程如图4（b）所示，抓取气囊持续输入正压气体保持速度不变，吞咽气囊充入正压气体，达到设定值。此时，柔性手指底端间距稍微变大，柔性手指指尖聚拢，使得柔性手指适应球形物发生变形，完成包裹。

（3）如图4（c）所示，抓取对象下落，吞咽气囊充入正压气体至设定值保持不变，减小抓取气囊正压气体。此时，柔性手指的上部微微聚拢，柔性手指底端间距变大，抓取对象下落。

（4）减小吞咽气囊正压气体，柔性手指打开恢复至气囊自由状态下。此时，抓取气囊和吞咽气囊均充入负压气体处于压缩状态，柔性手指处于打开状态，如图4（d）所示。

通过机械手抓取橙子的试验可以发现，机械手与橙子接触过程中，贴合状态良好，柔性手指可以适应橙子的外形进行自适应变化，气动元件变化灵活，操作方便。机械手可以顺利实现对象的抓取、包裹和吞咽，说明柔性手指和气动元件可以实现预期的变形，抓取完后柔性机械手又恢复至原态，满足柔性设计要求。

4.3  最大接触力安全测试试验

为了验证在气囊输入最大压力的时候，即设定抓取气囊的压力值为0.25Mpa，设定吞咽气囊的压力值为0.12Mpa时，柔性手指和抓取对象产生的接触力是否会对抓取对象造成损伤，进行最大接触力的安全性测试试验。

本试验采用薄膜压力传感器FSR402作为手指与抓取对象之间接触力信号的检测元件。选取6种表皮脆弱程度不同的抓取对象，直径范围在25～110mm之间，每种选取5个样本，求取平均值。抓取对象参数如表2所示，测量抓取和吞咽过程中的最大接触力。

按照柔性机械手的运动过程，对不同的球状物体进行抓取吞咽测试。当抓取对象位于柔性机械手中间，仅在抓取气囊充气时抓取球形物体，当抓取和吞咽气囊均充入正压气体处于伸长状态，如图5所示，可以发现柔性手指适应球形物发生弯曲变形，包裹效果良好。

抓取成功之后释放球状物体下落顺利（无碰撞现象），并利用摄像机对整个过程进行拍摄记录。每个对象抓取3次，拍摄3次，一方面为机械手的变形研究提供角度等数据;另一方面为了仔细观察每次柔性吞咽机械手的运行情况，同时，人工检查吞咽后抓取对象的完好程度，对抓取吞咽效果进行评价。

通过样机试验结果表明，抓取对象下落到柔性机械手装置内部，抓取和包裹过程中柔性手指变形良好，气动元件灵活，而且对果实表皮没有造成损伤。

安全测试最大接触力测量结果如表3所示。因为气动抓取的过程十分迅速，接触过程中变化较快，故直接求取抓取和吞咽过程中的最大接触力，当抓取状态稳定后读取数值，从而求得接触力。在测试试验过程中，可以发现对于番茄和网球直径偏小的抓取对象，最大接触力产生在抓取过程中;其余抓取对象的最大接触力产生在包裹的过程中。可见，在抓取范围内，直径偏小的抓取对象是否会造成破坏，主要关注点应在抓取过程中;直径偏大的对象则主要关注包裹过程中。

由于试验设定了抓取气囊和吞咽气囊的最大压力值分别是0.25Mpa和0.12Mpa，也就是说此种状态下机械手提供的接触力大小相差不大，最大接触力差值是接触表面粗糙度、果实外皮韧性、直径大小等造成。此试验在抓取橙子的过程中产生的最大接触力是1.98N。机械手与目标对象接触的过程中进行自适应变形，其中脆弱的番茄表皮也没有损伤，说明该设计基本满足安全可靠设计要求。

从试验中还可以发现，对于上述选取的抓取对象重量最大的是梨，但是最大接触力却是机械手与橙子接触过程中产生的，这说明柔性手指在接触过程中的变形不是简单的线性变化，而是与接触表面粗糙度、果实外皮韧性、果实的大小等因素密切相关的复杂的变形理论，有待进一步研究。

5   结论

基于3D打印技术设计了一款具有自适应抓取功能的柔性机械手，其结构主要由柔性手指、手腕、底座和气动元件组成。将手腕的柔性弯曲部分等效成常曲率圆弧，完成了单手腕四杆的运动学分析。

搭建了柔性机械手抓取测试试验平台，进行功能验证试验，并选择6种代表性球状物体为例对抓取性能进行了安全测试。试验结果表明，机械手可以按照预期设计完成与抓取对象的良好贴合抓取，保证了果实表皮完好无损，抓取过程安全可靠，满足设计要求。

基于3D打印的柔性机械手及自适应抓取，使得抓取对象的效果越来越优化。3D打印是研究柔性机械手的一种很有价值的方式。借助3D打印制造的柔性更高、通用性更强的机械手将对柔性机器人及农业生产领域的发展起到促进作用具有参考价值。

对于机械手不同角度抓取对象是否牢固可靠，是下一步的研究内容;对于抓取过程中的柔性变形理论有待进一步分析。

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Development and test of a flexible manipulator

based on 3D printing

Guohua Gao， Zengya Dong*， Xiaona Sun， Hao Wang

（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology， Beijing University of Technology，

Beijing 100124， China）

Abstract： With the development of computer and automation control technology， robots have gradually entered the field of agricultural production. The application of agricultural robots can improve labor productivity， product quality and working conditions， solve the problem of labor shortage， and promote the intellectualization of agricultural production process. Fruit harvesting is the most time-consuming and laborious part of agricultural production. Since the skin of fruit is relatively fragile， it is easy to cause damage in the process of grasping. Therefore， some flexibility is necessary for the grasping device. As the end of the picking， robot directly acts on the part of the grasping object， the manipulator has attracted more and more attention of scientific researchers because of its light weight， small size， low energy consumption， high flexibility and low cost. Manipulator is the core component of robot， which is installed on the end of picking robot and acting on the object directly. In order to improve universality and flexibility， reduce the damage to the fruits， and shorten the design cycle， the flexible manipulator with simple structure and self-adaptive function was designed to achieve favorable grasp of fruits. The manipulator developed based on 3D printing has the advantages of rapid prototyping， low experimental cost and easy to assemble， etc. Flexible manipulator consists of flexible finger， wrist， base and pneumatic components. Its general action process is opening， grasping， moveing and putting down. However， flexible manipulator combines the two processes of moving and putting down into swallowing， which reduces the execution of the motion and improves the grasping performance and efficiency of the manipulator. Pneumatic components and wrist were printed from flexible materials and the material is thermoplastic urethane and polylactic acid respectively. The wrist is an integral part with flexibility. The use of pneumatic components can achieve the wrist bending， driving flexible fingers self-adaptive deformation to grasp the fruit. The manipulator is placed on the vertical sliding platform of the four-wheel platform， which can move up and down， and the four-wheel platform can move freely in all directions. The single wrist has two rotational degrees of freedom. The kinematics model of single wrist was established by combining constant curvature deformation and D-H coordinate method. On this basis， the functional validation test and safety test of flexible manipulator were carried out. In the safety test， the thin pressure sensor was used as the detection element of the contact force signal between the finger and the grasping object. The experiment results show that the pneumatic components of the flexible manipulator meet the design requirements and the driving wrist is flexible. The manipulator has certain flexibility， and can adapt to the shape of the fruit for self-adaptive grasping. The self-adaptive grasping effect of the manipulator is remarkable， and the fruit skin is intact. Moreover， the flexible manipulator has a favorable self-adaptive function based on the structural design and the complexity of the control system is deduced. In addition， it will provide reference for the design of the flexible grasping mechanism.

Key words： flexible manipulator; 3D printing; kinematics; self-adaptive function; contact force