Design and evaluation of a hybrid fin-ray finger with inflatable soft pads for apple harvesting under leaf interference

本文介绍了一种混合鳍条手指（Hybrid Fin-Ray Finger，HFRF）的设计、建模与实验验证，该手指集成了分段式充气Dragon Skin 30硅胶膜垫，用于自适应且无瘀伤的机器人苹果采摘。在杂乱的树冠环境中采摘果实，需要在轻柔接触以防止瘀伤与足够的拉拔和分离力矩之间取得平衡。然而，传统鳍条手指通常表现出有限的抗扭性能、不均匀的力分布以及减小的接触面积，导致滑移和果实表面的局部压力集中。为克服这些局限，我们将充气软膜垫集成到鳍条结构中，增大了有效手指宽度，并改善了表面贴合性和压力分布。我们建立了一个解析模型来预测膜变形和接触角随内部压力的变化关系，并通过有限元仿真和实验测试对结果进行了验证。压敏膜实验表明，Dragon Skin 30在30 kPa充气压力下，相较于未充气配置，接触面积增大了40%，平均接触压力降低了11%；而EcoFlex 00–30在压力下表现出体积膨胀，在测试范围内降低了贴合接触。性能评估在三种标准化叶片干扰条件（0%、50%和100%遮挡）下使用真实Pink Lady苹果叶片进行，并采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和Tukey HSD事后比较进行统计分析。在30 kPa且无叶片干扰条件下，法向分离力相较于无膜垫配置增大了148%，扭转力矩相较于未充气条件增大了58%，同时保持了高于分离阈值的性能。在完全叶片遮挡条件下，无论充气压力如何，扭转性能均崩溃，表明完全树冠遮挡是抗扭性能的主要限制因素。这些结果证实，所提出的HFRF提供了压力自适应、抗滑移和减轻瘀伤的抓取性能，适用于非结构化果园环境中的机器人苹果采摘。