蘿卜采收機(jī)械手的設(shè)計(jì)

摘要：為了提高蘿卜采收的自動(dòng)化程度，模擬蘿卜采收過(guò)程中的工藝步驟，設(shè)計(jì)了一款蘿卜采收機(jī)械手。對(duì)機(jī)械手采收部分的關(guān)鍵部件進(jìn)行了研究，包括機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由手爪、手腕、手臂、機(jī)座等組成，具有手臂回轉(zhuǎn)、升降、手臂擺動(dòng)、手腕旋轉(zhuǎn)共4個(gè)自由度。蘿卜采收機(jī)械手能依次完成蘿卜的拔取、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等動(dòng)作。為了使采收過(guò)程順利進(jìn)行，機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)，并結(jié)合PLC控制系統(tǒng)來(lái)提高該機(jī)械手的定位精度，實(shí)現(xiàn)蘿卜采收的自動(dòng)化過(guò)程。

關(guān)鍵詞：蘿卜采收；機(jī)械手；機(jī)械設(shè)計(jì)；控制設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S225.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）09-2248-04

目前，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率僅為17%，與發(fā)達(dá)國(guó)家存在很大的差距[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)施精確農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，以提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效率已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2，3]。果蔬的采收方法有手工采收、機(jī)械輔助采收和機(jī)械化采收3種[4，5]，世界蘿卜的總產(chǎn)量為4 900萬(wàn)t/年，其中中國(guó)680萬(wàn)t/年，國(guó)內(nèi)的采摘作業(yè)基本上都是手工進(jìn)行的，收獲作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著農(nóng)業(yè)設(shè)施的發(fā)展和作業(yè)機(jī)械化的要求，對(duì)蘿卜種植模式要求也越來(lái)越高，種植、管理和收獲的勞動(dòng)量也越來(lái)越大，亟需研究開(kāi)發(fā)果蔬收獲機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)果蔬的機(jī)械化、自動(dòng)化與智能化收獲[6，7]，為此，通過(guò)對(duì)蘿卜種植與采收情況的調(diào)研，設(shè)計(jì)了一款蘿卜采收機(jī)械手，以期為蘿卜的自動(dòng)化采收打下一定的基礎(chǔ)。

1 蘿卜采收機(jī)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)蘿卜采收過(guò)程的特殊性，為了提升蘿卜采收的工作效率，所設(shè)計(jì)的是一種農(nóng)業(yè)機(jī)械中的收獲機(jī)械手，由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其組成示意圖如圖1。

2 蘿卜采收機(jī)械手關(guān)鍵部位機(jī)械設(shè)計(jì)

蘿卜采收機(jī)械手的關(guān)鍵部位主要包括：1）手爪部位。手爪部位的主要工作是對(duì)蘿卜進(jìn)行抓取，為了減少手部由于慣性帶來(lái)的不平穩(wěn)性，此部位采用回轉(zhuǎn)的形式，而手爪只用兩根手指代替；2）手腕部位。手腕是連接手爪部位和手臂部位的關(guān)鍵地方，其主要工作是調(diào)整蘿卜的方位，使蘿卜被抓的時(shí)候可以進(jìn)行擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)，輔助蘿卜采收過(guò)程的連貫性；3）手臂部位。手臂部位的主要作用就是支承，在采收過(guò)程中帶動(dòng)其他部件運(yùn)轉(zhuǎn)，并按照采收要求將蘿卜搬運(yùn)到指定的位置，設(shè)計(jì)時(shí)只需要實(shí)現(xiàn)手臂部位的升降與擺動(dòng)即可。此次設(shè)計(jì)機(jī)械手應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能：蘿卜的挖掘、被挖掘的蘿卜轉(zhuǎn)移到指定位置，圖2為機(jī)械手的機(jī)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖。

2.1 機(jī)械手基本技術(shù)參數(shù)的選定

由于蘿卜生長(zhǎng)的自然環(huán)境決定了蘿卜采摘過(guò)程中所需要的拔取力，故需要對(duì)不同地方生長(zhǎng)的蘿卜進(jìn)行采收力的測(cè)定。把細(xì)繩系在蘿卜的莖葉或者根莖部位，細(xì)繩的末端連接計(jì)力器材，多次讀取并記錄最大拉力。圖3為湖北省長(zhǎng)陽(yáng)和沙洋兩個(gè)地區(qū)分組測(cè)試蘿卜拔取力的試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)取5組數(shù)據(jù)平均值F=80 N，蘿卜重量約為0.5kg，故重力G=5 N，摩擦系數(shù)f=0.2，夾緊力N=0.5 G/f，得N=12.5 N。

機(jī)械手手臂上下行程為500 mm，手腕旋轉(zhuǎn)角度90°，手臂旋轉(zhuǎn)角度90°，按照循環(huán)步驟安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，從而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，包括總的循環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等[8]，此次設(shè)計(jì)各動(dòng)作依序進(jìn)行，為保證蘿卜的質(zhì)量必須限制采摘速度及加速度，采摘速度初步定在小于1 m/s，此速度由各關(guān)節(jié)液壓缸流量控制保證。

2.2 機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

手部是用來(lái)直接握持蘿卜的部件，由于被握持蘿卜的形狀、尺寸大小、重量、表面狀況等的不同，根據(jù)實(shí)際要求，設(shè)計(jì)采用夾鉗式的手部結(jié)構(gòu)。夾鉗式手部結(jié)構(gòu)由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成，它對(duì)抓取各種形狀的物體具有較大的適應(yīng)性，常見(jiàn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往往通過(guò)滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊或放松[9]。由于抓取尺寸約為90 mm×240 mm的圓柱體，故采用夾鉗式平面指形結(jié)構(gòu)較為合適。

設(shè)計(jì)中機(jī)械手手爪在夾持蘿卜時(shí)，其夾握力分析簡(jiǎn)圖如圖4。為了增大夾握力，采取以下兩種方法：①設(shè)計(jì)鏟刀角度170°，以增加手指和蘿卜的接觸面積；②增大手指和蘿卜間的摩擦系數(shù)，為此采用較寬手指與蘿卜接觸，故此處f取0.2，將上述數(shù)值代入得：

N=■G=■×5=12.5N 公式（1）

式中，N為夾持蘿卜時(shí)所需要的握力；G為工件重量轉(zhuǎn)化的重力； f為摩擦系數(shù)。

考慮到在傳送過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生慣性力、振動(dòng)以及受到傳力機(jī)構(gòu)效率等的影響，故實(shí)際握力還應(yīng)按公式（2）計(jì)算[10]：

N實(shí)≥N·■ 公式（2）

式中，η為手部的機(jī)械效率，一般取0.85～0.95；k1為安全系數(shù)，一般取1.2～2.0；k2為工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按公式（3）估算[10，11]：

k2=1+a/g公式（3）

其中，a為抓取工件傳送過(guò)程中的最大加速度，g為重力加速度。

若取η=0.9，k1=1.5，k2按a=g/2計(jì)算，k2=1+a/g=1.5，則

N實(shí)≥N·■=12.5×■≈32 N 公式（4）

2.3 機(jī)械手腕部位的設(shè)計(jì)

機(jī)械手腕與機(jī)械手臂連接在一起，手臂運(yùn)動(dòng)結(jié)束后調(diào)整手腕的位置狀態(tài)，以此來(lái)提高蘿卜采收過(guò)程的拔取率。手腕部位的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該力求扎實(shí)緊湊，且轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。手腕也是末端執(zhí)行部位與機(jī)械手臂之間的橋梁，處于手臂部位的前端，手爪的末端，因此其承受載荷的性能直接關(guān)系到蘿卜的采收過(guò)程，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還要考慮其機(jī)械強(qiáng)度與剛度，并且要讓其布局合理。結(jié)合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出腕部位的結(jié)構(gòu)如圖5，其為典型腕部結(jié)構(gòu)中具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，直接用回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.4 機(jī)械手臂部位的設(shè)計(jì)

機(jī)械手的手臂部位是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手末端手爪進(jìn)行大尺度位姿變換的關(guān)鍵部件，即把末端手爪部分移動(dòng)到空間的指定地點(diǎn)。手臂部位的驅(qū)動(dòng)形式主要有液壓傳動(dòng)式和機(jī)械傳動(dòng)式兩種，由于手臂部位的大尺度工作范圍，以及工作中也需承受腕部和手爪部位的動(dòng)力載荷，而且其姿態(tài)調(diào)整的靈活性影響到機(jī)械手的定位精度，因此手臂部位采用液壓回轉(zhuǎn)缸的形式實(shí)現(xiàn)手臂的大尺度旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，如圖6所示的手臂結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸，實(shí)現(xiàn)小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從A-A剖視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片用鍵和轉(zhuǎn)軸連接在一起，定片和缸體用銷(xiāo)釘和螺釘連接，壓力油由左油孔進(jìn)入和右油孔壓出，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂部位的旋轉(zhuǎn)。

3 蘿卜采收機(jī)械手液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及PLC控制設(shè)計(jì)

3.1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從蘿卜采收的工藝過(guò)程可以得出，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的時(shí)候液壓系統(tǒng)中液壓油的壓力和流量不需要太高，設(shè)計(jì)使用電磁換向閥的液壓回路可以較好地提高采收過(guò)程的自動(dòng)化程度。從降低供油壓力的角度來(lái)分析，機(jī)械手的液壓系統(tǒng)可以采用單泵供油，而手臂部位的旋轉(zhuǎn)和位姿的調(diào)整等相關(guān)機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)供油。為了防止多缸的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生干涉和保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)非同步運(yùn)動(dòng)或者是同步運(yùn)動(dòng)，油路中的換向閥使用中位“O”型換向閥，夾緊缸換向選用二位三通電磁閥，其他缸全部選用“O”型三位四通電磁換向閥[12，13]。機(jī)械手臂位姿調(diào)整的過(guò)程中要求行程可變，在液壓缸的起動(dòng)和停止的過(guò)程中也需要緩沖，但由于回轉(zhuǎn)缸內(nèi)空間狹小，且回轉(zhuǎn)缸為小流量泵供油，故本系統(tǒng)沒(méi)有在回轉(zhuǎn)缸換向回路中采用緩沖回路，僅在大流量直動(dòng)液壓缸中采用緩沖回路。

在上述主要液壓回路定好后，再加上其他功用的輔助油路（如卸荷、測(cè)壓等油路）就可以進(jìn)行合并，完善為完整的液壓系統(tǒng)，并編制液壓系統(tǒng)動(dòng)作循環(huán)及電磁鐵動(dòng)作順序表，其中液壓原理圖如圖7。

3.2 PLC控制設(shè)計(jì)

為了讓機(jī)械手工作時(shí)可靠且有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，控制部分的設(shè)計(jì)思路是讓該機(jī)械手的部件順序動(dòng)作，所以，在任一時(shí)間該機(jī)械手都只有一個(gè)部件被驅(qū)動(dòng)，而各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)范圍都是受其結(jié)構(gòu)限制的[14，15]。PLC的狀態(tài)流程簡(jiǎn)圖如圖8所示，機(jī)械手在自動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)每一個(gè)周期需要完成以下動(dòng)作：蘿卜采摘開(kāi)始時(shí)，機(jī)械手被設(shè)定在準(zhǔn)備狀態(tài)，第一步為手臂下降；下降完成后，手爪扎入地下指定深度，進(jìn)行第二步手爪夾緊；為完成挖蘿卜動(dòng)作，手腕帶動(dòng)手爪及蘿卜旋轉(zhuǎn)90°；完成上述動(dòng)作后，機(jī)械手臂向上提升完成拔去動(dòng)作；手臂擺動(dòng)90°，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蘿卜的轉(zhuǎn)移；最后手臂回?cái)[，手腕回?cái)[，機(jī)械手回到初始狀態(tài)。

4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)機(jī)器人技術(shù)及機(jī)械手結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)蘿卜采收的過(guò)程進(jìn)行了研究，確定蘿卜采收機(jī)械手的整體方案結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)蘿卜采收機(jī)械手的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。蘿卜采收機(jī)械手能配合蘿卜采收機(jī)依次完成蘿卜的拔取、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等動(dòng)作，但該機(jī)械手在結(jié)構(gòu)及工作性能的穩(wěn)定性方面還需在田間進(jìn)行試驗(yàn)，控制方案有待根據(jù)不同地區(qū)的種植情況進(jìn)行優(yōu)化。

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