扇貝臟器氣吸分離裝置柔順臂動力學(xué)特性分析

李　娜，姜海勇，張先鵬，弋景剛（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，保定 071001）

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扇貝臟器氣吸分離裝置柔順臂動力學(xué)特性分析

李娜，姜海勇，張先鵬，弋景剛
（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，保定 071001）

摘要：為了實現(xiàn)扇貝高效低損的自動化生產(chǎn)，針對扇貝臟器負壓吸取分離方式，提出一種基于大變形分布式柔順機構(gòu)的氣吸分離驅(qū)動結(jié)構(gòu)。建立柔順驅(qū)動臂偽剛體模型，將其等效為具有欠驅(qū)動關(guān)節(jié)的多剛體系統(tǒng)；并基于影響系數(shù)法建立柔順臂等效多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)模型，對等效多剛體系統(tǒng)中主、被動關(guān)節(jié)間運動進行動力學(xué)解耦，得到了系統(tǒng)的二階非完整約束方程，推導(dǎo)出了等效欠驅(qū)動關(guān)節(jié)加速度與主動關(guān)節(jié)輸入驅(qū)動力矩的表達式；在此基礎(chǔ)上，對分布式柔順臂的動力學(xué)特性進行仿真分析與樣機試驗，結(jié)果表明：利用柔順臂的復(fù)合彈性變形，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角≤56°時，柔順臂帶動吸管垂直上升實現(xiàn)臟器吸?。划?dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角≥61°時，吸管開始明顯傾斜，吸管底面與水平夾在25°～30°之間，滿足傾斜卸壓要求，試驗結(jié)果與仿真分析基本一致。分離裝置基于柔順機構(gòu)運動特性，可有效簡化設(shè)備機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，降低成本與能耗，研究結(jié)果為扇貝自動化生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：建模；動力學(xué)；試驗；扇貝臟器氣吸分離裝置；分布式柔順臂；影響系數(shù)法

李娜，姜海勇，張先鵬，弋景剛. 扇貝臟器氣吸分離裝置柔順臂動力學(xué)特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（2）：244－251.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.035http://www.tcsae.org

Li Na， Jiang Haiyong， Zhang Xianpeng， Yi Jinggang. Dynamic characteristic analysis of distributed-compliant arm in vacuum suction device for scallop viscera separation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 244－251. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.035 http://www.tcsae.org

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0　引　言

雙殼貝類是中國主要經(jīng)濟貝類之一，其閉殼肌亦稱貝柱，不但營養(yǎng)豐富，而且還有很多保健功能，具有重要的食用價值和經(jīng)濟價值[1-3]，是海灣扇貝養(yǎng)殖的主要經(jīng)濟產(chǎn)品。海灣扇貝的閉殼肌呈圓柱狀，其兩端面分別粘連在兩個貝殼的內(nèi)壁上，外套膜附著在貝殼的邊緣，呼吸器等臟器附著在閉殼肌的周圍，內(nèi)臟結(jié)構(gòu)復(fù)雜且與閉殼肌結(jié)合緊密，不易分離。

人工采集閉殼肌，均采用刀具勾挑內(nèi)臟團分離的方式進行，會在閉殼肌上留下刀痕，影響產(chǎn)品的經(jīng)濟價值[4]。閉殼肌自動化采集通常采用2種方式：機械式剝離和非機械式剝離[5-6]。機械式剝離采用純機械裝置對閉殼肌和臟器套膜進行強制性剝離，但這種方法常對閉殼肌造成撕裂等損傷，成品率低[7-8]；非機械式剝離則通過熱處理[9-11]、化學(xué)試劑處理、超高壓技術(shù)[12]等方式作用于扇貝，達到閉殼肌與臟器自動分離的目的，但這種方法由于對閉殼肌進行了一定的熱加工，會破壞閉殼肌的營養(yǎng)成分[13-16]。因此海灣扇貝閉殼肌與內(nèi)臟的低損分離成為實現(xiàn)其自動化采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

針對閉殼肌自動化剝離中的損傷問題，齊曉娜等提出以負壓吸取方式實現(xiàn)閉殼肌與內(nèi)臟團的分離[17]。氣吸式扇貝臟器分離裝置由吸管與驅(qū)動機構(gòu)構(gòu)成，由于受限于工作空間，采用傳統(tǒng)剛性機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜的吸管位姿控制困難，因此基于柔順機構(gòu)依靠自身彈性變形來輸出運動和力，在結(jié)構(gòu)上少有甚至沒有運動副的特點[18-20]，本文提出分布式柔順臂為主體的吸管驅(qū)動機構(gòu)，簡化機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度?；趥蝿傮w模型法[21]，本文建立柔順臂的動力學(xué)模型，并進行動力學(xué)解耦得到了系統(tǒng)的二階非完整約束方程，推導(dǎo)等效關(guān)節(jié)加速度與輸入驅(qū)動力矩的表達式；在此基礎(chǔ)上，對分布式柔順臂的動力特性進行仿真分析與樣機試驗，為扇貝自動臟器分離設(shè)備的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1　氣吸式分離裝置工作原理及結(jié)構(gòu)

分離裝置以負壓吸取的方式將內(nèi)臟團和外套膜從前工序處理的半殼貝中取出，僅留存閉殼肌于該側(cè)貝殼內(nèi)。所謂半殼貝即一側(cè)貝殼與閉殼肌分離后，閉殼肌和扇貝臟器以及外套膜留存在另一側(cè)貝殼內(nèi)。試驗表明氣吸過程中吸管在內(nèi)臟區(qū)域建立負壓后必須驅(qū)動吸管的管口快速抬起，以提供足夠的爆發(fā)力，才能將內(nèi)臟從閉殼肌上脫離下來。

1.1分離裝置工作原理

氣吸式扇貝臟器分離裝置的吸取過程主要由吸管接近目標(biāo)建立負壓、吸取內(nèi)臟垂直上升、傾斜卸壓3個階段構(gòu)成，如圖1所示。

吸管彈起階段是實現(xiàn)內(nèi)臟負壓吸取的關(guān)鍵。在吸管接觸目標(biāo)物并建立負壓后，如果吸管發(fā)生傾斜會造成負壓迅速減弱，就會導(dǎo)致吸取過程缺乏爆破力從而吸取效果差，甚至吸取失敗。為了在吸取臟器的開始階段保持強勁的沖擊氣流，吸管口要垂直上升一段距離，其間保持吸管口水平，前期試驗表明，垂直上升階段的行程應(yīng)不小于10 mm，本文設(shè)定為13 mm，如圖1b所示。吸取過程后段，吸附管口軸線應(yīng)偏離目標(biāo)物，以保證目標(biāo)物脫離負壓的吸附作用力，結(jié)束內(nèi)臟吸取過程。試驗表明偏斜卸壓位置的垂直行程應(yīng)不小于45 mm，偏斜角度不小于22°，本文分別設(shè)定為50mm和26°，如圖1c所示。

圖1　吸取過程吸管與扇貝相對位置示意圖Fig.1　Schematic diagram of relative position between suction tube and scallop through suction procedure

1.2分離裝置主要結(jié)構(gòu)

氣吸式扇貝臟器分離裝置主要由伺服電機、分布式柔順臂、吸管、固定隔板等組成，如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2　氣吸式扇貝臟器分離裝置Fig.2　Vacuum suction device of scallop viscera separation

表1　主要技術(shù)參數(shù)Table 1　Main technical parameters

分離過程中，吸管與負壓設(shè)備相連，半殼貝放至于固定隔板下方并與吸取孔對齊，控制系統(tǒng)輸出信號控制伺服電機加速旋轉(zhuǎn)，伺服電機通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)帶動柔順臂旋轉(zhuǎn)，吸管迅速完成垂直上移和偏斜卸壓，將內(nèi)臟團從貝殼中吸取出來。

吸管的直徑受限于扇貝貝殼的大小，以殼高在45～55 mm之間的海灣扇貝為例，其外套膜處于貝殼邊緣內(nèi)側(cè)3～5 mm的范圍內(nèi)，臟器與外套膜之間還有5～8 mm的距離。試驗表明，臟器分離的力最大約為3 N。針對這一規(guī)格的扇貝，選取進風(fēng)口直徑為36 mm，吸管壁厚為0.8 mm，各零件均采用不銹鋼制作。

2　分布式柔順臂偽剛體建模

扇貝臟器負壓分離裝置中的柔順臂為典型的分布式曲線型全柔順機構(gòu)[22-23]，在工作過程中，通過此柔順構(gòu)件的受力變形來實現(xiàn)吸管對扇貝臟器的分離動作。由于柔順臂存在非線性變形，所以線性梁方程不再適用，本文采用基于等效力-變形關(guān)系的偽剛體模型法對柔順臂進行運動特性分析。首先建立柔順構(gòu)件偽剛體模型，進行偽剛性段劃分，及關(guān)節(jié)等效扭簧常數(shù)計算。

取柔順臂構(gòu)件橫截面中心點連線作為描述其形狀的函數(shù)曲線，以分段函數(shù)形式進行曲線擬合。以柔順臂與主動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸連接點為原點，豎直截面內(nèi)水平和豎直方向分別為x、y軸，建立坐標(biāo)系；通過對獲得的橫截面中心點連線上各點的數(shù)據(jù)進一步擬合，可得到其形狀曲線的分段函數(shù)表達式

由于分布式全柔順機構(gòu)的彈性變形存在于整個機構(gòu)中，因此理論上其等效關(guān)節(jié)可以位于柔順構(gòu)件的任意位置，即偽剛性段段長可以任意劃分。但不同的劃分方法對偽剛體模型精度的影響很大，因此合理劃分偽剛性段是分布式柔順機構(gòu)偽剛體建模的重要前提。本文基于分布式全柔順機構(gòu)的幾何形狀、剛度分布的偽剛性段劃分的2個原則[24]，對柔順構(gòu)件進行偽剛性段劃分。

根據(jù)柔順機構(gòu)形狀尺寸，初選偽剛性段數(shù)N＝13，已知形狀曲線的總弧長為0.338 m，則平均弧長為＝0.026m，弧長限制最大值smax＝0.05 m，最小值smin＝0.005 m。用等效剛性直桿連接各偽剛性段兩端點獲得偽剛體模型如圖3所示。其中，與伺服電機相連的為主動關(guān)節(jié)1，其后依次為等效的被動關(guān)節(jié)2～13，對應(yīng)偽剛性段為1～13，第13段偽剛性段與吸管相連，長度與吸管截面直徑相等。

由于曲線型、變剛度的分布式全柔順機構(gòu)，其偽剛體模型是具有彈性儲能關(guān)節(jié)的串聯(lián)多剛體系統(tǒng)，關(guān)節(jié)間運動存在耦合，所以在計算這種柔順機構(gòu)的等效關(guān)節(jié)扭簧常數(shù)時，結(jié)合僅含單個等效關(guān)節(jié)的直線型、等截面的分布式全柔順機構(gòu)偽剛體建模，等效關(guān)節(jié)扭簧常數(shù)根據(jù)計算公式修正獲得。

圖3　分布式柔順臂構(gòu)件的偽剛性段劃分Fig.3　Pseudo-rigid-segment partition of distributed-compliance fully compliant arm

柔順臂材料采用彈簧鋼，彈性模量為E＝210 GPa，橫截面寬為b＝0.03 m，厚度為h＝0.002 m，基于劃分段數(shù)N＝13，可得各偽剛性段主要參數(shù)，如表2所示。

表2　偽剛性段主要參數(shù)Table 2　Main parameters of pseudo-rigid-segments

通過上述分析中所建立的柔順臂的偽剛體模型，柔順臂等效成為彈性欠驅(qū)動多剛體系統(tǒng)，其實質(zhì)上是具有二階非完整約束的動力系統(tǒng)，系統(tǒng)通過關(guān)節(jié)間動力耦合作用實現(xiàn)運動，一般基于動力學(xué)方程進行控制[25-26]，因此必須首先建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程，在此基礎(chǔ)之上分析系統(tǒng)動力特性，是對此類機器人進行有效控制的前提。

3　柔順臂基于偽剛體模型的動力學(xué)建模

根據(jù)動力學(xué)普遍方程，可得開鏈多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)模型為

令vk＝Gk表示第k等效剛體三維運動速度矢量，、、分別表示第i等效關(guān)節(jié)的廣義坐標(biāo)位移、速度、加速度，則θ＝[ θ1θ2… θn]T，＝[…]T和＝[…]T分別為系統(tǒng)的廣義位移、速度和加速度矢量；對等效剛體k的速度vk求導(dǎo)得到三維加速度Ak表達式

矩陣Hk是對應(yīng)等效剛體k的二階影響系數(shù)矩陣，它是一個以n維矢量為元素的n× n維矩陣。Hk的第i行第j列元素為三維矢量，是廣義坐標(biāo)的函數(shù)。

由此，式（6）右邊第二項寫成

其中Gn與Gn－1分別表示末端等效剛體n與第n-1等效剛體的一階影響系數(shù)。

綜合上述公式，可得柔順臂的等效彈性欠驅(qū)動多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)模型

4　基于動力學(xué)解耦的運動分析

令θɑ＝ θ1，θu＝（θ2，…， θn）T，分別表示等效多剛體系統(tǒng)中主動關(guān)節(jié)1角度矢量和等效被關(guān)節(jié)的角度矢量，則系統(tǒng)的關(guān)節(jié)角度矢量可表示成θ＝（ θɑ， θu）T；相應(yīng)角速度和角加速度矢量可表示為˙＝，）T，＝，）T；設(shè)關(guān)節(jié)1加速度，為已知輸入控制量，關(guān)節(jié)1力矩為Tɑ＝ T1，其他等效被動關(guān)節(jié)輸入力矩Tu＝0。

令Gkɑ＝（gk，1）、Gku＝（gk，2…gk， n）分別為主動關(guān)節(jié)1與被動關(guān)節(jié)的一階影響系數(shù)，則動力學(xué)模型中的慣性矩陣分解得

Christoffel張量C可表示為

同理，進一步分解得

此外，重力矩與末端外力矩可解耦為下面形式

關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動力矩可解耦為

其中，θɑs表示主動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的輸入轉(zhuǎn)角矢量，ɑθ為相應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角矢量；θus表示等效關(guān)節(jié)的初始角度矢量，uθ表示等效關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角矢量。

基于上述分解，柔順臂等效多剛體系統(tǒng)解耦形式可表示為

為了討論系統(tǒng)的運動特性，由式（14）、（15）、（16）可得下面方程組

由式（16）可得等效被動關(guān)節(jié)的加速度為

將上式代入方程組（17）中，可得關(guān)節(jié)1輸入轉(zhuǎn)矩T1的表達式

式（19）給出了柔順臂主動關(guān)節(jié)輸入力矩，其等號右邊第二項可以寫成下面形式

令CAU＝ Cɑu＋ Cɑ表示耦合張量與慣性力（離心力、科氏力）的關(guān)系，因此，式（18）可表示為下面形式

式（18）、（19）給出了柔順臂基于動力學(xué)模型的系統(tǒng)主動輸入量，以及基于二階非完整約束方程的柔順臂位姿描述。

4　柔順臂動力學(xué)特性仿真分析

基于柔順臂的偽剛性段劃分結(jié)果N＝13，根據(jù)柔順臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以得到各偽剛性段的質(zhì)量mi，kg；桿長li，m；等效關(guān)節(jié)夾角θi，rad；基于修正公式得各等效關(guān)節(jié)扭簧剛度ki，kg·m/rad。設(shè)第1主動關(guān)節(jié)的加速度輸入為＝ 5 rad/s2。

在扇貝臟器分離中，負壓吸管對柔順臂的作用力為均布力，大小與吸管兩端柔順臂和貝柱之間的垂直距離有關(guān)，為簡化計算，將負壓吸力等效為2個集中力，其大小與吸管和貝柱之間的距離由下式描述

基于式（11）建立的柔順臂偽剛體動力學(xué)模型，可得到柔順臂在0～0.25 s（一個扇貝臟器分離周期）內(nèi)的動力學(xué)仿真，如圖4所示。

圖4　分布式柔順臂位移仿真圖Fig.4　Displacement animation of distributed-compliance fully compliant arm

由圖4中可得柔順臂在臟器分離過程中（t＝0，0.15，0.20，0.25 s），實現(xiàn)了對負壓吸管提升的動作；由圖4可得，柔順臂與負壓管連接部分在臟器分離過程中保持基本水平，實現(xiàn)吸管口垂直上升一段距離，有利于保持吸取過程的爆破力，實現(xiàn)吸管對扇貝臟器有效的吸力。同時在吸取過程后段，吸管在柔順臂變形的作用下軸線偏離目標(biāo)物，即吸管口與水平方向形成一定夾角，從而可以保證目標(biāo)物脫離負壓的吸附作用力，結(jié)束內(nèi)臟吸取過程。

圖5、6分別為與負壓吸管相連的柔順臂前后兩點（等效關(guān)節(jié)13、末端點）在豎直方向的位移，以及吸管底面與水平方向夾角隨時間的變化規(guī)律。

圖5　柔順臂末段偽剛性段端點豎直方向位移Fig.5　Vertical displacement of the end points of last pseudo-rigid-segment of compliant arm

圖6　吸管底面與水平方向夾角隨時間變化規(guī)律Fig.6　Varying with time of angle between suction tube bottom and horizontal direction

由圖5、6可得，在設(shè)定豎直上升行程13 mm范圍內(nèi)，柔順臂與吸管連接部分在豎直方向位移差值很小，可保持吸管基本水平，實現(xiàn)對臟器的負壓吸?。辉O(shè)吸管底面與水平夾角為α，在分離過程后段，柔順臂變形運動帶動α增大至28°，傾斜卸壓位置的垂直行程接近50 mm，滿足設(shè)定要求，因此能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)物脫離負壓的吸附作用力，結(jié)束內(nèi)臟吸取過程。

基于柔順臂偽剛體動力學(xué)模型解耦，由式（18）、（19）可得柔順臂主動關(guān)節(jié)輸入量，以及基于二階非完整約束方程的柔順臂運動學(xué)描述。

圖7　柔順臂主動關(guān)節(jié)輸入力矩Fig.7　Input torque of the compliant arm

圖8　柔順臂末段偽剛性段線速度Fig.8　Velocity of the last pseudo-rigid-segment of compliant arm

由圖7、8可知，柔順臂末端偽剛性段線速度，即為與之相連的吸管在扇貝臟器分離過程中的x、y軸方向的線速度；吸管在豎直方向的速度符合設(shè)定的加速吸附臟器、減速結(jié)束內(nèi)臟吸取的要求，同時在水平方向上，吸管在吸附階段速度變化不明顯，易于吸管對半貝殼的位姿保持，實現(xiàn)對臟器建立吸附負壓。同時在保證對臟器吸附釋放動作下，主動關(guān)節(jié)輸入力矩變化平穩(wěn)，易于實現(xiàn)分離裝置控制。

5　樣機試驗

基于本文提出的分布式柔順臂作為負壓吸管的驅(qū)動元件，進行扇貝臟器自動分離裝置試驗，分離裝置主要參數(shù)設(shè)置如下：伺服電機驅(qū)動角加速度為5.5 rad/s2，真空吸管最大氣流量48 L/s，吸管內(nèi)相對負壓為18 kPa，柔順臂材料選用65 Mn。

扇貝臟器負壓分離過程狀態(tài)如圖9所示，將開殼后半貝殼放置于固定隔板上；設(shè)柔順臂起始端轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角為β，吸管底面與隔板貼合位置為初始狀態(tài)，β＝11°。圖9a建立負壓階段，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角β約為19°，吸管沒有發(fā)生上升，柔順臂積蓄彈性勢能，此時吸管底面與水平夾角α＝0°，真空吸管與半貝殼間建立負壓。圖9b垂直上升階段，轉(zhuǎn)角β≤56°時，經(jīng)試驗測量，吸管底面與水平夾角α≤2°，柔順臂帶動真空吸管保持垂直上升至約30 mm。圖9c傾斜卸壓階段，轉(zhuǎn)角β≥61°時，吸管上升至約45 mm，在柔順臂變形作用帶動下，吸管開始明顯傾斜，貝殼開始脫離吸附；當(dāng)β達到67°時，吸管上升至約55 mm，半殼貝完全脫離負壓吸附作用，內(nèi)臟吸取過程結(jié)束；此時吸管底面與水平夾角α在25°～30°之間，滿足傾斜卸壓要求，試驗結(jié)果與仿真分析基本一致。

圖9　扇貝臟器分離過程Fig.9 Process of scallop and viscera separation

將該分離轉(zhuǎn)置應(yīng)用于扇貝自動化生產(chǎn)設(shè)備中，采用8路氣吸式貝柱與臟器自動化分離裝置進行分離試驗，試驗對象選用河北省昌黎縣海域所產(chǎn)海灣扇貝，扇貝個體高為45～56 mm，樣本總?cè)萘繛? 600枚。試驗結(jié)果表明，其中479枚內(nèi)臟未被完全摘取，或部分臟器殘留，大部分殘留是臟器內(nèi)部撕裂造成，吸凈率達到91.4%；在沒有臟器殘留的扇貝中有179枚的貝柱有損傷，破損率為3.5%，原因主要是扇貝屬于自然生物，其閉殼肌的力學(xué)性能不同，在扇貝臟器的外套膜被氣流裹挾離開貝殼時與閉殼肌有一定的黏連，閉殼肌的部分外層纖維隨之發(fā)生破損。

河北昌黎與山東煙臺等地是中國扇貝的主要產(chǎn)區(qū)，中等規(guī)模養(yǎng)殖戶每年養(yǎng)殖3～5萬籠，總質(zhì)量約5.5×105kg。人工采收方式下，每年需用工50人，生產(chǎn)周期75 d，按人工費每天200元計，總?cè)斯こ杀炯s75萬元。扇貝自動化生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計生產(chǎn)效率是每分鐘160枚，用工6人，按每個單體扇貝質(zhì)量75 g，5.5×105kg折合約733萬枚，總共需用時763 h，按每天12 h工作制，需要生產(chǎn)時間合計62 d，人工費用約7.5萬元，總功率35 kW，折合能源費用約1.9萬元，可使生產(chǎn)成本降低87%，因此扇貝自動化生產(chǎn)設(shè)備的使用能夠為中國扇貝產(chǎn)區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

6　結(jié)　論

1）提出一種氣吸式扇貝貝柱與臟器自動化分離裝置，并對裝置中分布式柔順驅(qū)動臂的動力學(xué)特性進行研究?；趥蝿傮w模型法，建立了柔順臂的動力學(xué)模型，并進行動力學(xué)解耦得到了系統(tǒng)的二階非完整約束方程，推導(dǎo)出了等效關(guān)節(jié)加速度與輸入驅(qū)動力矩的表達式。

2）柔順臂的動力學(xué)特性仿真分析結(jié)果表明，負壓吸附階段，柔順臂與吸管連接部分可保持吸管底面基本水平，保證負壓下吸管瞬間吸附的爆發(fā)力，實現(xiàn)對臟器負壓吸?。黄毙秹弘A段，柔順臂能夠帶動吸管底面偏離水平方向，實現(xiàn)吸管對目標(biāo)物脫離負壓吸附作用，結(jié)束臟器吸取過程。

3）樣機試驗表明，柔順臂可將一個轉(zhuǎn)動輸入轉(zhuǎn)化為兩個方向移動自由度，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角β≤56°時，柔順臂帶動真空吸管保持垂直上升至30 mm，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角β≥61°時，吸管開始明顯傾斜，吸管底面與水平夾角α在25°～30°之間，滿足傾斜卸壓要求，試驗結(jié)果與仿真分析基本一致。以5 600枚樣本容量扇貝進行樣機試驗，結(jié)果表明扇貝臟器吸凈率達到91.4%，貝柱破損率為3.5%。

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Dynamic characteristic analysis of distributed-compliant arm in vacuum suction device for scallop viscera separation

Li Na, Jiang Haiyong, Zhang Xianpeng, Yi Jinggang
（College of Mechɑnicɑl ɑnd Electricɑl Engineering, Agriculturɑl University of Hebei, Bɑoding 071001, Chinɑ）

Abstract:The scallop is one of the major economic bivalves in China， whose adductor muscle is called shellfish. Shellfish are nutritious， delicious， and have many healthcare functions， edibleness and economic value. The automatic collection of adductor muscle usually includes 2 methods which are mechanical type separation and non-mechanical type separation. The mechanical separation uses mechanical device to separate adductor muscles and viscera compulsively， but this kind of method often causes lacerated hurt for adductor muscle， and low rate of finished products. The non-mechanical method realizes the separation of adductor muscle and viscera through adopting heat treatment， chemical reagent treatment， and ultrahigh pressure technology，etc. However， the non-mechanical separation destroys the nutrition component of adductor muscles because of the hot process on them. Therefore， the low-loss separation for adductor muscles of bay scallop and viscera is one of the key processes to realize the automatic collection. In order to reduce the high-loss of adductor muscles of scallop during automatic separation，this paper presents the suction separating device based on the distributed fully-compliant mechanism. The suction separating device is composed of suction tube and motivating mechanism. Due to the space limitation， it is difficult to use the traditional mechanism to realize the high-speed lift and the complicated location and posture of the suction tube， and so the motivating mechanism for suction tube with the compliant arm as the principal part can simplify the complication of mechanical structure observably. The motivating mechanism is based on the energy storage and deformation of the distributed fully-compliant arm to realize the control of locomotion and posture of the suction tube during separating process， so it is essential to analyze the dynamic characteristics for control. The pseudo-rigid-body model for the compliant arm is built， which makes the compliant mechanism equivalent to a multi-body system with underactuated joints. Based on the influence coefficient method， the dynamic model of the equivalent multi-body system for the compliant arm is established. According to the dynamic modeling，the second-order nonholonomic constraint equations are developed from the decomposition of the active joint and the equivalent passive joints， and then the acceleration expressions of passive joints and the input torque of active joint are obtained. The dynamic characteristic of the compliant arm is simulated and the prototype is tested， then the result proves that during the negative pressure adsorption， the connective part of compliant arm and suction tube can keep horizontal basically to ensure explosive power to viscera under negative pressure with the input angle of motor ≤56°; when the input angle ≥61°，the angle of the bottom of suction tube and horizontal direction that is between 25°-30°can satisfy the experiment data with compliant arm driving， which can make the target object break away from suction tube to end the adsorption process. The test results and simulation analysis are basically identical.Hence， based on the characteristics of the compliant mechanism by relying on elastic deformation itself to realize the transition of the locomotion and force with less even no kinematic pair in the mechanism， the motivating mechanism of suction tube proposed in this paper can simplify the mechanical structure and control system observably， and reduce the cost of equipment manufacture and energy consumption. The research on the separating device has very important application value for the realization of scallop automatic manufacture.

Keywords:modeling; dynamics; experiments; vacuum suction device of scallop viscera separation; distributed-compliant arm; influence coefficient method

作者簡介：李娜，女，河北保定人，博士，講師，主要從事欠驅(qū)動機構(gòu)、仿生機器人的研究。保定河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，071001。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51305125）；河北省自然科學(xué)基金資助項目（E2013204110）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究基金資助項目（YQ2013007）

收稿日期：2015-10-06

修訂日期：2015-12-08

中圖分類號：S985.3＋6; TH113.2＋2

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-02-0244-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.035