基于雙往復(fù)絲杠機構(gòu)的便攜式水果采摘機械的設(shè)計

劉丁寧， 趙紅霞， 鐘昊天， 高國強， 杜克祥， 袁江雄， 唐夢園

（井岡山大學(xué)機電工程學(xué)院， 江西 吉安 343009）

引言

我國是蘋果生產(chǎn)大國，然而，目前絕大部分蘋果采用純手工采摘，效率低下，勞動強度大，需要彎腰或爬高，具有一定的危險性。現(xiàn)有的蘋果采摘機械大多功能單一，可靠性差，效率不高，難以滿足果農(nóng)的實際需要。國外發(fā)達國家的蘋果采摘機械體型大，且價格昂貴，使用技術(shù)要求較高，不適合我國作業(yè)條件。隨著人工成本的提高，果農(nóng)對水果采摘機械的需求也日益提高。本研究旨在設(shè)計一種半自動化便攜式水果采摘桿，通過手柄上按鈕就能完成水果的采摘工作，對減輕勞動強度、促進蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的應(yīng)用價值[1]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及總體工作原理

如圖1所示，該機具由采摘機械爪、伸縮桿、手柄、控制器、落果收集及緩沖裝置五大部分組成。機械爪的夾持機構(gòu)關(guān)節(jié)處裝有扭簧，使夾緊力度控制在一定范圍內(nèi)，具有一定的自適應(yīng)作用，防止對果實造成物理損傷。在靠近伸縮桿的絲杠螺母底端安裝了一個微動開關(guān)，用于校準機械爪的初始位置，防止機械累積誤差。采用腸胃式收集裝置，使果實經(jīng)過緩沖環(huán)后儲存在收集馕中。

機械爪的運動過程，在伺服電機的驅(qū)動下，經(jīng)過齒輪傳動和特殊螺旋傳動帶動機械爪旋轉(zhuǎn)，使兩絲杠螺母完成周期性的旋轉(zhuǎn)和直線運動，通過連桿傳動實現(xiàn)機械爪的收縮和擴張。初始狀態(tài)為張開狀態(tài)，短按按鈕機械爪收縮后扯，碰到微動開關(guān)后機械爪張開，使果實通過落果收集及緩沖裝置到收集馕中，同時機械爪恢復(fù)到初始張開位置，即完成一次采摘任務(wù)[2]。

圖1 簡易總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 機械爪的傳動機構(gòu)設(shè)計

2.1 雙往復(fù)絲杠機構(gòu)

往復(fù)絲杠在不改變主軸轉(zhuǎn)動方向前提下，使滑塊實現(xiàn)往復(fù)運動。如下頁圖2所示，兩段往復(fù)絲杠可使兩絲杠螺母的相對位置不同，形成一種時而遠離、時而靠近、時而相對靜止的奇妙運動現(xiàn)象。該機械爪的設(shè)計也是在此機構(gòu)的基礎(chǔ)上完成的。

2.2 連桿機構(gòu)

如下頁圖3所示，連桿機構(gòu)是用鉸鏈、滑道方式，將構(gòu)件相互聯(lián)接成的機構(gòu)，用以實現(xiàn)運動變換及傳遞動力。在該產(chǎn)品連桿傳動機構(gòu)的設(shè)計中，主要作用是將絲杠螺母的直線相對運動位置來控制末端執(zhí)行器的開合狀態(tài)。

圖2 雙往復(fù)絲杠軸（單位：mm）

為實現(xiàn)機械爪的周期運動，本次設(shè)計的重點在于往復(fù)絲桿在不改變主軸轉(zhuǎn)動方向前提下，使滑塊實現(xiàn)往復(fù)運動的特點，以盡量使機械爪輕巧、緊湊和運動穩(wěn)定為原則，合理設(shè)計絲桿螺母的外形尺寸以及傳動齒輪組的尺寸和位置，然后根據(jù)絲桿螺母的位置與安裝爪盤后的效果，設(shè)計爪盤和三爪夾持機構(gòu)間的連桿機構(gòu)。

圖3 機械爪總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.3 末端夾持機構(gòu)的設(shè)計

該采摘機械爪采用三爪夾持機構(gòu)，如圖4所示。采摘環(huán)境復(fù)雜多變，加之周邊枝葉和果實的干擾，在滿足抓取任務(wù)的前提下三爪能做到結(jié)構(gòu)簡潔，同時受力均勻，大大提高了靈活性。末端夾持結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接影響蘋果的采摘效率和損傷程度，在執(zhí)行器抓牢果實后利用機械爪的旋轉(zhuǎn)擰斷果柄。如果利用電極或者切刀直接切斷果柄，則對蘋果的果柄方位的定位要求較高。結(jié)合實際采摘要求，為更加方便采摘作業(yè)，提高采摘效率，第一種方案更符合要求。

摘取方式采用包絡(luò)抓取擰斷方式。對于蘋果這樣的硬度較大、受力形變較小、形狀較規(guī)則、體積適中的水果，采用包絡(luò)抓取能穩(wěn)定地抓住水果，然后采用擰斷方式能成功達到無損采摘。

通過采摘手與連桿機構(gòu)的鏈接與配合，將導(dǎo)桿的直線運動轉(zhuǎn)化為末端執(zhí)行器的夾、合運動。采摘手經(jīng)過一定的外形設(shè)計加上特定扭簧的配合，能夠較好地降低蘋果的損傷率。這樣不僅省去了檢測果柄這一復(fù)雜過程，而且還提高了扭斷果柄的準確度和采摘效率，容錯率較高[3]。

圖4 末端夾持機構(gòu)整體外形

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析

該系統(tǒng)使用LQFP48封裝的STC11F32XE單片機為主控芯片，主程序主要功能為：檢測按鍵是否被按下及復(fù)位?？刂破鳈z測到采摘按鈕按下后，判斷是短按或長按，短按時主程序?qū)⑦M入采摘子程序，采摘子程序會自動控制系統(tǒng)進行采摘作業(yè)。完成本次采摘作業(yè)后，將繼續(xù)等待采摘按鈕的下一次按下。長按為連續(xù)轉(zhuǎn)動，直到觸碰到復(fù)位開關(guān)。

4 結(jié)語

該研究就基于雙往復(fù)絲杠機構(gòu)的便攜式水果采摘機械的設(shè)計進行了論述，其關(guān)鍵在于采用包絡(luò)抓取擰斷的摘取方式，往復(fù)絲杠的特殊螺旋傳動將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為直線運動，經(jīng)過連桿傳動和兩螺母的相對位置使末端夾持機構(gòu)完成張合動作，與此同時完成機械爪的直線運動。采用欠驅(qū)動的方式，用一個電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)三爪的張合動作、機械爪的升降和轉(zhuǎn)動。這樣使結(jié)構(gòu)更加的緊湊，操作更為方便，體積小，便攜，可以滿足廣大果農(nóng)的日常采摘需求，具有非常廣闊的發(fā)展前景[4]。