菠蘿半自動采摘機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉玉杰　郭安福 姜濤

摘要 由于菠蘿樹和果實的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致目前國內(nèi)絕大多數(shù)的菠蘿采摘都還采用效率低、對手的傷害程度較大的純手工采摘方式。 首先設(shè)計了菠蘿半自動采摘機的整體結(jié)構(gòu)，主要包括車身部分、收納部分、控制部分、輸送部分、采摘部分等。其次，采用三維數(shù)字化軟件Solidworks對菠蘿半自動采摘機進行三維建模。最后，對機械手的運動特性進行了分析。設(shè)計將有效地解決菠蘿采摘難的問題，促進菠蘿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 菠蘿采摘；機械手；仿真分析

中圖分類號 S225.93 文獻標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）14-0194-04

Structural Design of Semiautomatic Pineapple Picking Machine

LIU Yujie，GUO Anfu，JIANG Tao （School of Mechanical and Automotive Engineering， Liaocheng University， Liaocheng， Shandong 252059）

Abstract Due to the specificity in pineapples shape， manual picking method， which has low efficiency and a great harm in hand， is commonly adopted in China. In order to improve efficiency in picking， the semiautomatic picking machine of the pineapple is firstly proposed in this paper， including the main body part， receiving part， control part， transmission part and picking part. And then， the pineapple semiautomatic picking machine is modeled in the SolidWorks. Finally， corresponding simulation analysis is conducted on motion characteristics of the manipulator. These challenges in picking pineapples will be effectively solved by this picking machine and it is a motivator in the development of pineapple industry.

Key words Pineapple picking； Manipulator； Simulation analysis

果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時、最費力的環(huán)節(jié)。采摘季節(jié)性強，勞動力密集，價格昂貴。因此，確保及時收獲水果，降低收獲成本是提高農(nóng)業(yè)收入的重要途徑。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘自動化程度仍很低。目前，國內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上是人工完成的，其費用占成本的50%～70%，而且時間比較集中[1]。

由于菠蘿種植空間均勻，行距大，非常適合機械采摘。另外，菠蘿本身具有較高的經(jīng)濟價值，菠蘿葉含有豐富的纖維，是一種具有優(yōu)良天然殺菌性能的紡織材料[2-3]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)還發(fā)現(xiàn)，菠蘿葉提取物中的一些酚類物質(zhì)具有降血酯的活性，在心血管藥物的開發(fā)中具有較高的研究價值[4-5]；同時，葉渣和莖稈還可用于飼料、有機肥和沼氣的生產(chǎn)。因此在研究如何實現(xiàn)果實機械采摘時，必須考慮如何保護植株，不破壞植株的潛在經(jīng)濟價值。

自1983年第1臺番茄收獲機器人在美國問世以來，采摘機器人的研究和開發(fā)得到了迅速的發(fā)展。近年來，日本在收獲機器人研究方面取得了長足的進展，但對收獲機器人的研究還處于起步階段，技術(shù)還不成熟，還沒有真正商業(yè)化[6]。我國農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期，上海交通大學(xué)機器人研究所曹其新和劉成良等完成了智能聯(lián)合收割機樣機的研制開發(fā)工作。2001年，張瑞合等利用雙目立體視覺技術(shù)對番茄果實在采收過程中的精確定位進行了研究[7]。然而，果蔬采摘機器人的智能化水平仍然非常有限，離實際應(yīng)用和商業(yè)化還有一定的距離。存在的問題主要有以下幾個方面：一是采摘機器人的效率低，主要表現(xiàn)在對水果的識別率和采摘率較低，且損傷率較高。二是采摘機器人制造成本高，利用率低。這主要是由于水果生產(chǎn)的隨機性造成的。2014年，辛寶英等[8]研究出一種菠蘿采摘機械手結(jié)構(gòu)，但其機械手切割頸部的結(jié)構(gòu)不是很完善，采摘效率低。

筆者根據(jù)菠蘿的實際種植環(huán)境及其生長特點，設(shè)計了一類具有較高實用價值的菠蘿半自動采摘機，并采用三維數(shù)字化軟件對菠蘿半自動采摘機進行三維建模。同時，對機械手的運動特性進行了分析。

1 菠蘿的物理特性分析

菠蘿果實的相關(guān)參數(shù)[8]：菠蘿果實呈橢圓球狀，縱向直徑較長（20～26 cm），橫向直徑較短（約為18～24 cm），果實平均質(zhì)量為1.28 kg/個。資料顯示，菠蘿植株高為0.7～1.0 m，與果實連接處的果柄直徑為3～6 cm。隨機選取10個菠蘿進行菠蘿果實直徑、果柄直徑和質(zhì)量的測定，結(jié)果如表1所示。

2 設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)計原理 針對菠蘿采摘作業(yè)季節(jié)性強，以人工進行采摘，勞動強度大、費用高還易使人受傷等問題，同時又結(jié)合菠蘿種植間距均勻、行距較大，十分適合機器采摘條件，設(shè)計了一種菠蘿半自動采摘機。該設(shè)計將人工采摘過程替換為人工控制采摘。由圖1中所建坐標(biāo)可知，駕駛員可經(jīng)控制臺中控制車身單元已確定菠蘿果實X坐標(biāo)方向的位置，再經(jīng)控制臺中控制機械手單元，在第1控制鍵控制下，機械手整體部分在輸送導(dǎo)軌上運動，已確定菠蘿果實Y軸方向所在的位置，再經(jīng)第2控制鍵控制下，使主液壓桿伸出（此時的機械手處于張開的狀態(tài)），已確定菠蘿果實Z軸方向所在的坐標(biāo)。將菠蘿果實在空間完全定位后，操縱第3控制鍵進行菠蘿果實的采摘。最后，在控制機械手單元操縱下將菠蘿果實放入收納箱中。如此循環(huán)，進行菠蘿果實的采摘。

菠蘿半自動采摘機優(yōu)點：①采摘機機身較窄，可方便在菠蘿種植間隙中行駛，防止了采摘機對菠蘿溝沿與菠蘿植株的破壞。②采摘機的機械手是從菠蘿上方進行定位采摘，因而保證了采摘過程中菠蘿果實與植株的枝葉不受損傷。③采摘機輸送導(dǎo)軌的長度足以對采摘機兩側(cè)的菠蘿在Y軸方向上的坐標(biāo)進行定位并施行采摘，提高了采摘效率。④采摘機在采摘過程中，機械手以鋸齒輪對菠蘿果實頸部進行切斷，保證了果實頸部可一次性切斷，使采摘過程可順利完成。

2.2 總體設(shè)計 菠蘿半自動采摘機主要由菠蘿采摘機械手、輸送導(dǎo)軌、控制臺、收納箱、車身等幾部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車身是整個機構(gòu)的支撐體，采摘機械手、輸送導(dǎo)軌、收納箱都固定在其上?？刂婆_位于駕駛座前方，方便駕駛員對整個機體進行控制。收納箱安裝在采摘機前部，機械手下方，并可進行拆卸，方便果實的收取。輸送導(dǎo)軌安裝在采摘機前部向上伸出的支撐體上，為機械手的采摘運行預(yù)留有足夠的高度。采摘機械手以主液壓桿為連接固定在輸送導(dǎo)軌的滑塊上。駕駛員經(jīng)控制臺利用電控系統(tǒng)控制機械手的動作，利用液壓動力裝置，使機械手固定住菠蘿，再用鋸齒輪將果實頸部切斷，最后經(jīng)輸送導(dǎo)軌送到收納箱中，完成菠蘿的采摘。

其主要技術(shù)參數(shù)如下：車身尺寸2 500 mm×700 mm×1 970 mm，輸送導(dǎo)軌高度1 965 mm，采摘幅寬1 600 mm，主液壓桿行程380 mm，副液壓桿行程64.2 mm，機械手開度180 mm（理論），鋸齒輪轉(zhuǎn)速240 r/min。

3 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 菠蘿采摘機械手

3.1.1 工作原理。采摘原理示意如圖2所示。

采摘機械手由輸送導(dǎo)軌的滑塊11固定主液壓缸10，由主液壓桿支撐軸固定固定架9、13，由固定架固定副液壓桿。副液壓桿支撐軸通過鉸鏈E、F分別連接連桿3、4，連桿3、4通過鉸鏈A、B連接夾具1、2，同時，夾具通過鉸鏈C、D連接在固定架9、13上。當(dāng)固定架9、13定準(zhǔn)位后，兩個副液壓桿5、6的支撐軸在液壓力的作用下向兩側(cè)伸出，帶動連桿3、4，進而使夾具1、2繞鉸鏈C、D旋轉(zhuǎn)合并，夾具1、2下端設(shè)置有鋒利的鋸齒輪，待夾具固定住菠蘿果實后，鋸齒輪在電控裝置控制下開始旋轉(zhuǎn)并向外沖出切斷菠蘿頸部，并套住菠蘿果實12，完成采摘。

3.1.2 總體設(shè)計及各部件特點。菠蘿采摘機械手由夾具、鋸齒輪、拉桿、副液壓桿、固定架、主液壓桿等組成。夾具是一種固定裝置，兩片呈圓弧狀，與菠蘿外形相似，起固定、抓緊菠蘿的作用。夾具僅設(shè)計具有一個旋轉(zhuǎn)自由度，可以保證抓緊菠蘿的精確度，同時，夾具還采用具有圓孔的弧形結(jié)構(gòu)，可以減輕夾具的質(zhì)量。為了保證菠蘿頂部不受損傷，夾具上部預(yù)留有足夠的空間。鋸齒輪是一種電控裝置，固定在夾具下端的鋸齒輪槽中，在夾具上一邊一個，其有兩種運動，一種是直線運動，在水平方向上，另一種是旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)夾具即將加緊菠蘿時，由電控系統(tǒng)控制使其在槽中旋轉(zhuǎn)的同時從槽中沖出，并將果實頸部切斷。因為兩個鋸齒輪預(yù)留有安全的距離，因而兩鋸齒輪不會打齒。為使結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，采用市場上的輪轂鋸齒輪，直徑為60 mm。拉桿是純機械結(jié)構(gòu)，其形狀呈“S”型，在副液壓桿支撐軸的帶動下與剪刀的運動方式類似進行張開與合并，進而帶動夾具松開或夾緊。副液壓桿固定在固定架上，在液壓力的作用下使副液壓桿支撐軸伸縮，進而帶動拉桿；固定架是菠蘿采摘機械手的整體支架，起固定作用；主液壓桿固定在輸送導(dǎo)軌的滑塊上，在液壓力的作用下，帶動菠蘿采摘機械手上下移動，以精確調(diào)整采摘適宜的高度。菠蘿采摘機械手二維機構(gòu)如圖3所示。

3.2 輸送導(dǎo)軌 輸送導(dǎo)軌主要由滑塊、導(dǎo)軌、伺服電機組成?；瑝K下端在主液壓桿連接下固定有機械手，經(jīng)電控系統(tǒng)控制伺服電機動作，進而使滑塊在導(dǎo)軌上做水平運動。該輸送導(dǎo)軌市場中已存在，導(dǎo)軌長度可自行定制，控制精度高，并且在滑塊停止后具有鎖死的功能。輸送導(dǎo)軌實物圖如圖4所示。

3.3 控制臺 控制臺是整個菠蘿采摘機的總控制部位。包括控制機械手單元與控制車身單元?？刂茩C械手單元有3個控制鍵組成，分別控制機械手整體在導(dǎo)軌上的水平運動、機械手整體豎直運動和機械手抓緊菠蘿并實施采摘動作。控制機械手單元利用電控系統(tǒng)，使機械手執(zhí)行動作，最后將采摘的果實放入收納箱；控制車身單元與一般車輛功能類似，控制車身的行駛與轉(zhuǎn)向?？刂婆_局部簡略圖如圖5所示。

3.4 車身 車身是菠蘿采摘機的支撐體，并與正常車輛具有相同的功能，進行行駛與轉(zhuǎn)向，根據(jù)菠蘿正常種植間距，設(shè)置車身長2 500 mm、寬700 mm。

4 采摘機械手運動特性分析

4.1 采摘機械手極限位置分析 如圖1所示，當(dāng)副液壓缸處于伸出狀態(tài)極限位置，機械手的夾具1、2處于最大開度；當(dāng)副液壓缸收縮到極限位置時，夾具1、2處于閉合狀態(tài)的極限位置。在設(shè)計的過程中，副液壓缸支撐軸的行程設(shè)計為64.2 mm，使夾具預(yù)留有足夠的開度夾緊菠蘿。

4.2 鋸齒輪刃口運動特性分析 線性驅(qū)動初始設(shè)置如圖6所示。

基于Solidworks中的Motion分析，在虛擬三維模型中， 當(dāng)夾具處于線性開度最大值時，線性驅(qū)動設(shè)置為64.2 mm，如圖6所示線性驅(qū)動初始設(shè)置，可以得到鋸齒輪刃口在果柄徑向方向上的線性位移曲線圖。鋸齒輪刃口線性位移如圖7所示。

由圖7可知，鋸齒輪刃口在果柄徑向方向上的線性位移為90 mm（541-451）。根據(jù)表1可知，果柄的平均直徑為43.8 mm，則當(dāng)鋸齒輪刃口在果柄徑向方向上的線性位移為68.1 mm（90-43.2÷2）時，鋸齒輪刃口開始與果柄接觸；當(dāng)鋸齒輪刃口移至472.9 mm（541-68.1）時，刃口開始與果柄接觸。由圖7可知，當(dāng)刃口開始與果柄接觸時，即是3.82 s。

5 結(jié)論

由于菠蘿樹、菠蘿果實和采摘的特殊性，考慮到菠蘿葉中的菠蘿纖維擁有很高的經(jīng)濟價值，若是采用全自動機械化

采摘，雖然提高了采摘效率，但同時也傷害了植株，破壞了菠蘿葉子，將嚴(yán)重影響菠蘿的經(jīng)濟價值。因此，要既經(jīng)濟有效地采摘菠蘿，同時又完全脫離人工還是有一定的難度。

對此，該研究設(shè)計了菠蘿半自動采摘機的整體結(jié)構(gòu)，對菠蘿采摘機的各部分結(jié)構(gòu)及工作原理作了介紹，運用Solidworks軟件，對整體結(jié)構(gòu)進行了模擬建模，并運用Motion對菠蘿采摘機械手進行了運動特性分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)整體方案合理，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，生產(chǎn)成本和運行成本低，因機械手從菠蘿上方采摘，保證了采摘過程中果實與植株不受損傷，為菠蘿采摘機的進一步優(yōu)化設(shè)計與推廣使用奠定了基礎(chǔ)。

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