蘋果采摘系統(tǒng)傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

馮文博 丁頌 王鑫力

摘?要：為解決人工采摘速度緩慢、效率低下的問(wèn)題，在研究機(jī)械傳動(dòng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了蘋果采摘系統(tǒng)傳動(dòng)模塊，該模塊包括360°整體旋轉(zhuǎn)裝置、豎直伸縮裝置、折疊裝置和橫向伸縮裝置四部分。360°整體旋轉(zhuǎn)裝置由蝸桿帶動(dòng)蝸輪實(shí)現(xiàn)繞Z軸360°旋轉(zhuǎn)，豎直伸縮裝置和橫向伸縮裝置由齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)Z軸和Y軸方向升降、伸縮運(yùn)動(dòng)，折疊裝置在氣泵傳動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向伸縮裝置和采摘模塊的折疊。四部分的協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)了蘋果遠(yuǎn)距離和快速采摘。

關(guān)鍵詞：蘋果采摘;傳動(dòng)模塊;伸縮裝置;慧魚(yú)模型

中圖分類號(hào)：S225????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.01.002

Design of Transmission Module for Apple Picking System

Feng Wenbo， Ding Song， ?Wang Xinli

（School of Mechanical Engineering，Changchun Normal University，Changchun 130032 china）

Abstract： In order to solve the problem of slow and inefficient manual picking， this paper designs the transmission module of apple picking system on the basis of studying the mechanical transmission. The device consists of four parts： 360 degree integral rotating device， vertical telescopic device， folding device and transverse telescopic device. The integral rotating device of 360 degrees is driven by worm to rotate 360 degrees around Z axis; the vertical and transverse telescopic device is driven by gear and rack to realize the movement of Z axis and Y axis; the folding device can fold the transverse telescopic device and the picking module under the action of air pump. The four part of coordination has achieved Apples long distance and quick picking.

Keywords： apple picking; transmission module; telescopic device; fischertechnik

現(xiàn)階段我國(guó)蘋果采摘主要依靠人力采摘，耗時(shí)多且效率低，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人工采摘?jiǎng)趧?dòng)力占總體勞動(dòng)力的40%以上，而這種高強(qiáng)度、重復(fù)性的采摘?jiǎng)幼鬟m合使用采摘機(jī)器來(lái)完成。為了解決蘋果采摘中勞動(dòng)力成本過(guò)高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了蘋果采摘系統(tǒng)，減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中勞動(dòng)力成本。本文針對(duì)蘋果采摘系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了蘋果采摘系統(tǒng)傳動(dòng)模塊，能有效的解決蘋果采摘中勞動(dòng)力成本過(guò)高問(wèn)題。

1?傳動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)模塊如圖1所示，由360°整體旋轉(zhuǎn)裝置、豎直伸縮裝置、折疊裝置和橫向伸縮裝置四部分組成。360°整體旋轉(zhuǎn)裝置由步進(jìn)電機(jī)、蝸輪和蝸桿組成，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)蝸桿和蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整體的自由轉(zhuǎn)動(dòng);豎直伸縮裝置由9 V編碼電機(jī)、齒輪箱和齒條組成，通過(guò)9 V編碼電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱，傳遞給與齒條嚙合的小齒輪實(shí)現(xiàn)豎直伸縮裝置的豎直伸縮;折疊裝置由9 V編碼電機(jī)、齒輪箱、齒條、氣泵電機(jī)、氣泵和氣泵閥組成，通過(guò)9 V編碼電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱，齒輪箱和齒條的配合并與氣泵同時(shí)工作實(shí)現(xiàn)折疊與展開(kāi);橫向伸縮裝置由9 V編碼電機(jī)、齒輪箱和齒條組成，通過(guò)9 V編碼電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱，傳遞給與齒條嚙合的小齒輪實(shí)現(xiàn)橫向伸縮裝置伸縮運(yùn)動(dòng)。

2?傳動(dòng)模塊工作原理

傳動(dòng)模塊工作原理如圖2所示，360°整體旋轉(zhuǎn)裝置的步進(jìn)電機(jī)連接蝸桿，配合蝸輪固定在最下方的橫板上，豎直伸縮裝置和整體支架鉸鏈連接在一起，轉(zhuǎn)動(dòng)支架和整體支架頂端連接在一起，轉(zhuǎn)動(dòng)支架左端和豎直伸縮裝置鉸鏈連接在一起，折疊裝置將動(dòng)支架右端和伸縮裝置連接在一起。確定采摘目標(biāo)后，傳動(dòng)模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，圖2a中：折疊裝置的電機(jī)正轉(zhuǎn)，氣泵閥打開(kāi)，氣泵將氣體推入到氣壓缸的無(wú)桿腔內(nèi)，在氣體壓力的作用下，推桿推出，推桿向上做直線運(yùn)動(dòng)，橫向伸縮裝置橫臂以鉸鏈為轉(zhuǎn)軸做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，升至和轉(zhuǎn)動(dòng)支架處于同直線上，折疊裝置展開(kāi)。圖2b中：360°整體旋轉(zhuǎn)裝置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)蝸桿帶動(dòng)蝸輪及其整體繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到采摘目標(biāo)同向。圖2c中：豎直伸縮裝置的電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)鉸鏈帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)支架左端向下運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)支架繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)杠桿使轉(zhuǎn)動(dòng)支架右側(cè)及橫向伸縮裝置橫桿向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到采摘目標(biāo)的高度;橫向伸縮裝置的電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)采摘模塊在橫桿上做平移運(yùn)動(dòng)，抵達(dá)蘋果梗處。傳動(dòng)模塊可以提高采摘范圍和工作效率。

3?基于慧魚(yú)模型傳動(dòng)模塊樣機(jī)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)模塊基于“慧魚(yú)模型”進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)模擬傳動(dòng)模塊的旋轉(zhuǎn)、伸縮、抬升和折疊過(guò)程，如圖3所示。

3.1?360°整體旋轉(zhuǎn)裝置電機(jī)的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，旋轉(zhuǎn)時(shí)間t約為4 s，旋轉(zhuǎn)周長(zhǎng)S為0.26 m，旋轉(zhuǎn)的速度v

v=S/t=0.26/4=0.065 m/s（1）

360°旋轉(zhuǎn)裝置承載傳動(dòng)模塊和采摘模塊的重量，由實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知，蝸輪以上總重m為6 kg，蝸輪與蝸桿之間為滾動(dòng)摩擦，取滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.2，則蝸輪與蝸桿之間的摩擦力f：

f=G·μ=6×9.8×0.2=11.76 N（2）

則旋轉(zhuǎn)電機(jī)的所需功率P：

P=f·v=11.76×0.065=0.7644 kW（3）

選用了9 v直流編碼器電機(jī)為360°旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。該電機(jī)的輸出最大功率為1.096 kW，最大轉(zhuǎn)速為173.5 r/min，輸出最大扭矩為1.52 N·m。所需功率在所用電機(jī)范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2?豎直伸縮裝置和橫向伸縮裝置電機(jī)的選擇

為提高豎直伸縮移動(dòng)和橫向伸縮移動(dòng)的效率，豎直伸縮裝置伸縮時(shí)間不超過(guò)6 s，設(shè)計(jì)伸縮時(shí)間t1為4 s，最大伸縮的長(zhǎng)度H1為0.15 m;橫向伸縮裝置伸縮時(shí)間不超過(guò)6 s，設(shè)計(jì)伸縮時(shí)間t2為4 s，最大伸縮的長(zhǎng)度（模擬長(zhǎng)度）H2為0.18 m，伸縮速度v1、v2

v1=Ht1=0.15÷4=0.0375 m/s（4）

v2=Ht2=0.18÷4=0.045 m/s（5）

豎直伸縮裝置的電機(jī)需提供向下拉動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)支架左端的力，測(cè)量出向下的拉力F1為9.8 N;橫向伸縮裝置需承載采摘模塊的重量，測(cè)量出采摘模塊重量m1為1 kg。摩擦力f1主要為橫向伸縮裝置和齒條之間的滑動(dòng)摩擦，取滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.5，豎直伸縮裝置和橫向伸縮裝置中電機(jī)功率P1、P2

P1=F1·v1=9.8×0.0375=0.3675 kW（6）

P2=（G1+f1）·v2=（9.8+9.8×0.5）×0.045

=0.6615 kW（7）

選用9 V直流XS馬達(dá)作為動(dòng)力源，該電機(jī)輸出最大功率為0.955 kW，最大轉(zhuǎn)速為5995 r/min（RPM），輸出最大扭矩為60.29 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3?折疊裝置電機(jī)的選擇

為提高折疊展開(kāi)效率，折疊和展開(kāi)時(shí)間不超過(guò)3 s，可設(shè)計(jì)折疊時(shí)間t3為2 s，所以最大長(zhǎng)度（模擬長(zhǎng)度）H3為0.43 m，則其折疊速度v3

v3=H3/t3=0.043/2=0.0215 m/s（8）

折疊裝置的電機(jī)需提供拉動(dòng)橫向伸縮裝置所在橫臂的力，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，所需拉力F2為25 N，因電機(jī)不直接承受載荷只提供力，所以摩擦力可忽略，則折疊裝置中電機(jī)功率P3

P3=F2·v1=25×0.0215=0.5375 kW（9）

對(duì)電機(jī)功率計(jì)算，選用9 V直流XS馬達(dá)作為動(dòng)力源。該電機(jī)輸出最大功率0.955 kW，最大轉(zhuǎn)速5995 r/min，輸出最大扭矩60.29 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

4?傳動(dòng)模塊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)模塊根據(jù)采摘對(duì)象的位置和操作人員的操作流程，采用ROBO接口板作為I/O通道，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)模塊半自動(dòng)化控制?？刂瞥绦蛉鐖D4所示。程序中符號(hào)含義如下：M1、M2、M3、M4為電機(jī)，I1為控制按鍵。選中采摘對(duì)象后，啟動(dòng)外接電源的氣泵電機(jī)并按下控制開(kāi)關(guān)I1，手動(dòng)打開(kāi)氣泵，在電機(jī)M3和氣泵的驅(qū)動(dòng)下，折疊裝置打開(kāi)，按下停止開(kāi)關(guān)I1，M3停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按下控制開(kāi)關(guān)I1，在電機(jī)M1的驅(qū)動(dòng)下，360°旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)采摘模塊旋轉(zhuǎn)到與采摘對(duì)象同一豎直平面，按下開(kāi)關(guān)I1，M1停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按下控制開(kāi)關(guān)I1，電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)下，豎直伸縮裝置向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)支架使采摘模塊升降到與采摘對(duì)象同一高度，按下開(kāi)關(guān)I1，M2停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按下控制開(kāi)關(guān)I1，電機(jī)M4驅(qū)動(dòng)下，橫向伸縮裝置帶動(dòng)采摘模塊向外部待采摘蘋果方向伸長(zhǎng)，人工識(shí)別到采摘剪已抵達(dá)待采摘蘋果梗處，按下控制開(kāi)關(guān)I1，M4停止轉(zhuǎn)動(dòng)。操作人員根據(jù)采摘對(duì)象與采摘模塊的相對(duì)位置，完成對(duì)采摘目標(biāo)的半自動(dòng)化定位及校準(zhǔn)。

5?結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前中小型果園蘋果采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大、人工采摘效率低下及成本過(guò)高等問(wèn)題，基于慧魚(yú)模型設(shè)計(jì)了一種半機(jī)械自動(dòng)化的蘋果采摘系統(tǒng)，對(duì)其傳動(dòng)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。根據(jù)分析結(jié)果顯示，理想的傳動(dòng)方式應(yīng)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)傳輸和恒功率的方式控制，能夠保證各個(gè)裝置在傳動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性與高效性。本文為蘋果采摘系統(tǒng)傳動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)提供了理論支持，并為其采摘范圍和驅(qū)動(dòng)方式的選擇等方面進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。

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