基于慧魚模型水果采摘機(jī)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)

龐培釗，丁 頌，孫立巍，王 銘，郭 爽

(長春師范大學(xué) 工程學(xué)院，吉林 長春 130032)

近年來，隨著果品質(zhì)量和機(jī)械化生產(chǎn)水平的不斷提高和發(fā)展。果品產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為繼糧食、蔬菜之后的第三大農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)。水果采摘作業(yè)作為水果生產(chǎn)鏈中耗時(shí)最多，費(fèi)力最多的一個(gè)環(huán)節(jié)，占到整個(gè)水果生產(chǎn)過程的30%～50%[1]。目前我國的水果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。使用水果采摘輔助設(shè)備可以提高采摘效率，降低損傷率，節(jié)省人工成本，提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。為提高采摘效率，國內(nèi)已出現(xiàn)許多半自動(dòng)化輔助采摘設(shè)備[2]。本文針對(duì)水果采摘作業(yè)問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了水果采摘機(jī)的機(jī)械臂，能夠有效地解決水果采摘效率低，損傷嚴(yán)重的問題。

1 機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案

1.1 機(jī)械臂的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在將采摘器準(zhǔn)確送到采摘對(duì)象位置的過程中，機(jī)械臂需要求平穩(wěn)無晃動(dòng)，快速準(zhǔn)確定位，為后續(xù)的采摘工作奠定基礎(chǔ)[3]。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)過程是一次采摘作業(yè)中用時(shí)最多的環(huán)節(jié)，機(jī)械臂的自由度越高，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，控制系統(tǒng)越難控制，成本也越高[4]。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械臂時(shí)除考慮本身的強(qiáng)度、剛度等，還應(yīng)考慮在能將采摘器避開樹枝、未成熟果實(shí)等送到采摘對(duì)象位置的同時(shí)，盡量減少機(jī)械臂的自由度。設(shè)計(jì)機(jī)械臂分為主支架、旋轉(zhuǎn)臂、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制單元，如圖1所示。

1.2 機(jī)械臂主支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂主支架是旋轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)采摘器在采摘作業(yè)運(yùn)動(dòng)過程中的載體，對(duì)整個(gè)機(jī)械臂起到支承的作用。為減少設(shè)備的整體空間及自重，主支架采用兩節(jié)式設(shè)計(jì)，每一節(jié)主支架選用4根長度為20 cm的鋁合金型材。兩節(jié)機(jī)械臂主支架中心位置均選用傳動(dòng)精度高的絲杠作為傳動(dòng)件。第二節(jié)主支架與第一節(jié)主支架中間的絲杠、旋轉(zhuǎn)臂底端與第二節(jié)主支架中的絲杠通過螺母連接，組合成具有自鎖功能的絲杠螺母機(jī)構(gòu)。

1.3 機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證采摘過程中整個(gè)裝置平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)臂選用質(zhì)量輕，且有較高強(qiáng)度的氣動(dòng)裝置作為傳動(dòng)件。在氣泵電機(jī)帶動(dòng)，兩側(cè)導(dǎo)軌支撐與導(dǎo)向作用下，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂20～25 cm的伸縮運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)導(dǎo)軌在采摘作業(yè)運(yùn)動(dòng)過程中形成力偶，平衡旋轉(zhuǎn)臂運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的彎矩。旋轉(zhuǎn)臂底端蝸輪與第二節(jié)主支架上的隨旋轉(zhuǎn)臂移動(dòng)的蝸桿配合，組合成具有自鎖功能的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，防止工作過程中掉電帶來的安全隱患。

1.4 傳動(dòng)系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)原理分析

主支架底端和旋轉(zhuǎn)臂底端通過9 V直流電機(jī)與蝸桿相聯(lián)，帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主支架底端蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)控制機(jī)械臂整體，在Z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)臂底端蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)控制旋轉(zhuǎn)臂在Y軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。主支架中絲杠與9 V直流電機(jī)通過齒輪聯(lián)接，降低了絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)速度，增大了絲杠扭矩，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，便于控制旋轉(zhuǎn)臂在Z軸方向的升降運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)臂中的氣動(dòng)機(jī)構(gòu)，在氣泵電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過氣壓傳動(dòng)，控制旋轉(zhuǎn)臂在X軸方向的伸縮運(yùn)動(dòng)。多種運(yùn)動(dòng)相互配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在避開樹枝、未成熟果實(shí)等后，將采摘器送到采摘對(duì)象位置停止，并完成采摘過程。

2 基于慧魚模型水果采摘機(jī)的機(jī)械臂試驗(yàn)與分析

基于慧魚模型水果采摘機(jī)的機(jī)械臂如圖2所示[5]。為優(yōu)化機(jī)械臂主支架中傳動(dòng)件、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)臂作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳動(dòng)方式。驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)過程中提供電能的9 V直流電機(jī)能否滿足最低設(shè)計(jì)要求。

基于慧魚模型進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

表1 主支架傳動(dòng)件比較

表2 旋轉(zhuǎn)臂的傳動(dòng)方式比較

經(jīng)過對(duì)比齒輪齒條機(jī)構(gòu)和絲杠螺母機(jī)構(gòu)、蝸桿傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)，絲杠螺母機(jī)構(gòu)和蝸桿傳動(dòng)因傳動(dòng)效率低，更易于控制，自鎖功能防止工作過程中掉電后的安全隱患，傳動(dòng)精度高，能準(zhǔn)確定位。故設(shè)計(jì)選擇以絲杠螺母機(jī)構(gòu)作為主支架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以蝸桿傳動(dòng)作為旋轉(zhuǎn)臂運(yùn)動(dòng)過程中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更佳。

表3 9 V直流電機(jī)在采摘過程中的試驗(yàn)參數(shù)

旋轉(zhuǎn)臂在9 V直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，旋轉(zhuǎn)過90°角所需要的時(shí)間、瞬時(shí)峰值電流、瞬時(shí)峰值電壓，如表3 所示，結(jié)合采摘機(jī)慧魚模型相關(guān)參數(shù)理論計(jì)算如下：

旋轉(zhuǎn)臂自重184 g，位于旋轉(zhuǎn)臂末端的采摘器重157 g。將旋轉(zhuǎn)臂看作質(zhì)地均勻的桿，采摘器看作質(zhì)點(diǎn)。G1=m1g=1.57 N,G2=m2g=1.84 N，Mmax=FL=G1L1+G2L2=0.62 N·m，故該9 V直流電機(jī)需要至少提供0.62 N·m的扭矩才能滿足旋轉(zhuǎn)臂伸長到最大位置時(shí)能正常工作。9 V直流電機(jī)的最小啟動(dòng)扭矩：Tmin=9 550P/n，轉(zhuǎn)速：n=0.25 r/1.8 s=8.33 r/min，Pmin=UI=0.81 W,Tmin=9 550P/n=0.93 N·m，該9 V直流電機(jī)能提供的最大扭矩為0.93 N·m，Tmin>Mmax，故該9 V直流電機(jī)能滿足旋轉(zhuǎn)臂在運(yùn)動(dòng)過程的要求。

3 水果采摘機(jī)的機(jī)械臂控制單元設(shè)計(jì)

水果采摘機(jī)的機(jī)械臂整個(gè)控制單元包括機(jī)械臂整體的旋轉(zhuǎn)和升降，旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)和伸縮，根據(jù)采摘對(duì)象的位置和操作人員的操作，利用的ROBO控制，實(shí)現(xiàn)水果采摘機(jī)的機(jī)械臂的控制，控制程序如圖3所示。

選中采摘對(duì)象后，按下控制開關(guān)I1，在電機(jī)M1的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械臂帶動(dòng)采摘器旋轉(zhuǎn)到與采摘對(duì)象同一豎直平面，按下停止開關(guān)I5，M1停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按下控制開關(guān)I2，在電機(jī)M2的驅(qū)動(dòng)下，采摘器升降到與采摘對(duì)象同一高度，按下停止開關(guān)I5，M2停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按下控制開關(guān)I3，電機(jī)M3驅(qū)動(dòng)下，通過氣壓傳動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)臂伸縮，采摘器到達(dá)采摘對(duì)象正下方，按下停止開關(guān)I9，M3停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按下控制開關(guān)I4，電機(jī)M4驅(qū)動(dòng)下，旋轉(zhuǎn)臂向上旋轉(zhuǎn)，直至采摘器中的光敏傳感器檢測(cè)到果實(shí)，M4停止轉(zhuǎn)動(dòng)，再次按下I4，旋轉(zhuǎn)臂向下旋轉(zhuǎn)，按下I5，M4停止轉(zhuǎn)動(dòng)。操作人員根據(jù)采摘對(duì)象與機(jī)械臂的相對(duì)位置，選擇適當(dāng)?shù)目刂崎_關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)機(jī)械臂定位過程。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)目前我國水果采摘過程耗時(shí)長，勞動(dòng)力需求大，果實(shí)損傷嚴(yán)重，現(xiàn)有輔助采摘設(shè)備采摘效率低等問題，基于慧魚模型設(shè)計(jì)了一種水果采摘機(jī)機(jī)械臂，要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對(duì)采摘對(duì)象精確、快速定位，應(yīng)以絲杠螺母結(jié)構(gòu)和恒功率控制作為升降方式，以蝸輪蝸桿傳動(dòng)作為旋轉(zhuǎn)方式，以氣壓傳動(dòng)作為伸縮方式為最佳。本文為半自動(dòng)化水果采摘機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)提供了理論支持，并為傳動(dòng)方式以及參數(shù)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比和驗(yàn)證。