基于連桿機(jī)構(gòu)采摘機(jī)械手的設(shè)計

李俊良　張?zhí)熘堋≈焯炱妗〈薇G

摘 要：為提高蘋果采摘作業(yè)效率，降低勞動強(qiáng)度與采摘過程中蘋果的損壞率，根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點，研制末端執(zhí)行器為半圓形結(jié)構(gòu)的新型采摘機(jī)械手。該采摘機(jī)械手具有四自由度，在作業(yè)中可以完成整機(jī)360°旋轉(zhuǎn)、機(jī)械臂仰俯、末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)和閉合抓取動作。連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新性優(yōu)化使得機(jī)構(gòu)更為簡單輕便，并可在其他領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：連桿機(jī)構(gòu) 采摘機(jī)械手 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

中圖分類號：S372 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0114-02

果實采摘是勞動密集型作業(yè)，果樹種植園中果實采摘作業(yè)過程會消耗大量體力并且耗費(fèi)大量時間，工作強(qiáng)度極大并且季節(jié)性強(qiáng)[1]。目前人工收獲過程中主要是人工進(jìn)行彎腰采摘或者借助梯子登高進(jìn)行采摘，這樣的方式不僅受天氣的制約并且還具有一定危險性[2]。因此，研制一款基于連桿機(jī)構(gòu)的采摘機(jī)械手，降低在采摘時對果實的傷害，降低人工采摘和水果采摘器采摘的費(fèi)時、費(fèi)力的特性，提高采摘效率，保證果實新鮮程度，進(jìn)而使果園增多收益，具有很好的農(nóng)業(yè)發(fā)展前景。

1 采摘機(jī)械手的設(shè)計

如圖1所示，應(yīng)用Solidworks軟件構(gòu)建基于連桿機(jī)構(gòu)采摘機(jī)械手的三維模型，進(jìn)行電機(jī)選型以及分析機(jī)械臂部分的運(yùn)動軌跡，利用裝配系統(tǒng)對各個構(gòu)件進(jìn)行裝配從而裝配成機(jī)械手，進(jìn)一步完成機(jī)械手的參數(shù)化設(shè)計，進(jìn)行機(jī)械手運(yùn)動分析。

1.1 機(jī)械手半圓形末端執(zhí)行器的設(shè)計

如圖2所示該半圓形機(jī)械手主要由半圓開合機(jī)構(gòu)1、連桿6、和齒輪傳動器2等幾大部分組成，在設(shè)計的齒輪傳動結(jié)構(gòu)中，電機(jī)齒輪與頂部傳動齒輪嚙合，實現(xiàn)動力的傳輸，頂部齒輪的兩個方向分別鉸接半圓形機(jī)械手，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，通過齒輪嚙合傳動帶動兩個半圓形機(jī)械手爪部的閉合，進(jìn)而實現(xiàn)切割果柄采摘果實的功能。末端執(zhí)行器通過電機(jī)驅(qū)動軸與機(jī)械手臂部分結(jié)合，通過電機(jī)驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動可調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器工作的角度，根據(jù)果實果柄生長方向的不同可選取不同的角度進(jìn)行采摘。采摘過程中通過半圓形末端執(zhí)行器開合動作，將目標(biāo)果實覆蓋的同時切斷果柄，完成采摘作業(yè)。

末端執(zhí)行器兩側(cè)是半圓結(jié)構(gòu)，兩個半圓形結(jié)構(gòu)可以保證其合攏后的半球狀包圍空間稍大于果實尺寸，從而機(jī)械手弧形刀片可以實現(xiàn)對果柄的切割打斷，同時保證果實劃入設(shè)定的滑道緩沖裝置中。

1.2 刀片與刀槽嚙合切割果柄的實現(xiàn)

如圖3和圖4所示弧形刀片焊接于左側(cè)半圓形機(jī)械手圓弧內(nèi)側(cè)，并在半圓形機(jī)械手右側(cè)圓弧內(nèi)側(cè)設(shè)置刀槽，刀片切割果柄后進(jìn)入刀槽，設(shè)置刀槽的目的在于為刀片切割提供充足切割空間以便于能夠完全將果柄切斷，半圓形機(jī)械手圓形內(nèi)側(cè)貼有海綿層，作為保護(hù)層來避免果實與半圓形爪部的直接接觸。

半圓形機(jī)械手的閉合將目標(biāo)果實包圍其中，末端執(zhí)行器下一步的任務(wù)就是要將果柄割斷。通常果柄相對于末端執(zhí)行器的方位有較大的隨機(jī)性，半圓形弧形刀片與刀槽的嚙合可將刀片與刀槽之間任意相位置的果柄切斷。果實被包圍在了合攏半圓形機(jī)械手的內(nèi)部，果實順著滑道下滑至緩沖機(jī)構(gòu)。

1.3 機(jī)械手臂的設(shè)計

如圖3所示連桿機(jī)構(gòu)機(jī)械手臂，考慮到果樹枝葉較為繁多，該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、觸及范圍大、并且靈活輕便。通過伺服電機(jī)1的工作來實現(xiàn)機(jī)械手底座的旋轉(zhuǎn)功能，可以實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。通過伺服電機(jī)7的工作來控制連桿的擺動，實現(xiàn)整個機(jī)械手在前后空間的姿態(tài)調(diào)節(jié)。伺服電機(jī)5連接末端執(zhí)行器的電機(jī)驅(qū)動軸，通過電機(jī)的工作實現(xiàn)對末端執(zhí)行器采摘姿態(tài)的角度調(diào)節(jié)。

機(jī)械手臂作為實現(xiàn)采摘機(jī)器人靈活度的重要構(gòu)件，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)與功能對整個采摘機(jī)器人的性能起著至關(guān)重要的作用[3]。我們重點鉆研了機(jī)械臂在運(yùn)動時手部的位姿和機(jī)械手的參考點在不同位置所能夠到達(dá)的點的范圍，在設(shè)計中通過考慮機(jī)械臂各桿件的尺寸、運(yùn)動副類型和桿間的相互關(guān)系來確定末端執(zhí)行器所能實現(xiàn)的動作。通過Solidworks軟件進(jìn)行仿真模擬，獲取在采摘作業(yè)時采摘機(jī)械手能夠到達(dá)的作業(yè)范圍。

2 結(jié)語

機(jī)械手的多個部位采用創(chuàng)新性設(shè)計，將采摘機(jī)械手爪部設(shè)計為半圓形，可以在采摘過程中將果柄剪斷并且有效保護(hù)果實。根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點對機(jī)械手臂進(jìn)行設(shè)計，使得整個機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單輕巧，相關(guān)優(yōu)化結(jié)構(gòu)可在其他果蔬采摘工作中進(jìn)行改進(jìn)與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳川雄，張學(xué)明，汪小志.蘋果采摘六自由度機(jī)械手設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016（7）：65-69.

[2] 丁詳青，馬莉.采摘機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].機(jī)床與液壓，2017（23）：40-42.

[3] 周巍，趙言正.七自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作空間分析[J].機(jī)電一體化，2012（2）：13-16.