一種振動(dòng)式水果采摘機(jī)械臂設(shè)計(jì)

王順溈 劉華雷 徐添翼 金一峰 李乾寅 張 凱（常熟理工學(xué)院，江蘇 常熟215500）

1 概述

我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，水果是很多地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)。但是我國(guó)水果采摘機(jī)械化水平還處于起步階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在水果生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘需投入的勞動(dòng)力占整種植過程的50%～70%[1]。現(xiàn)如今市場(chǎng)上充斥著多種多樣的水果采摘裝置，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上大多水果采摘裝置都是小型純機(jī)械結(jié)構(gòu)，在采摘收集水果時(shí)還是需要大量勞動(dòng)力，效率極低。

在國(guó)外果園大都在平原地區(qū)，因此以大型機(jī)械化生產(chǎn)為主。機(jī)械振動(dòng)采摘機(jī)又可分為：機(jī)械推搖和機(jī)械撞擊兩種[2]。推搖式采摘器是通過振動(dòng)器使果樹發(fā)生振動(dòng)，從而使水果與果蒂發(fā)生分離。撞擊式是通過撞擊果樹使果實(shí)掉落。采用機(jī)械化采收不僅能減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省人工成本、提高作業(yè)效率，而且能提高水果的經(jīng)濟(jì)效益[3]。歐美等國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)以大農(nóng)場(chǎng)為主，采用振動(dòng)式采摘機(jī)械較多。振動(dòng)式采摘機(jī)械，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理所存在的缺點(diǎn)和不足之處：（1）需要人工操作機(jī)械臂，握住手把進(jìn)而夾持樹干；（2）水果墜落后，或者直接墜落到地上，或者用大布料接，操作不是很方便；（3）機(jī)械手長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)后，容易出現(xiàn)滑落現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)的水果采摘結(jié)構(gòu)主要是刀片輔助人工采摘裝置，升降采摘臺(tái)裝置等，與大型機(jī)械式采摘器相比，采摘效率較低。隨著我國(guó)逐漸進(jìn)入老齡化社會(huì)，勞動(dòng)力成本的提高，并且嚴(yán)重不足，采摘果實(shí)成上升，嚴(yán)重制約了我國(guó)種植業(yè)的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，不再需要人工扶持加緊樹干，并且夾持更加緊固。另外，在機(jī)械臂上設(shè)計(jì)了水果收集裝置，提高了采摘效率。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圖1 為機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)，圖中未畫出固定于各個(gè)（轉(zhuǎn)下頁）連桿關(guān)節(jié)上的柔性帆布。此裝置的運(yùn)動(dòng)功能主要有兩個(gè)：第一，夾緊樹干；第二，張開收集帆布。實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)功能的驅(qū)動(dòng)器是電機(jī)2。該裝置的工作程序如下：首先，電機(jī)帶動(dòng)與聯(lián)軸器3 相連接的蝸桿。當(dāng)蝸桿驅(qū)動(dòng)小齒輪17 時(shí)，帶動(dòng)階梯軸18 轉(zhuǎn)動(dòng)，階梯軸與夾持爪底座相配合，使左右兩個(gè)夾持爪11 夾緊或者松開。在階梯軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，帶動(dòng)大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)通過齒輪組6 使連桿組10 發(fā)生伸縮動(dòng)作。當(dāng)機(jī)械臂夾緊樹干并且帆布張開后，振動(dòng)器1 開啟，使夾持爪11 所夾的樹干進(jìn)行振動(dòng)，達(dá)到采摘果實(shí)的效果。下落的果實(shí)通過柔性帆布支撐起的傘狀布兜進(jìn)行收集，接著順著布兜底下的孔洞經(jīng)傳輸網(wǎng)道滾入收集框里，即完成一個(gè)采摘兼自動(dòng)收集的工作流程。

圖1 機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及原理

圖2 為夾持爪開合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。夾持爪11 與機(jī)械臂底座通過階梯軸18 相配合。當(dāng)電機(jī)工作，蝸桿帶動(dòng)小齒輪17 轉(zhuǎn)動(dòng)。小齒輪與階梯軸18 通過矩形銷16 相配合，階梯軸帶動(dòng)其左右開合，實(shí)現(xiàn)夾緊和松開樹干的運(yùn)動(dòng)效果。

圖2 夾持爪開合結(jié)構(gòu)

圖3 為齒輪組及夾持爪結(jié)構(gòu)圖。圖3a 中，蝸桿帶動(dòng)小齒輪17 轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪與階梯軸通過矩形銷16 配合，繼而帶動(dòng)夾持爪轉(zhuǎn)動(dòng)。在階梯軸上半部分的另一個(gè)鍵槽與弧形銷13 相配合，從而帶動(dòng)大齒輪運(yùn)動(dòng)。大齒輪帶動(dòng)一系列齒輪組使連桿逐漸張開或閉合。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，夾持爪比被支撐起來的連桿先達(dá)到結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的最終點(diǎn)。該部分設(shè)計(jì)利用了扭力矩扳手原理。當(dāng)夾持爪夾緊樹干時(shí)，阻力超越矩形銷的彈簧彈力，底座停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，大齒輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪組將連桿逐漸抬起或落下。當(dāng)被支撐起的連桿達(dá)到它終點(diǎn)時(shí)，此時(shí)絲杠齒輪螺母8 已到達(dá)絲杠頂端，完成連桿組的打開，不再往上端移動(dòng)。由于矩形彈簧的作用，弧形銷被壓入矩形孔內(nèi)，大齒輪不再轉(zhuǎn)動(dòng)。彈簧14 起到過載保護(hù)，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)過大，則會(huì)按壓下去打滑，保護(hù)電機(jī)。圖3b 中，每個(gè)夾持爪部分都有三組長(zhǎng)齒輪9。長(zhǎng)齒輪組驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)絲杠螺母上下運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)絲杠螺母中間的裝置與連桿組10 相連接。加入三組長(zhǎng)齒輪組，目的是使每組絲杠螺母升降方向一致。

圖3 齒輪組及夾持爪結(jié)構(gòu)圖

圖4 為機(jī)械臂上的連桿組，由三組平行四邊形機(jī)構(gòu)組成。該部分設(shè)計(jì)模擬了雨傘張開和閉合的過程。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，帶動(dòng)絲杠齒輪螺母8 向上或者向下運(yùn)動(dòng)，通過平行四邊形的運(yùn)動(dòng)，使長(zhǎng)桿伸出或收縮，即可實(shí)現(xiàn)收納裝置的展開或者收攏。

圖4 連桿組結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文以蝸輪蝸桿及齒輪為傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出模仿雨傘張開收納運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，以四桿機(jī)構(gòu)為骨架，設(shè)計(jì)出一種水果收集裝置。該裝置不再需要人工扶持，可直接通過操縱桿控制其夾住樹干和張開收集帆布的效果。本設(shè)計(jì)的目的是使機(jī)械臂振動(dòng)采摘法的效率得到更大的提升，使采摘及收集一體化，操作更加的方便，再者極大縮小采摘裝置所占的空間體積。振動(dòng)式水果采摘器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以用于采摘蘋果、梨、柿子等大而密集的水果，采摘效率高，工作方便，對(duì)樹干及果實(shí)的損傷小。