獼猴桃采摘機(jī)器人自動(dòng)裝箱裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王周宇,徐 燦,李 凱,楊 晨,崔永杰,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100)

0 引言

獼猴桃因其營(yíng)養(yǎng)豐富而被譽(yù)為“維C之王”,由于質(zhì)地柔軟、口感酸甜,深受大眾喜愛(ài)[1]。獼猴桃柔軟易破損的特殊物理特性,致使對(duì)于采摘所獲獼猴桃果實(shí)的裝箱收集與儲(chǔ)存,具有較高要求和標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。獼猴桃采摘機(jī)器人采摘后的裝箱過(guò)程中,易對(duì)獼猴桃果實(shí)形成堆壓碰傷、觸碰擦傷等損毀傷害,影響獼猴桃果實(shí)的品質(zhì)與風(fēng)味。

目前,已有關(guān)于果實(shí)收獲過(guò)程中的聯(lián)合作業(yè)機(jī)具,國(guó)內(nèi)也有針對(duì)蘋果的果園采摘平臺(tái)的傳送裝箱系統(tǒng)研究[5]。美國(guó)的張昭等對(duì)進(jìn)行了針對(duì)蘋果果實(shí)摘后的分級(jí)—裝箱一體化裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[6]。但是,國(guó)內(nèi)外大部分的果實(shí)采摘機(jī)器人上,并沒(méi)有設(shè)置專門的果實(shí)摘后搬運(yùn)裝箱裝置。例如,國(guó)外Hayashi S.等人設(shè)計(jì)的茄子采摘機(jī)器人[7]、Chiu等人設(shè)計(jì)的柑橘采摘機(jī)器人[8],國(guó)內(nèi)的王曉楠等人設(shè)計(jì)的番茄采摘機(jī)器人[9]、楊麗等人設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)器人[10]及獼猴桃采摘機(jī)器人[11]等。利用采摘末端執(zhí)行器完成采摘及裝箱的工作,不但增加了采摘末端執(zhí)行器的工作行程,影響采摘效率,同時(shí)由于沒(méi)有專門裝箱裝置,果實(shí)在箱內(nèi)因?yàn)槎逊e、碰撞等問(wèn)題的出現(xiàn)極易形成損傷。

針對(duì)上述不足及以往關(guān)于智能化農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)研究中所存在的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)出一款獼猴桃采摘機(jī)器人自動(dòng)裝箱裝置,對(duì)其中的旋轉(zhuǎn)分離機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì),并利用正交試驗(yàn)探究緩沖軌道距箱底高度、旋轉(zhuǎn)圓筒轉(zhuǎn)速及傳送帶線速度對(duì)于裝箱后獼猴桃的損傷影響。設(shè)計(jì)的裝置可以提高獼猴桃采摘機(jī)器人的工作效率,同時(shí)可對(duì)獼猴桃進(jìn)行均勻化裝箱,減少搬運(yùn)裝箱過(guò)程中對(duì)獼猴桃造成的堆壓碰傷和觸碰擦傷等損毀傷害,為后續(xù)獼猴桃采摘收獲一體化裝備的設(shè)計(jì)與試制奠定基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

獼猴桃采摘機(jī)器人自動(dòng)裝箱裝置包括搬運(yùn)傳送機(jī)構(gòu)、機(jī)架、旋轉(zhuǎn)分離機(jī)構(gòu)、果箱移動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)5部分,如圖1所示。

1.搬運(yùn)傳送機(jī)構(gòu) 2.機(jī)架 3.控制箱 4.果箱搬運(yùn)機(jī)構(gòu) 5.果箱 6.旋轉(zhuǎn)分離機(jī)構(gòu)圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the machine。

1.2 工作原理

獼猴桃采摘機(jī)器人自動(dòng)裝箱機(jī)工作原理:首先將果箱放置于果箱移動(dòng)平臺(tái)中,接通電源后自動(dòng)裝箱機(jī)自動(dòng)復(fù)位;按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后,搬運(yùn)傳送裝置開(kāi)始運(yùn)動(dòng),將傳送皮帶上的獼猴桃運(yùn)至帶上末端收集出口,果實(shí)落入旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒內(nèi),旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒由其底部電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn),利用離心力將果實(shí)旋出;果實(shí)進(jìn)入分離圓盤入口,經(jīng)由緩沖軌道落入果箱中;當(dāng)果實(shí)在果箱內(nèi)部平鋪滿一層后,搬運(yùn)傳送裝置和旋轉(zhuǎn)分離裝置停止運(yùn)轉(zhuǎn),此時(shí)果箱移動(dòng)平臺(tái)裝置內(nèi)的絲杠滑軌運(yùn)轉(zhuǎn),帶動(dòng)果箱向下移動(dòng)單層果實(shí)厚度;停止下降后,搬運(yùn)傳送裝置和旋轉(zhuǎn)分離裝置繼續(xù)帶動(dòng)果實(shí)分離,循環(huán)上一工作流程;當(dāng)果箱完整填裝至最大限度時(shí),換上新果箱。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)

關(guān)鍵部件旋轉(zhuǎn)分離機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。旋轉(zhuǎn)分離機(jī)構(gòu)由果實(shí)分離組件和緩沖軌道共同組成:果實(shí)分離組件以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒和分離圓盤作為執(zhí)行元件,分離圓盤底部設(shè)有緩沖軌道。

1.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒 2.擋板 3.機(jī)架 4.緩沖軌道 5.分離圓盤圖2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the key parts。

2.1 果實(shí)分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

果實(shí)分離機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒和分離圓盤組成,如圖3、圖4所示。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒安裝在分離圓盤內(nèi)部,分離圓盤是固定不動(dòng)的,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向桶的轉(zhuǎn)軸穿過(guò)分離圓盤中央圓孔與分離裝置步進(jìn)電機(jī)相連,分離步進(jìn)電機(jī)可以帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒旋轉(zhuǎn)。其中,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒筒內(nèi)單次容納3～4個(gè)獼猴桃。為保證獼猴桃在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中留在筒中,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒筒深超過(guò)單個(gè)獼猴桃長(zhǎng)徑。筒體內(nèi)徑為140mm,外徑為150mm, 筒深140mm;外伸導(dǎo)向板與導(dǎo)向筒等高,高為140mm,長(zhǎng)為110mm;連接軸徑12mm,軸長(zhǎng)80mm。分離圓盤上均勻劃分6個(gè)圓孔,每個(gè)孔的直徑均取100mm,大于獼猴桃果實(shí)一般長(zhǎng)徑;圓盤直徑取480mm,厚20mm,凸臺(tái)高10mm,直徑150mm。其上有兩個(gè)沉頭螺紋孔,尺寸為Φ12×Φ7×30,用螺釘固定,使其與機(jī)架相連接。

圖3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒具體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of rotating guide cylinder。

圖4 分離圓盤具體結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of separating disc。

2.2 緩沖軌道設(shè)計(jì)及仿真試驗(yàn)

2.2.1 獼猴桃?guī)缀文Ｐ蛥?shù)建立

獼猴桃一般由果蒂、果皮、外果肉及內(nèi)果囊等部分構(gòu)成,其縱切面如圖5所示。獼猴桃構(gòu)成中,影響其壓縮力學(xué)特性的主要是外果肉及內(nèi)果囊部分,則在建立獼猴桃果實(shí)幾何模型時(shí),將獼猴桃果看作是由外果肉和內(nèi)果囊兩部分組成,并將這兩部分簡(jiǎn)化為線彈性材料。根據(jù)前期基礎(chǔ)試驗(yàn),由獼猴桃的幾何實(shí)際測(cè)量尺寸,測(cè)定獼猴桃整果長(zhǎng)軸為66mm、短軸為55mm的橢球體。其中,內(nèi)果囊近似簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體,長(zhǎng)寬高分別為15、14、50mm。

圖5 獼猴桃果實(shí)縱剖面圖 圖6 獼猴桃仿真模型Fig.5 Longitudinal section of kiwifruits Fig.6 Simulation model of kiwifruits。

2.2.2 緩沖軌道設(shè)計(jì)及模型建立

緩沖機(jī)構(gòu)可以將獼猴桃豎直方向的速度變?yōu)樗椒较虻乃俣?使豎直方向的速度為零。獼猴桃經(jīng)過(guò)緩沖軌道從軌道出口出來(lái)時(shí),豎直速度為零,相當(dāng)于獼猴桃是從軌道出口開(kāi)始跌落的,間接減少了獼猴桃的跌落高度;而水平方向的動(dòng)量可以通過(guò)與果框碰撞抵消,即將獼猴桃直接跌落的豎直方向動(dòng)量通過(guò)緩沖軌道轉(zhuǎn)化成水平方向的動(dòng)量和豎直方向動(dòng)量。如果忽略空氣阻力,根據(jù)能量守恒定律,能量轉(zhuǎn)化式為

(1)

式中Eg—重力勢(shì)能;

Ev—?jiǎng)幽?

Ef—獼猴桃與軌道摩擦消耗的能量;

m—獼猴桃質(zhì)量;

vx—軌道出口處獼猴桃質(zhì)心的水平速度;

vy—軌道出口處獼猴桃質(zhì)心的豎直速度;

h—獼猴桃的跌落高度。

獼猴桃與果框碰撞時(shí)動(dòng)量守恒定律為

Fxt=mvx

(2)

式中Fx—獼猴桃與果框碰撞時(shí)抵消水平速度的力;

t—獼猴桃與果框碰撞過(guò)程中速度從vx變?yōu)榱銜r(shí)的接觸時(shí)間。

根據(jù)能量守恒定律,忽略獼猴桃與軌道之間的摩擦,獼猴桃的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能,對(duì)緩沖軌道的軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖7所示。圓形軌道的A點(diǎn)的豎直速度為零,滿足低損要求,緩沖軌道高度應(yīng)小于200mm,將緩沖軌道高度選取為180mm,即圓形軌道的半徑為180mm。根據(jù)果箱的長(zhǎng)寬值,選擇軌道的寬度為120mm,經(jīng)過(guò)圓心O繪制1條長(zhǎng)度為120mm的水平直線OB,經(jīng)過(guò)B點(diǎn)繪制1條直線與圓相交于C點(diǎn)。若此時(shí)軌道的軌跡為線B-C-A,那么獼猴桃在C點(diǎn)的加速度太大,會(huì)損傷獼猴桃;繪制直線BC與弧AC之間的圓角,圓角半徑為100mm,圓角與直線BC的交點(diǎn)為D,與弧AC的交點(diǎn)為E,線B-D-E-A即為軌道的軌跡線。

使用CATIA V5軟件的創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊在yz平面繪制上述的軌跡線,然后插入一個(gè)圓。圓以圖上軌跡的B點(diǎn)為圓心,以xy平面為支撐面,以100mm為直徑;選擇掃描命令,以圓為輪廓,以軌跡線為引導(dǎo)曲線(見(jiàn)圖8),繪制出軌道模型;進(jìn)入零件設(shè)計(jì)模塊,選擇封閉曲面命令,選擇掃描得到的模型為要封閉的對(duì)象,使軌道模型實(shí)體化;使用盒體命令,厚度選為1mm,要移除的面選擇為軌道的兩個(gè)端面,軌道模型建立完成,如圖9所示。為了后續(xù)仿真時(shí)的可視化,將軌道剖開(kāi),并將模型材料定義為塑料,隱藏軌跡線和圓,得到仿真所需的模型如圖。為使果實(shí)在裝箱過(guò)程中在果箱中均勻分布,所設(shè)6個(gè)軌道在圓盤底部均向分布,即相鄰軌道之間轉(zhuǎn)角為60°。

圖8 緩沖軌道輪廓與引導(dǎo)曲線Fig.8 The contour and guiding curve。

圖9 緩沖軌道模型Fig.9 Buffer track model。

2.2.3 緩沖軌道仿真分析

為驗(yàn)證緩沖軌道的運(yùn)動(dòng)合理性,采用Adams 2016軟件中的Adams view進(jìn)行單個(gè)軌道運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

首先,通過(guò)CATIA建模,軌道及果實(shí)保存為.stp格式,導(dǎo)入Adams view中,分別定義果實(shí)以及軌道材料參數(shù)。其中,定義獼猴桃果實(shí)密度為1038.9kg/cm3,泊松比值0.33,彈性模量為0.53[12]。軌道參數(shù)取為塑料的材料特性,包含密度、彈性模量與泊松比等。獼猴桃與塑料之間的靜摩擦因數(shù)為0.39[13]。

獼猴桃和緩沖軌道主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 獼猴桃和緩沖軌道主要物理參數(shù)Table 1 Main Physical Parameters of Kiwifruits and Buffer Track。

在建立運(yùn)動(dòng)副連接關(guān)系時(shí),首先對(duì)軌道與地面進(jìn)行固定連接。為了防止果實(shí)下落中保持在軌道內(nèi)部運(yùn)動(dòng),定義果實(shí)與緩沖軌道之間為接觸連接。在獼猴桃果實(shí)上取質(zhì)心點(diǎn)為MARKER-9,作為速度與加速度的點(diǎn)分析,分別取終止時(shí)間為0.03、0.11、0.18、0.32s,截取運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像。果實(shí)在緩沖軌道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真如圖10所示。

圖10 果實(shí)在緩沖軌道中運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真Fig.10 Simulation of the movement process of fruit in buffer track。

由圖10可知:從軌道入口進(jìn)入后,果實(shí)運(yùn)動(dòng)速度及加速度起始點(diǎn)為A,此時(shí)果實(shí)以重力加速度g向下進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)。在軌道折彎處發(fā)生第1次碰撞,此時(shí)速度發(fā)生驟減,由B點(diǎn)降至B’,加速度反向,由E點(diǎn)到E’點(diǎn),經(jīng)過(guò)折彎后,果實(shí)在軌道里發(fā)生滾動(dòng),最后由出口落出,可以觀察到此時(shí)點(diǎn)C的速度接近于0,說(shuō)明此時(shí)果實(shí)豎直方向上速度為0,豎直方向加速度恢復(fù),果實(shí)再以重力加速度進(jìn)行平拋運(yùn)動(dòng);當(dāng)果實(shí)碰撞至箱壁時(shí),水平速度的動(dòng)能由于碰撞抵消。由此說(shuō)明,果實(shí)在軌道內(nèi)可以完成豎直方向上速度的減速,符合緩沖軌道的設(shè)計(jì)預(yù)期。

選取獼猴桃果實(shí)質(zhì)心點(diǎn)速度與加速度豎直方向分量進(jìn)行分析,得到豎直方向的速度與加速度隨時(shí)間變化,如圖11所示。

圖11 質(zhì)心點(diǎn)豎直方向速度與加速度圖Fig.11 Vertical velocity and acceleration change of centroid with time。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

獼猴桃采摘機(jī)器人自動(dòng)裝箱裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證實(shí)現(xiàn)獼猴桃果實(shí)自動(dòng)化裝箱的重要組成部分,如圖12所示。單片機(jī)選用AT89C52單片機(jī),傳送帶電機(jī)選用86HB159-401A旋轉(zhuǎn)分離電機(jī)選用57HB113-401A。根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案與裝置的設(shè)計(jì)基礎(chǔ),該控制系統(tǒng)主要包含以下組成部分:

圖12 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Structure of control system。

1)果箱位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)。果箱檢測(cè)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)霍爾位置傳感器NJK-5002C構(gòu)成,傳感器1 檢測(cè)果箱是否進(jìn)入到起始位置,傳感器2檢測(cè)果箱是否下降至指定最低位置。

2)果實(shí)裝箱檢測(cè)機(jī)構(gòu)。按下啟動(dòng)按鈕,裝置的果實(shí)傳送皮帶開(kāi)始傳送果實(shí),同時(shí)旋轉(zhuǎn)分離裝置電機(jī)啟動(dòng)工作,果實(shí)落入果箱;當(dāng)箱內(nèi)平鋪1層,位于果箱四角正上方的4個(gè)光電開(kāi)關(guān)E18-D80NK均接收到位置信息后,絲杠滑軌開(kāi)始下降指定距離,此時(shí)傳送帶電機(jī)和旋轉(zhuǎn)分離電機(jī)停轉(zhuǎn),下降完成后,傳送帶電機(jī)和分離電機(jī)恢復(fù)工作,裝果直至完成裝箱。

3 自動(dòng)裝箱裝置試制與裝箱試驗(yàn)

3.1 裝箱樣機(jī)試制

根據(jù)前期總體搬運(yùn)裝箱方案、關(guān)鍵部分與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成搬運(yùn)裝箱裝置樣機(jī)的試制,如圖13所示。

1.旋轉(zhuǎn)分離機(jī)構(gòu) 2.果箱移動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu) 3.控制系統(tǒng) 4.搬運(yùn)傳送機(jī)構(gòu)圖13 自動(dòng)裝箱樣機(jī)Fig.13 Protype of automatic packing machine。

3.2 搬運(yùn)裝箱試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的獼猴桃采摘機(jī)器人上自動(dòng)裝箱裝置的性能,比較自動(dòng)裝箱裝置在裝置內(nèi)部可調(diào)機(jī)構(gòu)的參數(shù)取不同參數(shù)組合時(shí),裝箱完成后的獼猴桃果實(shí)損傷率,確定裝置工作時(shí)的較優(yōu)參數(shù)組合。試驗(yàn)材料選用2018年10月26日在陜西省咸陽(yáng)市眉縣西北農(nóng)林科技大學(xué)獼猴桃試驗(yàn)站品種為“海沃德”的獼猴桃。試驗(yàn)前,確保獼猴桃果實(shí)表面光潔、無(wú)明顯缺陷。試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)的方法,以傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度及傳送效率為試驗(yàn)因素,獼猴桃損傷率為指標(biāo)進(jìn)行裝箱試驗(yàn),每個(gè)因素分別取3個(gè)水平,如表2所示。各組試驗(yàn)50顆獼猴桃,重復(fù)3次。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Table 2 Factors and Levels of orthogonal tests。

在正交試驗(yàn)中選取果實(shí)損傷率為試驗(yàn)指標(biāo),果實(shí)損傷率為

(3)

式中Np—果實(shí)表皮受損局部凹陷變軟個(gè)數(shù)(個(gè));

N—試驗(yàn)獼猴桃果實(shí)總數(shù)(個(gè))。

試驗(yàn)完成后,將各組試驗(yàn)裝箱后的獼猴桃果實(shí)分組用標(biāo)簽紙記錄,并置于冰箱中冷藏7天;冷藏結(jié)束后,取出各組果實(shí),將果實(shí)出現(xiàn)明顯損傷凹陷部位且變軟的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄。試驗(yàn)結(jié)果及方差分析如表3、表4所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Test scheme and results。

續(xù)表3。

表4 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance for orthogonal tests。

對(duì)影響獼猴桃采摘機(jī)器人上自動(dòng)裝箱裝箱成功率的因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,試驗(yàn)因素A極差最大,對(duì)跌落損傷影響的試驗(yàn)因素的顯著性為A、C、B,即緩沖軌道距箱底高度最大;其次是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒轉(zhuǎn)速及傳送帶線速度,最優(yōu)組合為A1C1B1,也就是緩沖軌道距箱底高度為200mm, 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒轉(zhuǎn)速為0.2rad/s,傳送帶線速度為0.1m/s。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了獼猴桃采摘機(jī)器人自動(dòng)裝箱機(jī)并試制了樣機(jī),可實(shí)現(xiàn)獼猴桃的搬運(yùn)裝箱。給定條件下,對(duì)裝箱后果實(shí)的損傷率進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明:當(dāng)緩沖軌道距箱底高度200mm、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向筒轉(zhuǎn)速為0.2rad/s、傳送帶線速度為0.1m/s時(shí),獼猴桃的碰撞損傷率為1.75%、可以高效完成獼猴桃的搬運(yùn)裝箱工作,獼猴桃果實(shí)的且損傷率滿足設(shè)計(jì)要求。