一種基于體感檢測的溫室智能分揀移動平臺的設(shè)計(jì)

曾雯蓮 許 鵬 肖茂華

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031;2.東臺市金津果業(yè)有限公司，江蘇 鹽城 224200)

隨著我國人口紅利的消失，人工成本的不斷上漲，傳統(tǒng)的人工分揀方式越來越不適用，且人工分揀受操作人員主觀因素的影響較大，檢測精度和檢測質(zhì)量都無法保證穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的管控。市場上絕大多數(shù)水果分揀工作都在擁有流水化自動化的大型水果分選機(jī)的工廠內(nèi)完成，但對于溫室來說，大棚種植區(qū)域小，空間有限，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的機(jī)器采摘與大型農(nóng)產(chǎn)品分級設(shè)備的安裝，水果產(chǎn)后處理能力不足。

1 溫室水果分揀問題分析

國內(nèi)目前大多數(shù)地區(qū)主要采用人工分揀的方式對水果進(jìn)行分級，但隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化的發(fā)展以及人們對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，這種分揀方式的劣勢越發(fā)凸顯。隨著國家的經(jīng)濟(jì)、科技的快速發(fā)展以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和優(yōu)化，設(shè)施農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其中，溫室大棚種植已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用中不可或缺的一部分，但我國設(shè)施農(nóng)業(yè)目前仍存在土地利用率低、盲目引進(jìn)溫室、運(yùn)營管理費(fèi)用高、勞動社產(chǎn)率低等諸多問題。

我國市場上現(xiàn)有的水果分揀設(shè)備主要包括滾筒篩孔式水果分揀機(jī)和輥帶式水果分揀機(jī)2種。缺點(diǎn)是這種分揀技術(shù)在分揀過程中水果在分揀機(jī)上受到水果相互之間以及水果與設(shè)備之間摩擦力的時間長，水果的外部品質(zhì)比較容易被破壞，而且當(dāng)水果的果形不規(guī)則的時候，分揀的結(jié)果則會存在較大偏差，且此類分揀機(jī)較大，不適于大多數(shù)溫室大棚。因此，研發(fā)一款基于體感檢測的溫室智能分揀移動平臺具有重要意義。平臺在大棚內(nèi)進(jìn)行分揀作業(yè)時，既保證了工作效率，也保證了穩(wěn)定的檢測精度和檢測質(zhì)量。

2 分揀移動平臺的整體設(shè)計(jì)方案

為適應(yīng)大棚空間上的局限性和特殊性并且保證平臺工作效果，對整體裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。平臺由動力部分、傳動部分、控制部分、執(zhí)行部分和機(jī)械部分等5個部分組成。

本作品由重量較輕、行走效率高效且使用和維護(hù)方便的四輪結(jié)構(gòu)及分揀裝置組成。動力部分由電池和電機(jī)組成，采用蓄電池可在一定時間內(nèi)為平臺供電而避免作業(yè)時插電工作帶來的麻煩，控制部分以STM32為核心控制器，驅(qū)動及執(zhí)行部分以步進(jìn)電機(jī)、UWB模塊、直流電機(jī)、舵機(jī)及等裝置組成，平臺可實(shí)現(xiàn)對采摘后的水果實(shí)時分揀，其中分揀機(jī)構(gòu)結(jié)合3D打印技術(shù)，極大程度上保證水果在分揀過程中不受損害，使溫室分揀操作更精簡化、高效化。機(jī)械部分主要包括了平臺底板、四輪機(jī)構(gòu)和傳送帶。

圖1 分揀移動平臺示意圖

3 基于ANSYS的靜力學(xué)分析

3.1 建立有限元模型

溫室智能分揀移動平臺的整機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，在實(shí)際問溫室環(huán)境中，能否以較高的完成度和精確性來完成分揀工作十分重要，因此整個平臺最易受影響的部位就是履帶架。在工作過程中履帶架作為最主要的受力部件，有必要對其進(jìn)行有限元分析。利用CREO建立履帶及其履帶架的三維模型，并導(dǎo)入到ANSYS軟件中。

設(shè)置單元類型為正六面體20節(jié)點(diǎn)單元solid186，履帶架架材料為鋁合金，彈性模量為E=70 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=2.72×103 kg/m3；利用系統(tǒng)對模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為10 mm，履帶架有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 分揀移動平臺有限元網(wǎng)格示意圖

3.2 履帶架的靜態(tài)分析

在平臺底部4個截面處建立固定約束，在履帶的帶輪支撐柱上添加面均布載荷q，其值為150 N，進(jìn)行靜力學(xué)分析，其如圖3和圖4所示，履帶架架整體受力變化不大，應(yīng)力最大處的應(yīng)力值僅為0.19777 MPa，小于材料的許用應(yīng)力值，變形最大處為2.2928×10-4mm,變形量極小，所以整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全符合要求。

圖3 靜應(yīng)力分析結(jié)果

圖4 應(yīng)變云圖

4 結(jié)語

針對溫室大棚的實(shí)際環(huán)境情況，設(shè)計(jì)出一種基于體感檢測的溫室智能分揀移動平臺，以分揀移動平臺的履帶架為重點(diǎn)，建立其三維實(shí)體模型并進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明：履帶支架受力而產(chǎn)生的應(yīng)變以及履帶架所受的應(yīng)力均較小，證明該分揀移動平臺設(shè)計(jì)方案是可行的。文中采用的分析方法有效科學(xué)，為節(jié)省成本，縮短機(jī)械設(shè)計(jì)的周期奠定了理論基礎(chǔ)，在實(shí)踐應(yīng)用中有很重要的借鑒意義，對溫室大棚農(nóng)業(yè)的智能化、人性化以及高效化發(fā)展具有推進(jìn)性作用。該分揀移動平臺的研究設(shè)計(jì)對設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化有很重要的意義。