水果采收運(yùn)一體化裝置的研究與設(shè)計(jì)

李金彥

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

果實(shí)的高效采收是當(dāng)前林果業(yè)的重要課題之一。長(zhǎng)期以來(lái)，果實(shí)的采收主要依靠人工作業(yè)，隨著人力成本的上升，大規(guī)模人工作業(yè)正逐步制約林果業(yè)的發(fā)展。因此，研制水果采收機(jī)械，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。水果采收機(jī)械，一方面可減少天氣因素對(duì)采摘作業(yè)的影響；另一方面可有效降低人工成本，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行了研究，主要集中在采摘、收集或輸運(yùn)等某一個(gè)環(huán)節(jié)，缺乏對(duì)整體作業(yè)的操控，功能單一、載荷有限、自動(dòng)化程度不高，且對(duì)果實(shí)的損傷較大。本文通過(guò)對(duì)采收作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的分析，研制采摘、收集和輸運(yùn)一體化機(jī)械，可有效降低果實(shí)損傷率，提高采收效率，節(jié)省人工成本，提高果農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益[3]。本文設(shè)計(jì)的水果采收機(jī)械裝置主要用于果類采收運(yùn)一體化作業(yè)，可爬坡、越埂，廣泛適用于平原、山區(qū)、丘陵、溫室等區(qū)域種植的果類采摘收獲。

1 整體設(shè)計(jì)思路

水果采收作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境的不完整性和不確定性導(dǎo)致了采收機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。采收現(xiàn)場(chǎng)可能有田埂、溝坎、樹枝或其他障礙物，因此需設(shè)計(jì)多自由度承載式自走車體，搭載全部采收設(shè)備、操作人員、駕駛?cè)藛T、果實(shí)、果箱等，這就要求采收機(jī)械要有較大的功率和轉(zhuǎn)矩，因此選用大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源，保證機(jī)器在極端工況下仍能正常作業(yè)。針對(duì)采摘機(jī)械要實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的識(shí)別、定位和抓取作業(yè)問(wèn)題，構(gòu)建空間坐標(biāo)系，配合計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)，完成對(duì)果實(shí)的智能定位和抓取。針對(duì)果實(shí)采摘需要及時(shí)收集，并在收集過(guò)程中防止相互碰撞導(dǎo)致?lián)p傷問(wèn)題，設(shè)計(jì)果實(shí)收集裝置。最后設(shè)計(jì)果實(shí)輸送裝置，將采摘的果實(shí)進(jìn)行輸送和裝箱作業(yè)，以完成裝、收、運(yùn)一體化作業(yè)?？傮w設(shè)計(jì)思路是運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks 完成整機(jī)各零部件的三維建模，設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手臂、果實(shí)收集裝置、果實(shí)輸送裝置、機(jī)車行走裝置與升降裝置，裝置均通過(guò)相對(duì)獨(dú)立的動(dòng)力源提供動(dòng)力，以確保機(jī)器工作的穩(wěn)定性。具體工作包括采摘裝置車體本體設(shè)計(jì)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇方案及大小設(shè)計(jì)，采摘機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì)，輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型，各零部件尺寸參數(shù)計(jì)算，分模塊完成各個(gè)工作部分的裝配模型，并生成三維立體總裝模型，應(yīng)用仿真軟件模擬各部件運(yùn)動(dòng)以確保證機(jī)器的安全性能，觀察效果并加以改進(jìn)，確保最終設(shè)計(jì)的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)果實(shí)采摘、收集、輸運(yùn)一體化作業(yè)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置中切割機(jī)構(gòu)的作用是對(duì)果實(shí)進(jìn)行采摘，以便后續(xù)收集機(jī)構(gòu)對(duì)水果進(jìn)行收集。水果采摘機(jī)械主要有振搖式、撞擊式和切割式3 種類型[4]，搖振式和撞擊式對(duì)水果損傷較大，本文選用對(duì)果樹和果實(shí)損傷較小的切割式采摘類型。以剪刀的結(jié)構(gòu)作為參照，并結(jié)合四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)剪刀大臂和小臂。在剪刀的基礎(chǔ)上對(duì)其兩端各增加一段連接片與固定板進(jìn)行連接。采用小型直流電機(jī)帶動(dòng)絲桿，推動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)推桿作為執(zhí)行元件，其直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)剪刀小臂運(yùn)動(dòng)，控制剪刀的大臂開(kāi)合。電動(dòng)推桿與剪刀在其兩剪切片連接處進(jìn)行連接，通過(guò)把手處的控制開(kāi)關(guān)控制電動(dòng)推桿進(jìn)行伸縮來(lái)帶動(dòng)剪刀對(duì)果實(shí)果梗進(jìn)行剪切，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的采摘過(guò)程，切割機(jī)構(gòu)原理圖如圖1 所示。

圖1 切割機(jī)構(gòu)

2.2 伸縮桿機(jī)構(gòu)

伸縮桿機(jī)構(gòu)主要用來(lái)連接采摘機(jī)械臂底座和采摘機(jī)械手，當(dāng)升縮桿伸縮時(shí)，可調(diào)整采摘機(jī)械手的位移空間，以便機(jī)械手采摘不同坐標(biāo)空間內(nèi)的水果。伸縮桿機(jī)構(gòu)由3 段支撐桿組成，外加導(dǎo)向槽固定，其具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，上支撐桿和中支撐桿分別可通過(guò)調(diào)整螺栓螺母的松緊來(lái)固定鄰近的支撐桿。3段支撐桿的長(zhǎng)度均為500 mm，通過(guò)上、中支撐桿的螺栓螺母調(diào)節(jié)松緊，可以調(diào)整水果采摘機(jī)的整體長(zhǎng)度為1.5～2.0 m。

圖2 伸縮桿機(jī)構(gòu)

2.3 收集機(jī)構(gòu)方案

收集機(jī)構(gòu)由連接蓋、緩沖網(wǎng)和收集盆組成，收集機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖3。連接蓋和緩沖網(wǎng)連接一起，連接蓋通過(guò)螺栓螺母固定于伸縮桿上，緩沖網(wǎng)底部有1 個(gè)直徑為70 mm 的出口，緩沖網(wǎng)下端為收集盆，收集盆與支撐桿和手把進(jìn)行連接固定。經(jīng)由切割機(jī)構(gòu)剪切掉落下來(lái)的水果進(jìn)入到緩沖網(wǎng)中進(jìn)行減速，然后以緩慢的速度進(jìn)入到收集盆中，實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的收集。緩沖網(wǎng)底部設(shè)計(jì)通口且接有收集盒，對(duì)掉入緩沖網(wǎng)的水果進(jìn)行緩沖減速并使水果以緩慢的速度進(jìn)入到收集盒中，由于單次僅收集1 個(gè)水果，可以避免對(duì)水果造成砸傷損壞，降低損傷率。

圖3 收集機(jī)構(gòu)

2.4 采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)

水果采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)的核心是要保證對(duì)水果的損傷率降到最低，難點(diǎn)在于機(jī)械手造型設(shè)計(jì)，利用仿生學(xué)原理，模擬人手對(duì)果實(shí)的抓取方式和移動(dòng)方式，設(shè)計(jì)機(jī)械手。機(jī)械手采用3 個(gè)手指的連桿機(jī)構(gòu)，手指內(nèi)測(cè)均貼有力學(xué)傳感器應(yīng)變片，傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)手指對(duì)水果的抓握力，向計(jì)算機(jī)控制中心實(shí)時(shí)反饋接觸果實(shí)部位受力變化，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算判斷并控制機(jī)械手舒張量，以調(diào)整抓握力的大小，降低果實(shí)損傷率?；诖蠖鄶?shù)成熟水果直徑一般為70 mm[5]，因此，所設(shè)計(jì)機(jī)械手的抓取范圍在直徑60～100 mm 之間，以確?？梢宰ト〗^大多數(shù)成熟水果，機(jī)械手的設(shè)計(jì)效果圖如圖4 所示。

圖4 機(jī)械手設(shè)計(jì)效果圖

2.5 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為保證采收機(jī)車具有較好的自由度和田間作業(yè)，設(shè)計(jì)機(jī)車行走機(jī)構(gòu)。機(jī)車行走機(jī)構(gòu)主要考慮能夠?qū)崟r(shí)控制機(jī)車前進(jìn)、后退以及運(yùn)動(dòng)速度，因此行走機(jī)構(gòu)要保證足夠的強(qiáng)度和剛度。機(jī)車前進(jìn)、后退和速度主要由電控液壓系統(tǒng)控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控，處理遠(yuǎn)端傳感器反饋的數(shù)據(jù)信號(hào)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，及時(shí)判斷，發(fā)送動(dòng)作指令。前輪通過(guò)液壓方向操作舵、液壓調(diào)速裝置，控制轉(zhuǎn)向以及機(jī)車移動(dòng)速度。前輪由球面電動(dòng)液壓操舵，在保證功率和扭矩的情況下，最低燃油消耗工況下的慢速度為0～1 km/h，快速度為0.3～4.0 km/h，前輪行走機(jī)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 前輪行走機(jī)構(gòu)

2.6 總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

水果采收一體化裝置包括采摘?jiǎng)恿Σ糠帧⑿凶邫C(jī)構(gòu)、傳輸部件和采收裝置，其中動(dòng)力部分包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)，行走機(jī)構(gòu)包括機(jī)車機(jī)架、車輪、轉(zhuǎn)向液壓缸等，傳輸部件包括齒輪箱、皮帶、機(jī)械滑臺(tái)等，采收裝置包括機(jī)械手、水果導(dǎo)流槽、裝框輸送機(jī)構(gòu)等，采收一體化裝置的總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6 所示。

圖6 水果采摘機(jī)的總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.7 裝置工作流程

采摘機(jī)械手接收控制中心信號(hào)，以計(jì)算機(jī)視覺(jué)為基礎(chǔ)，識(shí)別并判斷成熟果實(shí)并進(jìn)行三維坐標(biāo)計(jì)算和定位，合理規(guī)劃?rùn)C(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)械手在預(yù)定軌跡上運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)水果，對(duì)目標(biāo)水果抓取固定，切割機(jī)構(gòu)對(duì)水果果梗進(jìn)行切割，實(shí)現(xiàn)采摘手采摘水果，并將采摘到的果實(shí)放置在導(dǎo)流槽內(nèi)，導(dǎo)流槽采用摩擦力較大的粗厚橡膠織物，以減緩水果運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)入輸送裝置，經(jīng)提升到達(dá)裝筐輸送機(jī)構(gòu)，承接板承接水果使其落于毛刷上再進(jìn)入果筐，實(shí)現(xiàn)輕柔裝筐，降低損傷率。

3 動(dòng)力傳輸設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 動(dòng)力傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

本裝置機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳輸主要依靠異步步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，絲桿滑臺(tái)由一臺(tái)小功率直線步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械手抓取與舒張由絲桿直線步進(jìn)電機(jī)通過(guò)牽動(dòng)絲桿套沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手指握緊與舒張。

3.2 電機(jī)的選擇計(jì)算

預(yù)設(shè)負(fù)載質(zhì)量M=50 kg，螺桿螺距PB=20 mm，螺桿直徑DB=20 mm，螺桿質(zhì)量M=40 kg，摩擦系數(shù)μ=0.2，機(jī)械效率η=0.9，負(fù)載移動(dòng)速度υ=30 m/min，加速減速時(shí)間t1=t3=0.2 s。

1）電機(jī)軸上的總負(fù)載慣量

電機(jī)軸上的總負(fù)載慣量JL為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JW與螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JB之和。

2）電機(jī)轉(zhuǎn)速N

3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩Tf

加速所需總轉(zhuǎn)矩TA為重物加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩TA1與螺桿加速時(shí)所需要轉(zhuǎn)矩TA2之和

4）選擇伺服電機(jī)

伺服電機(jī)的額定扭矩T＞Tf且最大扭矩TMAX＞Tf+TA。

3.3 輸送機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)

水果采收機(jī)械輸送機(jī)構(gòu)包括裝筐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)，其中旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)向，用于對(duì)果實(shí)的裝框，液壓系統(tǒng)主要用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其動(dòng)力通過(guò)帶輪與皮帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，輸送帶可實(shí)現(xiàn)順時(shí)針/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7 所示。

圖7 輸送機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖

3.4 電動(dòng)推桿選型

通過(guò)對(duì)切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)剪刀剪切水果樹枝時(shí)的受力分析如圖8 所示，其中O點(diǎn)為兩剪切片的交點(diǎn)和電動(dòng)推桿推力的受力點(diǎn)，A、B為水果果梗的切割點(diǎn)，AO和BO為2 個(gè)剪切片分別到切割點(diǎn)的距離，AO=BO，α為剪刀的張角。通過(guò)對(duì)剪刀進(jìn)行設(shè)計(jì)，取AO=BO=70 mm，圓AB直徑為5 mm，F(xiàn)為電動(dòng)推桿對(duì)剪刀的推力，O為受力點(diǎn)。

圖8 切割受力分析

由AO=50 mm，AB=5 mm，則

解得α=5.74°，則查閱相關(guān)資料，預(yù)設(shè)剪刀剪斷水果樹枝所需的力為20 N，即FAy=FBy=10 N，則電動(dòng)推桿的推力至少為

查閱手冊(cè)，選取安全系數(shù)為S=2，則電動(dòng)推桿理論拉力應(yīng)為

通過(guò)對(duì)剪刀的工況分析，電動(dòng)推桿的最小行程為15 mm，由電動(dòng)推桿所需拉力和最小行程，對(duì)電動(dòng)推桿進(jìn)行選型，選取型號(hào)為XTL100，具體參數(shù)見(jiàn)表1 所示。

表1 電動(dòng)推桿參數(shù)表

由表1 可知，電動(dòng)推桿的最大行程為50 mm，由于電動(dòng)推桿可以在任意位置停止，且需要考慮電動(dòng)推桿的安裝位置，因此所選的電動(dòng)推桿大于原定最小行程15 mm，小于最大行程50 mm 即可，即所選取的電動(dòng)推桿的型號(hào)滿足使用要求。

3.5 輸送裝置的選擇

帶式輸送機(jī)的傾角一般小于18°[6]，本設(shè)計(jì)采用縱向輸送帶，不需要很大的提升角，提升工作強(qiáng)度不大，故而設(shè)定輸送帶傾角為10°，輸送帶長(zhǎng)1.5 m，寬0.6 m，前端與導(dǎo)流槽吻接，帶式輸送機(jī)如圖9 所示。

圖9 帶式輸送機(jī)

3.6 裝筐輸送機(jī)構(gòu)

裝筐輸送機(jī)構(gòu)與縱向輸送帶轉(zhuǎn)向相反，實(shí)現(xiàn)水果自動(dòng)均勻裝筐，毛刷設(shè)計(jì)引導(dǎo)水果輕柔裝筐，減少裝筐損傷。

4 總體示意圖

本采收裝置總體效果如圖10 所示。包括采摘部件，收集部件和輸送部件，都共同安裝于采摘車體上。車體為三輪結(jié)構(gòu)，其中前輪主要做轉(zhuǎn)向作用，后輪起支撐和動(dòng)力提供作用。

圖10 采摘機(jī)械總體效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用運(yùn)動(dòng)合成原理，簡(jiǎn)化機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)，降低機(jī)械手臂設(shè)計(jì)難度，在機(jī)械設(shè)計(jì)中進(jìn)行相關(guān)動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算和運(yùn)動(dòng)部件的選型。本文設(shè)計(jì)的采收運(yùn)一體化裝置，可基本實(shí)現(xiàn)水果的機(jī)械化采摘、收集、輸送、裝筐等，果實(shí)損傷率較低，有利于提高林果業(yè)采摘效率，降低人工成本，具有一定的適用性和推廣性。