基于ABAQUS 的水果采摘機械手設(shè)計及研究

俞康 何曾 何凱

1、重慶三峽學(xué)院 2、三亞學(xué)院 3、閩南師范大學(xué)

1 研究背景

目前，中國農(nóng)業(yè)機械化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率僅為17%。與發(fā)達(dá)國家存在很大的差距[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實施精確農(nóng)業(yè)。廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機器人，以提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率。降低勞動強度。提高經(jīng)濟(jì)效率已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[2-3]。果蔬的采收方法有手工采收、機械輔助采收和機械化采收3 種[4-5]。并且，我國作為農(nóng)業(yè)大國要發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化必須要有機械化以及智能化和自動化的條件才能形成。近年來，隨著我國自動控制和機械臂技術(shù)的迅速發(fā)展，機械臂從工業(yè)領(lǐng)域逐漸滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)機械臂能夠滿足采摘的要求成為關(guān)鍵技術(shù)之一[6]。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

近幾年市場上售賣的水果采摘機械售價高以及采摘機械類型比較單一而且操作也不太方便。我國目前還是使用人工勞動比機械多。水果采摘大部分還是依靠人工來摘菜，使用機器采摘還沒有全面普及開，20 個世紀(jì)開始，一些歐美發(fā)達(dá)國家就開始對農(nóng)業(yè)機械的研發(fā)工作，水果采摘類的機械研發(fā)時間早，并且許多國家先進(jìn)的采摘機械在實踐中的應(yīng)用表現(xiàn)非常成功，但存在不足之處是國外先進(jìn)的水果采摘設(shè)備普遍造價較高，作業(yè)范圍較大，不太適合國內(nèi)水果種植的情況，所以我們必須設(shè)計出符合我國水果種植情況的采摘機械[7]。

2 水果采摘機械抓的總體設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

機械手是于機械臂相結(jié)合使用，適用于農(nóng)業(yè)的環(huán)境中工作，主要作業(yè)解決農(nóng)民采摘數(shù)量過大造成效率低下，由于針對性強，所以在設(shè)計要注意兩個重要的設(shè)計準(zhǔn)則：一、水果采摘機器工作人員一般是文化水平較低并且學(xué)習(xí)能力較為差的現(xiàn)象，對于較為復(fù)雜的農(nóng)用機器上手差而且出現(xiàn)問題也不懂維修，所以水果采摘機械抓一定要有簡單易上手等特點。二、國內(nèi)果農(nóng)大多數(shù)以個人小規(guī)模種植為主，收獲成率不高并且無法承價格高的機械材料，所以，在方便操作性強以及穩(wěn)定性好之余，性價比也要高，不然生產(chǎn)出來果農(nóng)無法承擔(dān)高昂價格。

2.2 設(shè)計思路

生活中水果種類繁多，每種類型的水果生產(chǎn)環(huán)境不同。所以果子的大小以及重量也有不同。本文針對不同的機械爪設(shè)計來分析其原理，水果采摘機械爪機械手能幫助人們解決很多問題，已經(jīng)在工業(yè)行業(yè)非常成熟。本文把機械爪分為三種不同類型的爪分別是吸盤式和兩爪式以及三爪式。機械爪的爪部部件是靠著手爪夾緊水果之后進(jìn)行采摘，然后將采摘水果進(jìn)行移動到預(yù)定的位置，比如機械爪在抓取水果并且水果有自身的重要加上移動的過程會產(chǎn)生慣性以及抖動的力產(chǎn)生，機械爪一定要有比較大的抓力，才能防止水果掉下。但是手爪的抓力力度是要剛剛好的，如果機械手爪的力度過大了不僅會消耗過多的動力以及降水果給破壞掉。并且機械爪的驅(qū)動裝置要有足夠的驅(qū)動力，通常地，機械手的抓力一般為2～3 倍的力度，在不一樣的夾緊力作用下，機械爪的傳動力也不一樣，所需求的驅(qū)動的大小力也要求不一。機械手爪設(shè)計時要有一定的開合和關(guān)閉的范圍，以及開合和關(guān)閉的角度也是要求考慮的范圍內(nèi)，這個開閉角度是指機械爪從打開的最大角度范圍和關(guān)閉的最小角度。對于平行移動的機械手爪，距離是從張開到關(guān)閉的直線移動距離，設(shè)計好開閉的角度才能順利地使機械爪采摘到水果后能夠更準(zhǔn)確地放置在目標(biāo)地點上，在設(shè)計完機械爪的角度時要考慮手爪的形狀選著要適合水果的形狀才能夠完美的貼合并且能夠抓的更牢。

下面為大家介紹三種不同類型的機械爪得到工作原理。

吸盤式機械爪工作原理：吸盤式的工作原理如下，先將吸盤式的機械手的通過吸嘴和真空設(shè)備與被提物體接觸，并且開始抽吸真空設(shè)備，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，把被提物牢牢地吸住，然后再移動被物體。吸盤式機械手設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在于真空吸盤用的真空泵。真空吸盤是具有較高的真空度，因此，他用途廣泛，如建筑、玻璃、印刷等行業(yè)當(dāng)中的各種吸盤式設(shè)備，以實現(xiàn)代替人工運送以及采摘等任務(wù)。

兩爪式的機械爪工作原理：兩爪式有兩個模擬的手爪組成，作為機械中最重要的部分，手爪零件的好壞對于生產(chǎn)效率有著直接的影響。首先是它的底盤，會在底盤山安裝一個升降零件，可以控制手爪的升降，然后是啟動系統(tǒng)和連接軸系統(tǒng)。這是三個零件構(gòu)成了兩指張角手爪，也決定了手爪的質(zhì)量的好與壞。

三爪式的機械爪工作原理：一種機械手三夾爪結(jié)構(gòu)，包括：轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)動圓盤，固定架，機械抓手；所述轉(zhuǎn)動圓盤與所述轉(zhuǎn)動軸連接固定；所述固定架與所述轉(zhuǎn)動圓盤固定連接；所述固定架上設(shè)有固定板；所述固定板上設(shè)有伸縮氣缸；所述伸縮氣缸上設(shè)有過渡板；所述過渡板呈L 型；所述伸縮氣缸的伸出端與所述過渡板連接固定；所述機械抓手與所述過渡板連接固定。本發(fā)明的有益效果是，通過轉(zhuǎn)動軸帶動轉(zhuǎn)動圓盤轉(zhuǎn)動，從而帶動固定架進(jìn)行轉(zhuǎn)動，滿足不同工位不同位置的工作狀態(tài)，通過拍照定位裝置保證機械抓手吸取及放下的穩(wěn)定及精確，保證物料放到正確的位置，并且通過多個抓取吸頭的設(shè)計，保證抓取的穩(wěn)定性，工作效率高，實用性強，精度高[8]。

3 機械手的仿真

3.1 機械手的建模

多用途抓取機械手吸盤式、兩爪式和三爪式。多功能機械手在仿真建模時分為液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。機械系統(tǒng)是多功能機械手完成各項動作的執(zhí)行機構(gòu)。由機械手爪、前臂、支架梁、底座等組成了工作裝置。運用Solidworks 軟件基本的建模命令。實現(xiàn)了機械系統(tǒng)主要零部件的建模，然后對機械手爪底座和前臂一后臂進(jìn)行安裝，在插入連接零件安裝到前板以及安裝液壓裝置，在進(jìn)行其他零件的組裝機械手爪等順序進(jìn)行整套安裝[9]。

4 機械手的應(yīng)力分析

然后在對機械手爪進(jìn)行一個應(yīng)力和位移分析，使用的軟件是ABAQUS 這款軟件是具有物體的模擬有限軟件能對簡單的線性分析，并且能夠?qū)暮唵位木€性分析到復(fù)雜化的非線性問題進(jìn)行分析。

4.1 機械手支架靜力分析

對機械手支架運用ABAQUS 軟件進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力分析。設(shè)置荷載為50MPa,其中的應(yīng)力和位移圖如圖1所示。

圖1 機械支架應(yīng)力和應(yīng)變云圖

結(jié)果分析：當(dāng)支架移動時候會出現(xiàn)徑向力，會發(fā)生變形，此處應(yīng)力較大，分布的節(jié)點會隨著時間的增加，變形會越來越大，同時會破壞支架，并且會影響機械臂的使用。

4.2 機械爪的應(yīng)力分析

機械爪取果子時候會引起模型的變形，從而影響抓取果子的力度，所以要研究機械手爪的動力性能，然后再將畫好的三維模型導(dǎo)入到ABAQUS 軟件，分析出變形的后云圖如圖2 所示。

圖2 機械爪應(yīng)力和應(yīng)變云圖

5 存在問題

高性能零件匱乏。機械手臂有三大核心系統(tǒng)分別是減速器、控制系統(tǒng)以及隨動系統(tǒng)。我國對于高性能的零件都是依靠國外生產(chǎn)這樣會造成一些問題：一是機器手臂整體性能無法保證；二是因為機械手臂性能無法得到保障會使銷售下降，也會導(dǎo)致無法獲得供應(yīng)商提供良好的價格。

6 機械手爪的發(fā)展方向

6.1 小型化、集成化技術(shù)得到發(fā)展

現(xiàn)在計算機的發(fā)展和應(yīng)用速度是飛速的，計算機的開發(fā)控制器可以被用到機器人的控制系統(tǒng)中。模塊化技術(shù)是機械手小型化發(fā)展的一個重要趨勢，它能夠使得機械手更加小巧、靈活[10]。

6.2 信息融合技術(shù)的發(fā)展

作為現(xiàn)在機器人研究領(lǐng)域里比較關(guān)注的技術(shù)，信息融合能夠充分利用不同的傳感器對時間和空間的冗余信息導(dǎo)出更多有效信息，它的概念是利用計算機技術(shù)將來自不同傳感器或者不同來源獲取的信息進(jìn)行一系列分析與處理，最終得出一個評估任務(wù)和決策的信息處理過程[10]。

7 結(jié)語

中國是生產(chǎn)和消費水果的重要國家，每年收獲水果人手短缺，勞動人手短缺成為一個重要的問題。所以對智能水果采摘機械手進(jìn)行研發(fā)很有必要。目前，我國大力發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)并且對機械化和智能化要求不斷上升，所以利用設(shè)計合適的水果采摘機械手也是至關(guān)重要。