辣椒采摘靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真①

張收港， 張立勇， 魏芳坤, 陳 璇

(1.安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 滁州 233100；2.安徽唯嵩光電科技有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

目前，在我國(guó)農(nóng)業(yè)智能化采摘領(lǐng)域中，采摘機(jī)器人研究占據(jù)著舉足輕重的地位[1]。在采摘機(jī)器人的研究方面，國(guó)外研究較早且處于領(lǐng)先地位，國(guó)外針對(duì)采摘機(jī)器人研究取得了一定的成果，并逐步向商業(yè)化發(fā)展，但國(guó)內(nèi)對(duì)于農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研發(fā)仍處于初步研究階段，且對(duì)辣椒采摘機(jī)智能化的研究更是極其缺乏[2-3]。

辣椒作為中國(guó)傳統(tǒng)的蔬菜之一，自從明代后期傳入中國(guó)后，幾百年來(lái)已成為我們?nèi)粘Ｉ铒嬍澄幕校豢扇鄙俚囊徊糠?。隨著當(dāng)代社會(huì)人類飲食結(jié)構(gòu)的逐漸改變，更多的人習(xí)慣在用餐時(shí)選擇帶有辣味的食品，這也致使了我國(guó)近些年辣椒種植區(qū)域面積不斷的擴(kuò)大。我國(guó)辣椒種植面積達(dá)到了2000萬(wàn)余畝，每年產(chǎn)量高達(dá)3000萬(wàn)噸，辣椒市場(chǎng)所創(chuàng)造出的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值高達(dá)700億元，中國(guó)已然成為辣椒種植生產(chǎn)第一大國(guó)，辣椒每年的總產(chǎn)值牢牢穩(wěn)居蔬菜榜榜首[4]。

但是面對(duì)辣椒產(chǎn)量逐年上漲的同時(shí)，在辣椒采摘過(guò)程中，需要投入大量的人力物力，傳統(tǒng)人工采摘的方式不僅效率低，而且辣椒為辛辣食材，長(zhǎng)期的人工采摘本身也容易對(duì)工人的健康造成一定影響，辣椒采摘機(jī)器人的研發(fā)不僅在提高效率的同時(shí)還降低了人工采摘的危害。辣椒采摘末端執(zhí)行器，作為辣椒采摘機(jī)器人中的重要組成部分，更是研究重點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一款辣椒采摘靈巧手，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，即能保證剪短辣椒梗的同時(shí)，也能夠?qū)苯愤M(jìn)行夾取，同時(shí)對(duì)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，以及對(duì)刀片的剪切能力做了實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了制作，在實(shí)驗(yàn)及使用中性能良好，為辣椒采摘現(xiàn)代化提供了設(shè)備支撐。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

為保證采摘過(guò)程順利進(jìn)行，對(duì)于辣椒采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，既要保證能夠剪斷辣椒的果梗，也能對(duì)辣椒進(jìn)行夾取，方便后續(xù)辣椒的收集[5]。針對(duì)辣椒的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，辣椒果梗較長(zhǎng)，且質(zhì)量較硬，因此本次在對(duì)辣椒加持這一動(dòng)作，主要作用于辣椒的梗部，同時(shí)對(duì)辣椒從植株上脫離也考慮作用在梗部，運(yùn)用剪斷或夾斷的方式進(jìn)行脫離。這樣即能保證辣椒無(wú)損傷采摘，也能夠?qū)崿F(xiàn)快速摘取這一過(guò)程?；谝陨纤悸吩O(shè)計(jì)出如圖1所示的裝置，該采摘靈巧手的整體結(jié)構(gòu)圖示：

a三維建模圖 b二維平面圖

該結(jié)構(gòu)主要由支架、舵機(jī)、齒輪齒條、固定夾爪、從動(dòng)夾爪和刀片六部分組成。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為小強(qiáng)靈活，首先在滿足設(shè)計(jì)使用的情況下，盡可能的采用輕量化的設(shè)計(jì)，同時(shí)在制作時(shí)，采用輕量化的材料，這樣既能夠減少機(jī)械臂作業(yè)時(shí)的負(fù)重，來(lái)保證采摘機(jī)械臂的作業(yè)穩(wěn)定性，同時(shí)輕量化的設(shè)計(jì)也能夠減少材料使用，也能夠降低制作成本。該靈巧手的工作原理為：把支架安裝在機(jī)械臂上固定，由舵機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條的移動(dòng)進(jìn)而縮小從動(dòng)夾爪和固定夾爪之間的距離，以此達(dá)到對(duì)辣椒果梗剪斷和收集的目的。

整個(gè)結(jié)構(gòu)的電器元件部分只有底部的舵機(jī)部分，本次采用的是型號(hào)DS5160的小型舵機(jī)，其可控角度180°，脈寬500-2500μs，適用于機(jī)器人關(guān)節(jié)，工業(yè)類開(kāi)發(fā),RC模型車開(kāi)發(fā)等等。具體參數(shù)如表1所示；尺寸結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 舵機(jī)尺寸二維圖

表1 舵機(jī)性能參數(shù)

2 關(guān)鍵零部件的有限元分析

考慮到采摘靈巧手在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的同時(shí)，還要考慮提高裝備使用安全系數(shù)滿足一定剛度和強(qiáng)度的需求，因此整體結(jié)構(gòu)采用工程塑料ABS塑料，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，減少不必要的材料使用浪費(fèi)材料的性能參數(shù)如表2所示：

表2 材料性能參數(shù)

由于整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈巧，整體質(zhì)量較輕，主要的受力和承重的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為支架部位，因此只需要對(duì)關(guān)鍵零件支架進(jìn)行有限元仿真分析[6-7]。本次分析選擇了四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格化分析,得到平均表面積596.2mm2，最小邊緣長(zhǎng)度3mm，共162109個(gè)節(jié)點(diǎn)，103510個(gè)單元。如圖3所示：

根據(jù)支架和辣椒本身自重測(cè)試施加一個(gè)3N的壓力，對(duì)支架邊緣添加對(duì)應(yīng)的約束，在此基礎(chǔ)上分別對(duì)支架再進(jìn)行應(yīng)變分析和應(yīng)力分析，分析求解后觀察整體結(jié)構(gòu)的變形量和最大應(yīng)力值，如圖4所示：

a應(yīng)變分析

通過(guò)圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，支架在收到3N壓力時(shí)，最大的形變量?jī)H為0.98913mm的微小變形，受到的最大應(yīng)力為5.6049MPa，取安全系數(shù)n=1.5，仍小于ABS材料的許用應(yīng)力值24.5MPa，故本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足使用要求。

a整體結(jié)構(gòu)

3 果梗抗壓特性實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料于市場(chǎng)上常見(jiàn)的普通青椒，選取無(wú)病蟲(chóng)害及表面生長(zhǎng)完好的辣椒果梗材料，隨機(jī)挑選8種樣本，對(duì)樣本果梗直徑和樣本重量進(jìn)行測(cè)量，為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種樣本測(cè)量采用三次測(cè)量取平均值的方法[8]。測(cè)量數(shù)據(jù)如下表3所示：

表3 辣椒物理參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用SUNS質(zhì)構(gòu)儀試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)量程較大，既能測(cè)試金屬材料的拉壓特性，也能夠滿足非金屬材料特性的測(cè)量，且精度較高，并且能夠?qū)瓑禾匦赃M(jìn)行數(shù)據(jù)及圖形化輸出，提高了材料特性的可視化程度[9]。其他材料自制刀片厚度為0.5mm，為避免碰刀，刀具間存在細(xì)微的高低差。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如下圖5所示：

圖5 抗壓折彎試驗(yàn)機(jī)

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)果梗直徑大小、刀具傾斜角度和加載速度不同進(jìn)行切斷實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于辣椒果梗切斷力的影響主要因素依次為：果梗直徑，加載速度，切割角度。當(dāng)切割角度為 60°時(shí)[10-11]，切斷辣椒果梗所需剪切力為最小。刀具位移速度越快越容易導(dǎo)致果梗的斷裂，其次直徑越小的果梗更容易切斷。為了滿足任何情況下都可以正常切斷果梗的需求，以下選用直徑最大的7號(hào)樣本和最接近平均值的4號(hào)樣本進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)[12-13]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形圖6如下所示：

a7號(hào)樣本

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出即使是辣椒果梗直徑最大的7號(hào)樣本，果梗完全斷裂時(shí)所需的力僅有29.340N，正常直徑4號(hào)辣椒果梗完全斷裂時(shí)需要18.500N。因此本設(shè)計(jì)中的末端執(zhí)行器，兩刀片之間的剪切力，即由舵機(jī)提供的扭力，經(jīng)齒輪齒條傳動(dòng)到刀具上而產(chǎn)生的作用力，應(yīng)大于剪切果梗所需要的29.340N的力，此裝置才能正常工作。

首先對(duì)刀具受力進(jìn)行分析，刀具的受力狀態(tài)如圖7所示，其中d為齒輪分度圓直徑，本次選型的齒輪參數(shù)為，齒輪模數(shù)m為1，齒數(shù)z為16齒正齒輪，由分度圓公式：

圖7 刀具受力分析圖

d=mz

(1)

得到分度圓直徑d為16mm；則半徑r為0.8mm，因舵機(jī)選型，其輸出扭力為58kg/cm，即輸出扭矩T為5.8N/m，帶入公式：

T=Fl

(2)

得到F值為72.5N，遠(yuǎn)大于果梗剪切實(shí)驗(yàn)中，果梗切斷時(shí)所需要力的最大值29.340N，故本設(shè)計(jì)的裝置能夠正常工作，完成果梗剪切分離這一動(dòng)作。

4 樣機(jī)實(shí)物制作

利用3D打印技術(shù)對(duì)建立的三維模型進(jìn)行實(shí)物制作。制作完的采摘靈巧手經(jīng)過(guò)測(cè)試，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性與預(yù)期目標(biāo)一致，然后通過(guò)支架安裝在機(jī)械臂上。最終的樣機(jī)實(shí)物如下圖7所示，其中采摘靈巧手運(yùn)行狀態(tài)良好，能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)合動(dòng)過(guò)，同時(shí)手動(dòng)模擬對(duì)辣椒進(jìn)行采摘時(shí)，該裝置能夠完成對(duì)辣椒梗部的切斷和加持動(dòng)作，運(yùn)行狀態(tài)良好。

圖8 實(shí)物制作設(shè)備和樣機(jī)

5 結(jié) 論

利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)并建立了辣椒采摘末端執(zhí)行器靈巧手的三維模型，在材料選擇上選用ABS塑料既滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)又能達(dá)到輕量化的目的。其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并對(duì)其中的關(guān)鍵零部件支架進(jìn)行仿真測(cè)試，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)對(duì)辣椒果梗的剪切實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)完全能滿足實(shí)際工作需求。本次設(shè)計(jì)的辣椒采摘靈巧手，能夠?qū)苯愤M(jìn)行夾取采摘等功能，但是對(duì)于整個(gè)辣椒采摘機(jī)器人來(lái)說(shuō)，采摘末端執(zhí)行器只是一部分，下步將進(jìn)行辣椒識(shí)別、機(jī)械臂等部分的研究工作，爭(zhēng)取有進(jìn)一步的成果。同時(shí)本次設(shè)計(jì)的裝置，一定程度上能夠?yàn)槔苯凡烧袠I(yè)提供設(shè)備支撐，也能為辣椒采摘機(jī)器人的發(fā)展提供了一定的機(jī)械基礎(chǔ)。