剪切式蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

許 威， 趙春光， 張紀(jì)元

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028)

21 世紀(jì)以來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展提高，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)設(shè)施也在不斷更新，農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究也在不斷創(chuàng)新，由于大部分勞動(dòng)力都從事于工業(yè)方面的發(fā)展，造成了農(nóng)業(yè)方面的勞動(dòng)力緊缺，再者急速加劇的人口老齡化問(wèn)題，導(dǎo)致越來(lái)越少的人從事于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由此看來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展越來(lái)越趨向于自動(dòng)化、機(jī)械化發(fā)展，進(jìn)而取代人類手工生產(chǎn)[4-6]。 因此對(duì)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的機(jī)器手臂開展研究勢(shì)在必行。 研究表明，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的使用過(guò)程，一方面不僅可以使生產(chǎn)效率得到巨大提高，另一方面能夠合理地分配勞動(dòng)力[1-3]，改善了整體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。 從世界各國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，不同的國(guó)家對(duì)采摘機(jī)器人都有著獨(dú)特的研究方向及發(fā)展方式，各式各樣的機(jī)械手層出不窮，并在對(duì)農(nóng)作物的收獲和育苗中起到重要作用， 進(jìn)一步豐富了農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展[7-8]。

近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的成熟，更多自動(dòng)化、先進(jìn)的設(shè)備應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，采摘機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域也逐漸服務(wù)于農(nóng)民，并得到很好的應(yīng)用。 研究發(fā)現(xiàn)，按是否可以獨(dú)立自主行走進(jìn)行分類，現(xiàn)有的并實(shí)踐應(yīng)用于采摘的機(jī)械手分為兩種，一種可以在行走中進(jìn)行采摘工作，另一種只能達(dá)到采摘的要求，主要以水果、苗木等分布比較分散、質(zhì)量比較輕的個(gè)體為操作目標(biāo)[9-12]。 西班牙曾研發(fā)了一款柑橘采摘設(shè)備，主要應(yīng)用于柑橘的采摘，因其具有獨(dú)立的光學(xué)視覺(jué)系統(tǒng)，可以對(duì)采摘后的柑橘進(jìn)行下一步處理，更好地對(duì)柑橘大小做出選擇，以達(dá)到分類的目的[13-15]。 英國(guó)奧克杜公司研制了柔軟手臂機(jī)械手，通過(guò)調(diào)節(jié)材料內(nèi)部的氣壓變化來(lái)抓取經(jīng)過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別的東西[16-18]。 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)者研制了荔枝采摘的機(jī)械手，其機(jī)械手末端執(zhí)行器以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的剪切為收獲目的[19]。 錢少明、楊慶華等學(xué)者開發(fā)了一款采摘黃瓜的機(jī)械手，末端執(zhí)行器可快速識(shí)別黃瓜的成熟度，進(jìn)行路徑規(guī)劃來(lái)對(duì)成熟黃瓜采摘[20-21]。

由于現(xiàn)有的采摘機(jī)械手仍存在許多不足，根據(jù)現(xiàn)有狀況，本文將提出一種新型剪切式的蘋果采摘機(jī)械手，提高蘋果采摘效率，提升果農(nóng)的收入。

1 剪切式蘋果采摘機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

1.1 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪切式蘋果采摘機(jī)械手主要由剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)1、動(dòng)力機(jī)械臂組2 和支撐底座3 三大部分組成，如圖1所示。

圖1 蘋果采摘機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案圖

1.1.1 剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是執(zhí)行對(duì)蘋果果梗的剪切動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采摘。

剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)剪切板電缸1、動(dòng)剪切板2、靜剪切板3、靜剪切板電缸4、接果器5 組成，如圖2 所示。

圖2 剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)

為了便于蘋果果實(shí)的采摘，動(dòng)剪切板2 上設(shè)計(jì)有三角形的外切刃，靜剪切板3 上設(shè)計(jì)有“X”型剪切槽，槽內(nèi)設(shè)計(jì)有槽形內(nèi)剪切刃。

剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)采摘蘋果時(shí)，剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)在動(dòng)力機(jī)械臂組的作用下移動(dòng)至蘋果果實(shí)的正面，使果梗位于靜剪切板寬度范圍內(nèi)。 然后，靜剪切板向前移動(dòng)果梗沿著“X”型剪切槽側(cè)邊進(jìn)入到環(huán)形內(nèi)剪切刃中實(shí)現(xiàn)果梗的定位，如圖3(a)所示。 最后，動(dòng)剪切板向前移動(dòng)與環(huán)形內(nèi)剪切刃構(gòu)成剪切封閉多邊形鎖定果梗位置，如圖3(b)所示，動(dòng)剪切板繼續(xù)前移直至果梗被剪斷，蘋果掉入到接果器中完成蘋果采摘。

圖3 剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理示意圖

1.1.2 動(dòng)力機(jī)械臂組設(shè)計(jì)

動(dòng)力機(jī)械臂組主要是根據(jù)蘋果的位置來(lái)調(diào)整剪切執(zhí)行結(jié)構(gòu)的位置，使得果梗能夠順利地進(jìn)入到靜剪切板的“X”型剪切槽中，動(dòng)力機(jī)械臂組如圖4(a)所示。

圖4 動(dòng)力機(jī)械臂組

為了使剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)與地面保持平行或小角度傾斜，本文選擇串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力機(jī)械臂組的主要結(jié)構(gòu)。 同時(shí)，兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)串聯(lián)也可在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，能夠滿足在采摘果園復(fù)雜環(huán)境中的使用要求。

1.1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)總長(zhǎng)度600 mm，靜剪切板最大移動(dòng)距離200 mm，剪切槽寬度6 mm；

(2)動(dòng)力機(jī)械臂組兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)尺寸一樣，最大長(zhǎng)度均為1 000 mm，上方平行四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)速度18 °/s，下方平行四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)速度10 °/s。

2 剪切式蘋果采摘機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能分析

2.1 作業(yè)環(huán)境分析

國(guó)內(nèi)多數(shù)的蘋果種植園果樹種植縱向間距約為3 m，橫向間距約為3.5 m。 蘋果樹樹高約為2.9 m，樹冠直徑約為2～2.5 m，主干高度約在0.8 ～1 m，蘋果在樹冠上的分布縱深約為0～0.4 m，蘋果分布空間示意圖如圖5 所示。

圖5 蘋果分布空間示意圖(m)

2.2 工作空間分析

根據(jù)采摘機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和蘋果分布空間尺寸，利用圖譜法對(duì)采摘機(jī)械手的工作空間進(jìn)行分析，如圖6 所示。 經(jīng)過(guò)分析采摘過(guò)程中機(jī)械手只需移動(dòng)五次就可以將一顆蘋果樹上的蘋果全部采摘，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 機(jī)械手采摘范圍示意圖(mm)

2.3 運(yùn)動(dòng)性能分析

為了分析采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，利用SolidWorks Motion 對(duì)機(jī)械手采摘過(guò)程進(jìn)行模擬，各關(guān)節(jié)參數(shù)設(shè)置如表1 所示，采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖如圖7 所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

圖7 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

圖8 為剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)最前點(diǎn)線性位移曲線，由分析結(jié)果可知:各軸協(xié)同動(dòng)作，5s 后剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)最前點(diǎn)準(zhǔn)確到達(dá)采摘目標(biāo)位置，各條曲線平滑連續(xù)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)最前點(diǎn)位移曲線

圖9 和圖10 分別為剪切執(zhí)行結(jié)構(gòu)最前點(diǎn)線速度和加速度分析曲線，由分析結(jié)果可知:剪切執(zhí)行結(jié)構(gòu)最前點(diǎn)的速度和加速度曲線平穩(wěn)光滑，沒(méi)有突變，說(shuō)明剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較好。

圖9 剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)最前點(diǎn)線速度曲線

圖10 剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)最前點(diǎn)加速度曲線

3 剪切式蘋果采摘機(jī)械手的剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化

3.1 剪切刃受力情況分析

利用SolidWorks Motion 對(duì)動(dòng)、靜剪切板剪切蘋果果梗的受力情況進(jìn)行分析，研究切削刃角度的大小對(duì)剪切蘋果果梗時(shí)剪切刃所受反作用力的影響。動(dòng)、靜剪切板剪切蘋果果梗過(guò)程如圖11 所示。

圖11 動(dòng)、靜剪切板剪切蘋果果梗示意圖

設(shè)置剪切刃的角度分別為5°、10°、20°、30°、40°和50°，對(duì)動(dòng)、靜剪切板剪切蘋果果梗過(guò)程進(jìn)行模擬。得到不同剪切刃角度時(shí)，剪切刃所受的最大反作用力如圖12 所示。 從圖12 可以看出:剪切刃所受的反作用力的最大值隨著剪切刃角度的減小而減小，且隨剪切刃角度的減小，最大反作用力下降的趨勢(shì)變緩。

圖12 剪切刃角度與所受最大反作用力關(guān)系曲線

剪切刃角度越小，剪切刃越鋒利，剪切刃所受的最大反作用力越小，越有利于蘋果的采摘。 但是，剪切刃不能無(wú)限制地變小，剪切刃角度減小會(huì)降低剪切刃的耐磨性和強(qiáng)度，降低剪切刃的使用壽命，因此剪切刃的角度應(yīng)結(jié)合力學(xué)強(qiáng)度要求設(shè)置在一個(gè)合理的范圍。

3.2 剪切刃變形情況分析

研究當(dāng)剪切刃角度分別為5°、10°、20°、30°、40°和50°時(shí)，剪切過(guò)程中動(dòng)剪切板剪切刃的變形情況。設(shè)置剪切力為30 N，得到不同剪切刃角度時(shí)，動(dòng)剪切板剪切刃的變形情況，如圖13 所示。

圖13 剪切刃角度與最大靜態(tài)變形關(guān)系曲線

從圖13 可以看出:剪切刃剪果梗處的變形量的最大值隨著剪切刃角度的變小而增大，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。 當(dāng)剪切刃角度減小到10°以下時(shí)，剪切刃的變形量隨著剪切刃角度的減小而急劇增加。 當(dāng)剪切刃從10°減小到5°時(shí)，剪切刃的最大變形量增加近7 倍。

綜上所述，結(jié)合剪切刃的受力情況和變形情況的分析結(jié)果，綜合考慮蘋果果梗的力學(xué)強(qiáng)度、剪切刃的使用壽命等，最終確定剪切刃的角度為10°。

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有蘋果采摘機(jī)械手存在的問(wèn)題，提出了一種剪切式蘋果采摘機(jī)械手，通過(guò)對(duì)剪切式采摘機(jī)械手作業(yè)環(huán)境進(jìn)行分析，確定了蘋果果實(shí)的空間分布規(guī)律與范圍，利用圖譜法對(duì)剪切式采摘機(jī)械手的工作空間進(jìn)行了研究。 分析了剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)最前點(diǎn)的位移曲線、線速度曲線和加速度曲線，驗(yàn)證了剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)在采摘過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。 通過(guò)對(duì)剪切執(zhí)行機(jī)構(gòu)剪切刃的受力情況和變形情況進(jìn)行分析，最終確定剪切刃的角度為10°。