青皮核桃擠壓式撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

陜 巖 ， 徐道春

（1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.林業(yè)裝備與自動(dòng)化國(guó)家林草局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引言

核桃又稱(chēng)胡桃，與杏仁、腰果和榛子一起被稱(chēng)為四大干果[1-2]。中國(guó)居世界核桃生產(chǎn)國(guó)首位，核桃種植業(yè)已成為很多地區(qū)農(nóng)民增收致富的支柱產(chǎn)業(yè)[3-4]。隨著種植成本提高和果園種植規(guī)?；?，核桃采收的機(jī)械智能化需求逐漸增強(qiáng)。國(guó)外采收通過(guò)振動(dòng)落果機(jī)將核桃振落，集中成條后由撿拾機(jī)將其收集[5]。由于我國(guó)多數(shù)地區(qū)的核桃樹(shù)只能種植于淺山丘陵地區(qū)，這類(lèi)機(jī)械體積龐大，不適用于我國(guó)[6]。

將智能機(jī)器人應(yīng)用在農(nóng)林作業(yè)中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有大量的研究[7-9]。目前應(yīng)用于農(nóng)林作業(yè)的末端執(zhí)行器主要為真空吸附、柔性機(jī)械手等[10-12]。其中，真空吸附主要應(yīng)用于表面光滑的目標(biāo)，如甜椒等，而青皮核桃表面較粗糙，對(duì)吸附力要求較高；柔性機(jī)械手普遍應(yīng)用于體積較大且位置復(fù)雜的目標(biāo)，如蘋(píng)果、番茄等，而青皮核桃掉落環(huán)境簡(jiǎn)單，數(shù)量多。至今，現(xiàn)有的末端執(zhí)行器雖然對(duì)智能機(jī)器人在農(nóng)林領(lǐng)域的應(yīng)用起到推動(dòng)作用，但針對(duì)青皮核桃收集的研究很少。上述研究無(wú)法應(yīng)用于核桃收集的核心問(wèn)題在于作業(yè)環(huán)境與目標(biāo)數(shù)量的差異較大，因此課題組提出了一種擠壓式的青皮核桃撿拾機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)控制難度低、與機(jī)械臂集成度高，可為后期青皮核桃撿拾機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 青皮核桃物理參數(shù)

撿拾機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)以青皮核桃的物理參數(shù)為依據(jù)。本文選擇陜西黃龍的青皮核桃，其品種為香玲，外形呈橢球形，青皮核桃三維尺寸如圖1 所示。隨機(jī)選擇青皮核桃樣品100 個(gè)，分別測(cè)定其橫徑、縱徑、棱徑、質(zhì)量等物理參數(shù)。其中，青皮核桃橫徑a是核桃沿著短軸方向的最大尺寸，縱徑b是核桃沿著長(zhǎng)軸方向的最大尺寸，棱徑c是核桃沿著縫合線(xiàn)短軸方向的最大尺寸[13]，具體參數(shù)如圖2 所示。數(shù)據(jù)顯示，果實(shí)最大外形尺寸（a×b×c）為45.74 mm×54.53 mm×48.18 mm，最小外形尺寸（a×b×c）為41.76 mm×45.03 mm×43.45 mm，本文只考慮撿拾橫徑范圍為30 mm～60 mm 的青皮核桃，其他特例不在本文考慮范圍內(nèi)。

選取30 個(gè)成熟果實(shí)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，采用近似球度公式來(lái)表示青皮核桃的外觀特征，由公式（1）得到青皮核桃平均球度系數(shù)為0.94。由此定義青皮核桃模型為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)橢球體，果實(shí)表面任意一點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y，z）滿(mǎn)足公式（2）。

式中，Sp為球度系數(shù)，%；a為青皮核桃橫徑，mm；b為青皮核桃縱徑，mm；c為青皮核桃棱徑，mm；Dmax為最大直徑，mm。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)及工作原理

末端執(zhí)行器是實(shí)現(xiàn)撿拾操作的主要執(zhí)行部件。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將影響其撿拾的工作空間以及運(yùn)動(dòng)的靈活性和穩(wěn)定性，這對(duì)整個(gè)智能撿拾的實(shí)現(xiàn)起著決定性作用[14-17]，因此對(duì)其進(jìn)行尺寸參數(shù)計(jì)算，最終得到理想?yún)?shù)：撿拾葉片的長(zhǎng)度為35 mm，撿拾葉片末端滾輪長(zhǎng)度為18 mm，撿拾葉片和基座連接銷(xiāo)軸與基座中心的長(zhǎng)度為35 mm，撿拾葉片與基座的夾角為50°。當(dāng)撿拾葉片處于初始狀態(tài)時(shí)夾持范圍最小，此時(shí)夾持直徑為30 mm，當(dāng)撿拾葉片繞銷(xiāo)軸的轉(zhuǎn)角為40°時(shí)，有效夾持范圍達(dá)到最大，此時(shí)夾持直徑為60 mm。

根據(jù)青皮核桃末端執(zhí)行器撿拾葉片的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，它的抓持模式為夾持，即由3 個(gè)撿拾葉片的末端夾住目標(biāo)物體，依靠末端與物體之間的摩擦力克服物體重力實(shí)現(xiàn)抓取。基于上述理想情況的描述對(duì)青皮核桃撿拾末端執(zhí)行器夾持模型進(jìn)行受力分析，如圖3所示。

圖3 不同階段撿拾機(jī)構(gòu)受力分析

在空載階段中，如圖3（a）所示，撿拾葉片和滾輪的重力與連接架壁提供的支持力和扭力彈簧產(chǎn)生的扭力所抵消，使撿拾葉片固定在初始位置，此時(shí)受力滿(mǎn)足公式（3）。

式中，F(xiàn)a12為銷(xiāo)軸對(duì)撿拾葉片的拉力，N；G為撿拾機(jī)構(gòu)重力，N；M0為扭力彈簧產(chǎn)生的扭矩，N·m；Fa32為機(jī)架對(duì)撿拾葉片的支持力，N；θ1為重力與撿拾葉片垂線(xiàn)夾角，°；x1為撿拾葉片重心距銷(xiāo)軸長(zhǎng)度，mm；x2為機(jī)架對(duì)撿拾葉片支持力作用點(diǎn)距銷(xiāo)軸長(zhǎng)度，mm。

在擠壓階段中，如圖3（b）所示，要保證撿拾葉片能夠被青皮核桃撐開(kāi)，使得青皮核桃順利進(jìn)入到撿拾機(jī)構(gòu)內(nèi)，則需要保證撿拾葉片及滾輪重力和核桃對(duì)滾輪的接觸力沿垂直于撿拾葉片平面的分力大于扭力彈簧產(chǎn)生的扭力，此時(shí)受力滿(mǎn)足公式（4）。

式中，F(xiàn)b12為銷(xiāo)軸對(duì)撿拾葉片的支持力，N；G為撿拾機(jī)構(gòu)重力，N；Fb42為青皮核桃對(duì)撿拾葉片的支持力，N；M0為扭力彈簧產(chǎn)生的扭矩，N?m；θ2為重力與撿拾葉片垂線(xiàn)夾角，°；α為Fb42與水平線(xiàn)的夾角，°；x為撿拾葉片長(zhǎng)度，mm；r為滾輪半徑，mm；xb0為撿拾葉片重心距銷(xiāo)軸長(zhǎng)度，mm。

在過(guò)渡階段中，如圖3（c）所示，此時(shí)青皮核桃已被撿起，要保證撿拾機(jī)構(gòu)的撿拾葉片能夠正常關(guān)閉，需要保證青皮核桃、撿拾葉片及滾輪的重力小于扭力彈簧產(chǎn)生的扭力，此時(shí)受力滿(mǎn)足公式（5）。

式中，F(xiàn)c12為銷(xiāo)軸對(duì)撿拾葉片的拉力，N；G為撿拾機(jī)構(gòu)重力，N；Fc42為青皮核桃對(duì)撿拾葉片的壓力，N；M0為扭力彈簧產(chǎn)生的扭矩，N?m；β為Fc42與水平線(xiàn)的夾角，°；x為撿拾葉片長(zhǎng)度，mm；r為滾輪半徑，mm；xc0為撿拾葉片重心距銷(xiāo)軸長(zhǎng)度，mm。

通過(guò)計(jì)算可以得出，扭力彈簧圈數(shù)范圍為6～28，結(jié)合實(shí)際成本，選取圈數(shù)為10 和20 的扭力彈簧進(jìn)行后續(xù)仿真分析和試驗(yàn)。青皮核桃撿拾末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要包括：與自主設(shè)計(jì)的機(jī)械臂相連接的連接架、基座、暫存空腔、撿拾葉片、滾輪、扭力彈簧、銷(xiāo)軸等。青皮核桃撿拾機(jī)構(gòu)工作過(guò)程及原理如圖5 所示。在擠壓過(guò)程中，撿拾葉片末端的滾輪接觸青皮核桃，隨著機(jī)械臂的下降，兩者間壓力逐漸增強(qiáng)，撿拾葉片繞銷(xiāo)軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，青皮核桃逐漸進(jìn)入撿拾機(jī)構(gòu)的空腔中，當(dāng)青皮核桃的赤道面高過(guò)滾輪軸線(xiàn)后，扭力彈簧的扭力作用從阻力轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，這一階段為過(guò)渡過(guò)程；當(dāng)青皮核桃全部高于滾輪軸線(xiàn)時(shí)，此時(shí)葉片末端的滾輪脫離青皮核桃表面，撿拾葉片恢復(fù)到初始角度，撿拾機(jī)構(gòu)閉合，完成撿拾工作，準(zhǔn)備下一個(gè)工作周期。

圖4 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 仿真模型建立

通過(guò)數(shù)學(xué)建模確定了末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)一步采用Adams 多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行仿真分析，獲取該參數(shù)下末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能。由于果實(shí)表面不同位置彈性模量和剛度均有不同，實(shí)際撿拾問(wèn)題變得非常復(fù)雜，仿真中采用球形模型代替類(lèi)球形果實(shí)，將撿拾機(jī)構(gòu)觸碰果實(shí)的過(guò)程理想化。本文為探討該末端執(zhí)行器在撿拾運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各部件運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)性能以及撿拾機(jī)構(gòu)與果實(shí)之間力的關(guān)系，采用球形模型模擬實(shí)際果實(shí)進(jìn)行仿真，可觀測(cè)該設(shè)計(jì)參數(shù)下?lián)焓皺C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和輸出力的情況，并作為該末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)特性。

2.2 仿真結(jié)果分析

動(dòng)力學(xué)分析中，在連接架上設(shè)置固定力進(jìn)行仿真，獲取滾輪部件質(zhì)心點(diǎn)的豎直方向位移變化曲線(xiàn)及接觸點(diǎn)受力變化曲線(xiàn)，探究不同運(yùn)行速度和不同圈數(shù)扭力彈簧對(duì)撿拾效果的影響。

撿拾機(jī)構(gòu)仿真位移曲線(xiàn)如圖6 所示，由圖6 可知，不同扭力彈簧圈數(shù)對(duì)滾輪部件質(zhì)心點(diǎn)豎直方向位移變化無(wú)影響，不同運(yùn)行速度決定了撿拾工作的效率，整個(gè)階段位移和時(shí)間量近似于線(xiàn)性關(guān)系，這滿(mǎn)足了實(shí)際撿拾的設(shè)計(jì)要求。

圖6 撿拾機(jī)構(gòu)仿真位移曲線(xiàn)

接觸點(diǎn)受力變化曲線(xiàn)如圖7 所示。由圖7 可知：相同運(yùn)行速度時(shí)，隨著扭力彈簧圈數(shù)的增多，撿拾過(guò)程中的最大接觸力隨之增大，在運(yùn)行速度為5 mm/s時(shí)，彈簧圈數(shù)n=10時(shí)最大的接觸力約為10.2 N，彈簧圈數(shù)n=20 時(shí)最大的接觸力約為15.1 N；在運(yùn)行速度為10 mm/s 時(shí)，彈簧圈數(shù)n=10 時(shí)最大的接觸力約為11.8 N，彈簧圈數(shù)n=20 時(shí)最大的接觸力約為17.3 N；在運(yùn)行速度為15 mm/s 時(shí)，彈簧圈數(shù)n=10 時(shí)最大的接觸力約為16.1 N，彈簧圈數(shù)n=20 時(shí)最大的接觸力約為20.2 N，均發(fā)生在撿拾機(jī)構(gòu)剛接觸到青皮核桃時(shí)。由此發(fā)現(xiàn)在撿拾機(jī)構(gòu)剛接觸到核桃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的接觸力，其余階段雖有上下波動(dòng)，但遠(yuǎn)小于剛接觸時(shí)的作用力。通過(guò)對(duì)比不同運(yùn)行速度及彈簧圈數(shù)下的撿拾機(jī)構(gòu)受力變化，得出運(yùn)行速度為10 mm/s、彈簧圈數(shù)為20 時(shí)，撿拾機(jī)構(gòu)與青皮核桃的接觸力相對(duì)較小，遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度，且運(yùn)行速度較快，撿拾效率高，扭力彈簧彈力較大，可以保證機(jī)構(gòu)回彈，且撿拾機(jī)構(gòu)工作具有一定的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

利用壓力試驗(yàn)機(jī)與擠壓式青皮核桃撿拾機(jī)構(gòu)連接，方便進(jìn)行撿拾試驗(yàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)壓力試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行速度，模擬撿拾機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)的不同速度，驗(yàn)證撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)測(cè)量撿拾機(jī)構(gòu)在撿拾過(guò)程中的受力變化，來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，撿拾試驗(yàn)如圖8 所示。由于本文不涉及撿拾機(jī)構(gòu)連接的機(jī)械臂部分，假設(shè)青皮核桃的位置已給出，質(zhì)心處在撿拾機(jī)構(gòu)中軸線(xiàn)上，通過(guò)控制壓力試驗(yàn)機(jī)位移進(jìn)行撿拾試驗(yàn)。

圖8 青皮核桃撿拾試驗(yàn)

根據(jù)仿真結(jié)果，選取扭力彈簧圈數(shù)為20、運(yùn)行速度為10 mm/s 進(jìn)行試驗(yàn)，選取30 個(gè)青皮核桃進(jìn)行試驗(yàn)，分為3 組，橫徑范圍分別為41 mm～44 mm、44 mm～47 mm、47 mm～50 mm，測(cè)量撿拾過(guò)程中撿拾機(jī)構(gòu)受力變化，驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的撿拾成功率和無(wú)損率，受力變化曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 不同尺寸青皮核桃撿拾受力變化曲線(xiàn)

由圖9 可以得出，由于青皮核桃的不同，撿拾過(guò)程產(chǎn)生的接觸力不是固定值，撿拾機(jī)構(gòu)在剛接觸到核桃時(shí)，接觸力急劇增加，與仿真曲線(xiàn)趨勢(shì)相同，接觸力隨時(shí)間增加不斷減小，撿拾工作結(jié)束時(shí)接觸力趨于0 N，由于實(shí)際青皮核桃形態(tài)各異，撿拾機(jī)構(gòu)與青皮核桃間的接觸力會(huì)與仿真結(jié)果存在一定差異，數(shù)值在4 N～18 N波動(dòng)。青皮核桃平均撿拾時(shí)間約為2.7 s，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的接觸力不會(huì)損壞青皮核桃表面，青皮核桃撿拾無(wú)損率為98%。

4 結(jié)論

本文針對(duì)青皮核桃撿拾過(guò)程中的重復(fù)性工作問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種擠壓式青皮核桃撿拾機(jī)構(gòu)，用于代替人工撿拾。對(duì)該撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論和仿真分析，根據(jù)結(jié)果對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了完善，并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。本文所獲得的研究結(jié)論有：

1）設(shè)計(jì)的青皮核桃撿拾機(jī)構(gòu)，利用擠壓原理，基座均布3 個(gè)撿拾葉片，撿拾葉片的長(zhǎng)度為35 mm，滾輪長(zhǎng)度為18 mm，撿拾葉片與基座的夾角為50°；

2）運(yùn)行速度為10 mm/s、彈簧圈數(shù)為20 時(shí)，整個(gè)撿拾階段位移和時(shí)間量近似于線(xiàn)性關(guān)系，速度波動(dòng)較小，產(chǎn)生的接觸力較??；

3）青皮核桃平均撿拾時(shí)間約為2.7 s，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中撿拾機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的接觸力最大為22.3 N，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，青皮核桃撿拾無(wú)損率為98%，表明該撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是可行的。