紅花采摘機器人末端采摘裝置設計與試驗

摘要：

針對新疆紅花自動化采摘裝置采凈率不高、破碎率大的問題，設計一種基于雙刀聯(lián)動機構的末端采摘裝置。分析末端采摘裝置工作原理，對關鍵部件的設計參數(shù)進行確定；確定刀軸轉速、風機風速和導花套錐度為影響紅花采收性能的主要因素，并以采凈率、破損率為試驗指標，進行三因素三水平二次正交組合試驗。試驗結果表明：影響采凈率和破損率的因素主次順序為風機風速、導花套錐度、刀軸轉速。較優(yōu)組合：導花套錐度為59.5°、刀軸轉速為312r/min、風機風速為6.28m/s，此時花絲采凈率為90.77%，破損率為6.54%。為紅花自動化采收提供理論依據(jù)和技術參考。

關鍵詞：紅花采摘機器人；末端執(zhí)行器；雙刀聯(lián)動機構；氣動式；正交試驗

中圖分類號：S225.93

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0271-06

收稿日期：2023年9月11日" 修回日期：2023年10月23日*

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金資助項目（2022D01A117）；新疆農(nóng)業(yè)大學研究生科研創(chuàng)新項目（XJAUGRI2023014）；江西科技學院校級科研項目（24ZRYB14）

第一作者：邱兆鑫，男，1998年生，江西贛州人，碩士；研究方向為農(nóng)業(yè)機械自動化設計理論及方法。E-mail： qzx1057794853@163.com

通訊作者：郭輝，男，1979年生，烏魯木齊人，博士，副教授，博導；研究方向為油料作物播種及采收。E-mail： gh97026@126.com

Design and test on end picking device of safflower picking robot

Qiu Zhaoxin1， 2， Guo Hui2， Gao Guoming2， Wu Tianlun2， Chen Haiyang2

（1. School of Intelligent Engineering， Jiangxi University of Technology， Nanchang， 330098， China;

2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China）

Abstract：

Aiming at the problems of low cleaning rate and high crushing rate of automatic picking device of safflower in Xinjiang， a picking head of safflower based on double-knife linkage mechanism was designed. On the basis of analyzing the working principle of the picking head， the design and parameters of the key components were determined. The main factors affecting the harvesting performance of safflower were determined as the speed of cutter shaft crank， wind speed of fan and the taper of flower guide sleeve， and the three-factor and three-level of quadratic orthogonal combination tests were carried out with the cleaning rate and damage rate as the test indexes. The test results show that the main and secondary influencing factors are wind speed of fan， taper of guide sleeve， spindle speed. The optimal combination is that the taper of flower guide sleeve is 59.5°， the rotational speed of cutter shaft is 312r/min， the wind speed of fan is 6.28m/s， the clean rate of flower wire is 90.77%， and the damage rate is 6.54%. This study can provide theoretical basis and technical reference for automatic harvesting of safflower.

Keywords：

safflower picking robot; end picking device; double-knife linkage mechanism; pneumatic; orthogonal test

0 引言

紅花為一年生草本植物，是一種油、藥、飼料、天然色素、染料兼用的特色經(jīng)濟作物，適應性強，耐寒耐熱。新疆具有悠久的紅花種植歷史，是我國紅花的主產(chǎn)區(qū)?，F(xiàn)階段新疆紅花種植采收主要以人工為主，紅花生產(chǎn)機械化水平遠遠低于棉花、玉米等大宗農(nóng)作物［1］。實現(xiàn)紅花采摘機械化、自動化對推動紅花產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)?；哂兄匾饬x。

現(xiàn)有的紅花采收裝置主要采用對輥式、梳夾式和切割式完成紅花絲與果球的分離。對輥式［2］通過對輥的旋轉吸附以及摩擦、擠壓和拔取方式完成紅花采摘，減少了花絲的破損率，但花絲的采凈率不高。梳夾式［3］紅花采收裝置，通過主軸旋轉完成對花絲的拉拔，但是花絲的破損率較大。切割式［4］采用氣吸切割式采收紅花，利用高速運動的刀片對花絲進行切割，完成紅花采摘。由于采用的是單動刀片，導致切割時花絲會倒向一邊，致使花絲的采凈率降低且增大了花絲的破損率。國外也對紅花采摘機械［5］進行了研究，Azimi等［6］研究了一種由汽油機提供動力的紅花花絲采收機，其中風機內含有智能刀片，可以切除誤入的紅花果球和阻擋某些雜質，而擴散器則是為了讓花絲從空氣流和花絲收集室里分離出來，雖然花絲的采收效率大幅度提升，但花絲的浪費損失量過大，采摘效果也不是太好。

綜上所述，針對花絲采凈率不高、破損率大的問題，本文設計一種基于雙刀聯(lián)動機構的紅花采摘機器人末端采摘裝置，通過雙刀聯(lián)動曲柄滑塊機構進行花絲剪切以提升采摘性能。從理論上分析采收機構關鍵部件的結構參數(shù)和運動學參數(shù)，從試驗中確定各參數(shù)的較優(yōu)組合并進行田間試驗，為實現(xiàn)無人化紅花采摘提供參考。

1 整機結構

1.1 紅花物料參數(shù)特性

紅花物料參數(shù)特性是紅花采收裝置設計的依據(jù)。新疆紅花種植模式為一壟兩行，條播種植且絕大多數(shù)紅花為頂端生長開花，有利于通過并聯(lián)機械臂進行采摘作業(yè)。試驗選取新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市吉木薩爾縣紅旗農(nóng)場紅花種植區(qū)長勢一致的紅花進行物料特性參數(shù)標定，采用五點法進行田間取樣，每個取樣點選取50朵適宜采收的盛開期紅花進行測定，得到紅花植株結構參數(shù)特性，可為關鍵部件的設計提供依據(jù)，如圖1和表1所示。

1.2 整機結構

紅花采摘機器人主要包含行走系統(tǒng)、采摘系統(tǒng)、調平系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，如圖2（a）所示。當整機到達成熟紅花待采區(qū)域后，采摘系統(tǒng)中雙目相機拍照識別并提取紅花的位置信息，傳給控制器控制機械臂到達指定位置，在由采摘裝置對紅花花絲進行采摘。其中，采摘頭的剪切效果直接影響整個紅花采摘機器人的采摘性能。

氣吸雙刀聯(lián)動式采摘頭主要包括采摘頭上蓋、左刀片、右刀片、負壓風口、圓盤、滑槽、采摘頭底座、導花套、連桿1、曲柄連桿、連桿2等，如圖2（b）所示。當機械臂到達指定位置后，在負壓風機的作用下，花絲通過導花套進入進花口，控制采摘系統(tǒng)步進電機啟動，通過凸輪帶動滑槽和右刀片，同時通過連桿1、中間連桿和連桿2帶動左刀片，使左右刀片聯(lián)動，實現(xiàn)花絲在花球中心處剪切，保證花絲的完整，負壓風機產(chǎn)生吸力，通過軟管輸送到集花箱內，完成整個采摘流程。

2 氣吸雙刀聯(lián)動式末端采摘裝置

2.1 雙刀聯(lián)動機構設計

讓步進電機軸與圓盤連接處作為中心點O1，其中圓盤O1的半徑作為曲柄桿長r1，連桿1和連桿2長度都為l1，曲柄O2半徑為r2，O1坐標為（0，0），O2坐標為（a，b），刀片在底座滑槽內水平滑動，A在刀片滑槽內豎直滑動。選擇42BYGH34S小型直流步進電機進行驅動，電機的轉速可調范圍為0～700r/min，末端采摘裝置運動結構簡圖如圖3（a）所示。

采用矩陣法［7］求出該機構中各從動件的方位角、角速度和角加速度以及A、B的位移、速度和加速度。建立一直角坐標系，標出各桿矢量及方位角，采摘頭矢量圖如圖3（b）所示。建立兩個封閉矢量方程并寫成投影方程如式（1）～式（4）所示。

由式（5）、式（6）可知，兩動刀片在滑塊運動到最遠處時速度最小、加速度最大，有利于平穩(wěn)采摘，同時對主要構件在SolidWorks中進行速度、加速度、角速度、角加速度分析，結果如圖4所示，左刀片、右刀片和中間曲柄在運動過程中皆無連續(xù)突變，避免了剛性沖擊對機構和花絲的損壞。

同時，對機構進行單因素試驗，每個轉速進行20朵花絲的剪切，得到試驗結果如表2所示，試驗數(shù)據(jù)表明，雙刀聯(lián)動機構在200～400r/min的轉速范圍內采凈率大于90%，轉速大于400r/min之后，轉速過快導致兩刀片之間間隙增大花絲切不下來，采凈率逐漸下降。通過對雙刀聯(lián)動機構分析和單因素試驗確定，刀軸轉速n為200～400r/min時，雙刀聯(lián)動機構采摘性能較好。

2.2 風機風速和導花套設計

風機風速是紅花采收性能的關鍵工作參數(shù)［8］，其中紅花所受到的空氣阻力為R，紅花在空氣中的浮重為F，其計算如式（7）和式（8）所示。

R=Cdπ4d2ρvt22

（7）

F=π6d3（ρs-ρ）g

（8）

式中： ρs——物料密度，kg/m3；

d——物料直徑，m；

g——重力加速度，m/s2；

ρ——空氣的密度，kg/m3；

Cd——阻尼系數(shù)；

vt——懸浮速度，m/s。

根據(jù)紅花花絲需要吸入儲花箱即Flt;R產(chǎn)生負壓。把紅花花絲放在采摘頭導花套內，調節(jié)不同風速來查看花絲進入儲花箱的狀態(tài)，通過單因素試驗確定負壓風機風速v在4～8m/s內較為合適。

在圖5花球與導花套接觸角關系中，當剪切口半徑a1過小時，紅花花絲不能完全進入剪切室內；a1過大時，則會造成花球的損傷。當導花套進口半徑c1過小時，花絲不能完全進入到導花套內，影響采凈率；c1過大時枝葉可能進入，增大花絲的含雜率。當導花套高度h過小時，花球沒有完全進入，難以固定花球位置，影響采摘效果；h過大時，則增加采摘時間，影響采摘效率。根據(jù)紅花物料特性的測量結果表1，a1取6mm，c1取20mm，h取20～30mm。根據(jù)式（9）計算得出導花套錐度α的取值范圍為56.3°～63.4°。

α=tan-1hc1-a1

（9）

3 剪切性能試驗

3.1 試驗條件與方法

研制的紅花采摘末端執(zhí)行器在新疆吉木薩爾縣紅旗農(nóng)場紅花種植基地進行田間性能試驗。氣溫為38℃，采摘前試驗地無降雨。紅花品種為吉紅1號。

試驗選取花絲采凈率和花絲破損率作為評價指標［4］，其計算如式（10）和式（11）所示。

y1=m1m1+m2×100%

（10）

y2=m3m1×100%

（11）

式中： y1——花絲采凈率；

y2——花絲破損率；

m1——儲花箱內花絲質量，g；

m2——未采摘或掉落的花絲質量，g；

m3——儲花箱內損壞的花絲質量，g。

3.2 試驗設計

為分析不同導花套錐度、刀軸轉速和風機風速對紅花采收性能的影響，并尋找最佳參數(shù)組合，設計三因素三水平分析試驗［9， 10］，結合2.1節(jié)和2.2節(jié)試驗因素取值分析，試驗因素與水平如表3所示。

3.3 試驗結果

進行田間試驗得出各試驗方案及其模型中的評價指標結果如表4所示。

由表5可知，3個因素對采凈率y1和破損率y2影響的重要程度依次為風機風速、導花套錐度、刀軸轉速。為了更加直觀地判斷各個因素對采凈率y1和破損率y2的影響趨勢，通過固定一個因素在零水平狀態(tài)，研究剩余兩個因素之間的交互作用。由表5可知，影響因素αv交互作用P值lt;0.01，對采凈率有極顯著的影響；影響因素αn、nv交互作用P值lt;0.01，對破損率有極顯著的影響?；貧w分析表明，采凈率和破損率回歸模型均達到極顯著水平，表明該回歸模型具有統(tǒng)計學意義。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，建立采凈率、破損率與導花套錐度、刀軸轉速及風機風速的回歸模型為

y1=

90.2+1.50α+0.65n+1.60v+0.38αn+

0.72αv+0.60nv-1.54α2-

0.89n2-0.83v2

（12）

y2=

6.17+0.78α+0.37n+1.01v-0.51αn-

0.27αv-0.92nv+0.61α2+1.21n2+1.50v2

（13）

3.4 交互作用分析及參數(shù)優(yōu)化

使用Design—Expert 8.0.6對試驗數(shù)據(jù)分析并生成3D響應曲面，如圖6所示。

由圖6（a）可知，當風機風速保持不變時，采凈率y1隨著導花套錐度呈現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢，且導花套錐度在59°～62°時采凈率有最大值；當導花套錐度保持不變時，采凈率y1隨著風機轉速呈現(xiàn)逐步增大后趨于平緩的趨勢，風機風速大于5.7m/s時，隨著風機轉速的增大，采凈率≥90%。試驗中導花套錐度過小時花絲未能順著導花套進入進花口，導花套錐度過大時花絲沒有完全進入進花口導致花絲沒有剪切干凈；風機風速過小時，不能產(chǎn)生足夠的負壓使花絲全部進入導花套，導致采凈率不高。

由圖6（b）可知，當導花套錐度保持不變時，破損率y2隨著刀軸轉速呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，且刀軸轉速在250～350r/min時破損率有最小值；當?shù)遁S轉速保持不變時，破損率y2隨著導花套錐度呈現(xiàn)逐步增大且越來越大的趨勢，導花套錐度低于59°時，隨著導花套錐度的減小，破損率≤6%。試驗中刀軸轉速過小時，由于花絲具有韌性導致剪切時易造成花絲破損；刀軸轉速過大時，力過大導致兩刀片相互錯動時產(chǎn)生間隙，增大花絲的破損率。導花套錐度過大時導致花球與導花套卡住的位置往下，刀片無法從花冠根部將花絲剪下，使花絲破碎率升高。

由圖6（c）可知，當?shù)遁S轉速一定時，破損率y2隨著風機風速呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且風機風速在5～6m/s時破碎率有最小值；當風機風速保持不變時，破損率y2隨著刀軸轉速呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，且刀軸轉速在250～350r/min時破損率有最小值。試驗中風機風速過小時負壓不能對花絲產(chǎn)生足夠的吸力，使花絲無法順利進入導花套內；風機風速過大時負壓風機對花絲的吸力過大，可能造成花絲在輸花管和儲花箱內到處亂撞，增大花絲的破損率?；谏鲜龇治觯Y合各個因素邊界條件和各工作參數(shù)，建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型，目標函數(shù)和約束條件為

maxy1（α，n，v）

miny2（α，n，v）

s.t.

56°≤α≤62°

200r/min≤n≤400r/min

4m/s≤v≤8m/s

（14）

優(yōu)化后得到的最優(yōu)參數(shù)組合：導花套錐度為59.5°，刀軸轉速為312r/min，風機風速為6.28m/s，此時模型所預測采凈率為90.72%，破損率為6.53%。

3.5 驗證試驗

在新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市吉木薩爾紅旗農(nóng)場進行田間試驗，設置試驗條件與方法與上述試驗相同。在該較優(yōu)參數(shù)組合下進行試驗重復5次，結果取平均值如表6所示，紅花花絲采凈率為90.77%，破損率為6.54%，其試驗值與優(yōu)化值相對誤差均小于1%，說明參數(shù)優(yōu)化結果可靠。

4 結論

1）" 針對紅花采摘過程中花絲采凈率低、破損率高等問題，設計一種雙刀聯(lián)動式末端采摘裝置，利用曲柄滑塊機構帶動兩圓弧刀片相互錯動，同時設計導花套結構，使花絲更容易聚攏，有效降低花絲的破碎率，提高花絲的采凈率。根據(jù)理論分析與計算，設計導花套錐度為56°～62°、刀軸轉速為200～400r/min、風機風速為4～8m/s。

2）" 開展采摘頭導花套錐度、刀軸轉速、風機風速對花絲采凈率、花絲破損率影響的三因素三水平二次正交組合試驗。試驗結果表明，當導花套錐度為59.5°，刀軸轉速為312r/min，風機風速為6.28m/s時，花絲采凈率為90.77%，破損率為6.54%。

參 考 文 獻

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