殷紅梅，王 迪，呂 力

（1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.淮安市高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 淮安 223005）

0 引言

隨著花卉養(yǎng)殖用途的不斷推廣，人們對(duì)于花卉的需求的不斷提高，花卉已經(jīng)成為人們提高生活質(zhì)量，改善生活環(huán)境的一個(gè)重要用品。以玫瑰為例，采摘的玫瑰可以用在高級(jí)香水、醫(yī)藥、食品、化妝品、香精、香料、及工藝品。由于國(guó)內(nèi)很多地區(qū)受氣候條件的限制，環(huán)境的約束以及玫瑰制作流程較為緩慢等問題，滿足不了市場(chǎng)的需求。目前，花卉采摘主要還是采用人工勞作，每到花卉收獲時(shí)節(jié)，都有大批農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者加班加點(diǎn)、不分晝夜的搶抓時(shí)間，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，且不可避免的存在花卉擠損的問題，成本高。因此，研制一種中小型花卉采摘機(jī)便有著迫切的需要。其中末端執(zhí)行器作為終端執(zhí)行部件是采摘機(jī)械書的核心構(gòu)件。本文即是涉及專門針對(duì)以玫瑰花為主要花卉采摘對(duì)象的機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有良好的研究?jī)r(jià)值與市場(chǎng)前景。

1 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種花卉采摘機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)以玫瑰花為主要采摘對(duì)象，設(shè)計(jì)專用花卉抓取、包納、剪切構(gòu)件，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)張合。采用萬向節(jié)連接執(zhí)行器與機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)多方向位置變換，采用直流力矩電機(jī)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)。末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，機(jī)械手簡(jiǎn)化示意圖見圖2。

圖1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 機(jī)械手簡(jiǎn)化示意圖

圖3 齒輪齒條嚙合示意圖

該機(jī)構(gòu)解決方案是：設(shè)計(jì)抓取切割球形薄型槽爪，在氣缸與連接法蘭的連接下通過齒條狀活塞桿與扇形齒輪的嚙合進(jìn)行張合，詳見圖3，末端執(zhí)行器工作位置垂直向下，閉合時(shí)槽爪包納被采摘花卉，其邊緣的圓弧形刀片同時(shí)實(shí)現(xiàn)花梗切割動(dòng)作。采用萬向節(jié)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器與機(jī)械臂的連接，在直流力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，末端執(zhí)行器進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)至機(jī)械臂末端花卉存儲(chǔ)槽位置，松開薄型槽爪，花卉落入存儲(chǔ)槽內(nèi)。末端執(zhí)行器返回至垂直向下位置繼續(xù)工作。

在二號(hào)關(guān)節(jié)臂上設(shè)計(jì)固定逆止閥存儲(chǔ)槽，關(guān)節(jié)臂工作位置向上時(shí)，逆止閥處張開狀態(tài)，花卉順利落入存儲(chǔ)槽；關(guān)節(jié)臂工作位置向下時(shí)，逆止閥自動(dòng)關(guān)閉，以免花卉在重力作用下掉落。在二號(hào)關(guān)節(jié)臂存儲(chǔ)槽上安裝重量傳感器，實(shí)時(shí)記錄被采摘花卉重量，以便及時(shí)回收花卉，記錄收獲成果。

切割刀片為圓弧形涂層硬質(zhì)合金刀具，通過螺栓機(jī)夾在置刀槽中，為可更換刀片。

末端執(zhí)行器與機(jī)械臂采用十字型萬向節(jié)進(jìn)行連接，靈活度好，活動(dòng)范圍大，可實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器至存儲(chǔ)槽的180°無障礙旋轉(zhuǎn)。末端執(zhí)行器選用直流力矩電機(jī)，反應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，機(jī)械特性與調(diào)節(jié)特性線性度好。

2 末端執(zhí)行器控制方案

圖4 末端執(zhí)行器控制方案原理圖

末端執(zhí)行器控制方案原理如圖4 所示。末端執(zhí)行器控制方案如下：①PLC 控制器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，直流力矩電機(jī)接收信號(hào)通過機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器向下進(jìn)給至花卉位置；②PLC 控制器繼續(xù)發(fā)出信號(hào)完成以下動(dòng)作，開啟氣缸，推動(dòng)氣缸內(nèi)活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，促使球形薄型槽型爪張開，瞬間閉合，利用氣壓瞬間切斷花梗，花卉滯留在槽型爪凹槽內(nèi)；③PLC 控制器發(fā)出信號(hào)，末端執(zhí)行器向上旋轉(zhuǎn)至水平位置，再向左（或右）旋轉(zhuǎn)至存儲(chǔ)槽位置；④PLC 控制器發(fā)出信號(hào)，氣缸中活塞退回，槽型爪張開，花卉落入存儲(chǔ)槽。末端執(zhí)行器復(fù)位至垂直向下位置，準(zhǔn)備下一個(gè)循環(huán)動(dòng)作。由此，末端執(zhí)行器一次完整動(dòng)作完成。

3 機(jī)械手工作過程

機(jī)械手整體工作過程如下：首先由手持式遙控設(shè)備發(fā)出啟動(dòng)指令，啟動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下，機(jī)械臂開始動(dòng)作至花卉上方，末端執(zhí)行器向下進(jìn)給至花處，定位完成后，末端執(zhí)行器開始動(dòng)作，槽型爪張開進(jìn)行花卉抓取，閉合進(jìn)行花卉切割。隨后，執(zhí)行器按可旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)270°至存儲(chǔ)槽位置，張開槽型爪，實(shí)現(xiàn)花卉轉(zhuǎn)移與存儲(chǔ)。置于存儲(chǔ)槽上的重量傳感器實(shí)時(shí)記錄花卉重量，并將稱重結(jié)果返回至手持遙控設(shè)備的顯示屏上，以便及時(shí)轉(zhuǎn)移清空存儲(chǔ)槽。在這一過程中，機(jī)械臂可根據(jù)位置通過手持遙控設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。所有動(dòng)作均由手持遙控設(shè)備控制。機(jī)械手伸展示意圖見圖5，機(jī)械手花卉收納示意圖如圖6 所示。

圖5 機(jī)械手伸展示意圖

圖6 機(jī)械手花卉收納示意圖

4 結(jié)束語

該機(jī)構(gòu)的有益效果是準(zhǔn)確抓取被采摘花卉，有效切割收納，實(shí)時(shí)獲取采摘重量，省去二次稱重。末端執(zhí)行器效力的機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)200～1400mm 范圍內(nèi)的花卉采摘，提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度與花卉折損率。

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