李　娜，姜海勇，張先鵬，弋景剛（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，保定 071001）

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扇貝臟器氣吸分離裝置柔順臂動(dòng)力學(xué)特性分析

李娜，姜海勇，張先鵬，弋景剛
（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，保定 071001）

摘要：為了實(shí)現(xiàn)扇貝高效低損的自動(dòng)化生產(chǎn)，針對(duì)扇貝臟器負(fù)壓吸取分離方式，提出一種基于大變形分布式柔順機(jī)構(gòu)的氣吸分離驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。建立柔順驅(qū)動(dòng)臂偽剛體模型，將其等效為具有欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的多剛體系統(tǒng)；并基于影響系數(shù)法建立柔順臂等效多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)等效多剛體系統(tǒng)中主、被動(dòng)關(guān)節(jié)間運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)解耦，得到了系統(tǒng)的二階非完整約束方程，推導(dǎo)出了等效欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)加速度與主動(dòng)關(guān)節(jié)輸入驅(qū)動(dòng)力矩的表達(dá)式；在此基礎(chǔ)上，對(duì)分布式柔順臂的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析與樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明：利用柔順臂的復(fù)合彈性變形，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角≤56°時(shí)，柔順臂帶動(dòng)吸管垂直上升實(shí)現(xiàn)臟器吸?。划?dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角≥61°時(shí)，吸管開(kāi)始明顯傾斜，吸管底面與水平夾在25°～30°之間，滿(mǎn)足傾斜卸壓要求，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析基本一致。分離裝置基于柔順機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，可有效簡(jiǎn)化設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，降低成本與能耗，研究結(jié)果為扇貝自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：建模；動(dòng)力學(xué)；試驗(yàn)；扇貝臟器氣吸分離裝置；分布式柔順臂；影響系數(shù)法

李娜，姜海勇，張先鵬，弋景剛. 扇貝臟器氣吸分離裝置柔順臂動(dòng)力學(xué)特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（2）：244－251.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.035http://www.tcsae.org

Li Na， Jiang Haiyong， Zhang Xianpeng， Yi Jinggang. Dynamic characteristic analysis of distributed-compliant arm in vacuum suction device for scallop viscera separation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 244－251. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.035 http://www.tcsae.org

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0　引　言

雙殼貝類(lèi)是中國(guó)主要經(jīng)濟(jì)貝類(lèi)之一，其閉殼肌亦稱(chēng)貝柱，不但營(yíng)養(yǎng)豐富，而且還有很多保健功能，具有重要的食用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-3]，是海灣扇貝養(yǎng)殖的主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品。海灣扇貝的閉殼肌呈圓柱狀，其兩端面分別粘連在兩個(gè)貝殼的內(nèi)壁上，外套膜附著在貝殼的邊緣，呼吸器等臟器附著在閉殼肌的周?chē)?，?nèi)臟結(jié)構(gòu)復(fù)雜且與閉殼肌結(jié)合緊密，不易分離。

人工采集閉殼肌，均采用刀具勾挑內(nèi)臟團(tuán)分離的方式進(jìn)行，會(huì)在閉殼肌上留下刀痕，影響產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[4]。閉殼肌自動(dòng)化采集通常采用2種方式：機(jī)械式剝離和非機(jī)械式剝離[5-6]。機(jī)械式剝離采用純機(jī)械裝置對(duì)閉殼肌和臟器套膜進(jìn)行強(qiáng)制性剝離，但這種方法常對(duì)閉殼肌造成撕裂等損傷，成品率低[7-8]；非機(jī)械式剝離則通過(guò)熱處理[9-11]、化學(xué)試劑處理、超高壓技術(shù)[12]等方式作用于扇貝，達(dá)到閉殼肌與臟器自動(dòng)分離的目的，但這種方法由于對(duì)閉殼肌進(jìn)行了一定的熱加工，會(huì)破壞閉殼肌的營(yíng)養(yǎng)成分[13-16]。因此海灣扇貝閉殼肌與內(nèi)臟的低損分離成為實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

針對(duì)閉殼肌自動(dòng)化剝離中的損傷問(wèn)題，齊曉娜等提出以負(fù)壓吸取方式實(shí)現(xiàn)閉殼肌與內(nèi)臟團(tuán)的分離[17]。氣吸式扇貝臟器分離裝置由吸管與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，由于受限于工作空間，采用傳統(tǒng)剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的吸管位姿控制困難，因此基于柔順機(jī)構(gòu)依靠自身彈性變形來(lái)輸出運(yùn)動(dòng)和力，在結(jié)構(gòu)上少有甚至沒(méi)有運(yùn)動(dòng)副的特點(diǎn)[18-20]，本文提出分布式柔順臂為主體的吸管驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度?；趥蝿傮w模型法[21]，本文建立柔順臂的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)解耦得到了系統(tǒng)的二階非完整約束方程，推導(dǎo)等效關(guān)節(jié)加速度與輸入驅(qū)動(dòng)力矩的表達(dá)式；在此基礎(chǔ)上，對(duì)分布式柔順臂的動(dòng)力特性進(jìn)行仿真分析與樣機(jī)試驗(yàn)，為扇貝自動(dòng)臟器分離設(shè)備的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1　氣吸式分離裝置工作原理及結(jié)構(gòu)

分離裝置以負(fù)壓吸取的方式將內(nèi)臟團(tuán)和外套膜從前工序處理的半殼貝中取出，僅留存閉殼肌于該側(cè)貝殼內(nèi)。所謂半殼貝即一側(cè)貝殼與閉殼肌分離后，閉殼肌和扇貝臟器以及外套膜留存在另一側(cè)貝殼內(nèi)。試驗(yàn)表明氣吸過(guò)程中吸管在內(nèi)臟區(qū)域建立負(fù)壓后必須驅(qū)動(dòng)吸管的管口快速抬起，以提供足夠的爆發(fā)力，才能將內(nèi)臟從閉殼肌上脫離下來(lái)。

1.1分離裝置工作原理

氣吸式扇貝臟器分離裝置的吸取過(guò)程主要由吸管接近目標(biāo)建立負(fù)壓、吸取內(nèi)臟垂直上升、傾斜卸壓3個(gè)階段構(gòu)成，如圖1所示。

吸管彈起階段是實(shí)現(xiàn)內(nèi)臟負(fù)壓吸取的關(guān)鍵。在吸管接觸目標(biāo)物并建立負(fù)壓后，如果吸管發(fā)生傾斜會(huì)造成負(fù)壓迅速減弱，就會(huì)導(dǎo)致吸取過(guò)程缺乏爆破力從而吸取效果差，甚至吸取失敗。為了在吸取臟器的開(kāi)始階段保持強(qiáng)勁的沖擊氣流，吸管口要垂直上升一段距離，其間保持吸管口水平，前期試驗(yàn)表明，垂直上升階段的行程應(yīng)不小于10 mm，本文設(shè)定為13 mm，如圖1b所示。吸取過(guò)程后段，吸附管口軸線(xiàn)應(yīng)偏離目標(biāo)物，以保證目標(biāo)物脫離負(fù)壓的吸附作用力，結(jié)束內(nèi)臟吸取過(guò)程。試驗(yàn)表明偏斜卸壓位置的垂直行程應(yīng)不小于45 mm，偏斜角度不小于22°，本文分別設(shè)定為50mm和26°，如圖1c所示。

圖1　吸取過(guò)程吸管與扇貝相對(duì)位置示意圖Fig.1　Schematic diagram of relative position between suction tube and scallop through suction procedure

1.2分離裝置主要結(jié)構(gòu)

氣吸式扇貝臟器分離裝置主要由伺服電機(jī)、分布式柔順臂、吸管、固定隔板等組成，如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2　氣吸式扇貝臟器分離裝置Fig.2　Vacuum suction device of scallop viscera separation

表1　主要技術(shù)參數(shù)Table 1　Main technical parameters

分離過(guò)程中，吸管與負(fù)壓設(shè)備相連，半殼貝放至于固定隔板下方并與吸取孔對(duì)齊，控制系統(tǒng)輸出信號(hào)控制伺服電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)帶動(dòng)柔順臂旋轉(zhuǎn)，吸管迅速完成垂直上移和偏斜卸壓，將內(nèi)臟團(tuán)從貝殼中吸取出來(lái)。

吸管的直徑受限于扇貝貝殼的大小，以殼高在45～55 mm之間的海灣扇貝為例，其外套膜處于貝殼邊緣內(nèi)側(cè)3～5 mm的范圍內(nèi)，臟器與外套膜之間還有5～8 mm的距離。試驗(yàn)表明，臟器分離的力最大約為3 N。針對(duì)這一規(guī)格的扇貝，選取進(jìn)風(fēng)口直徑為36 mm，吸管壁厚為0.8 mm，各零件均采用不銹鋼制作。

2　分布式柔順臂偽剛體建模

扇貝臟器負(fù)壓分離裝置中的柔順臂為典型的分布式曲線(xiàn)型全柔順機(jī)構(gòu)[22-23]，在工作過(guò)程中，通過(guò)此柔順構(gòu)件的受力變形來(lái)實(shí)現(xiàn)吸管對(duì)扇貝臟器的分離動(dòng)作。由于柔順臂存在非線(xiàn)性變形，所以線(xiàn)性梁方程不再適用，本文采用基于等效力-變形關(guān)系的偽剛體模型法對(duì)柔順臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析。首先建立柔順構(gòu)件偽剛體模型，進(jìn)行偽剛性段劃分，及關(guān)節(jié)等效扭簧常數(shù)計(jì)算。

取柔順臂構(gòu)件橫截面中心點(diǎn)連線(xiàn)作為描述其形狀的函數(shù)曲線(xiàn)，以分段函數(shù)形式進(jìn)行曲線(xiàn)擬合。以柔順臂與主動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸連接點(diǎn)為原點(diǎn)，豎直截面內(nèi)水平和豎直方向分別為x、y軸，建立坐標(biāo)系；通過(guò)對(duì)獲得的橫截面中心點(diǎn)連線(xiàn)上各點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步擬合，可得到其形狀曲線(xiàn)的分段函數(shù)表達(dá)式

由于分布式全柔順機(jī)構(gòu)的彈性變形存在于整個(gè)機(jī)構(gòu)中，因此理論上其等效關(guān)節(jié)可以位于柔順構(gòu)件的任意位置，即偽剛性段段長(zhǎng)可以任意劃分。但不同的劃分方法對(duì)偽剛體模型精度的影響很大，因此合理劃分偽剛性段是分布式柔順機(jī)構(gòu)偽剛體建模的重要前提。本文基于分布式全柔順機(jī)構(gòu)的幾何形狀、剛度分布的偽剛性段劃分的2個(gè)原則[24]，對(duì)柔順構(gòu)件進(jìn)行偽剛性段劃分。

根據(jù)柔順機(jī)構(gòu)形狀尺寸，初選偽剛性段數(shù)N＝13，已知形狀曲線(xiàn)的總弧長(zhǎng)為0.338 m，則平均弧長(zhǎng)為＝0.026m，弧長(zhǎng)限制最大值smax＝0.05 m，最小值smin＝0.005 m。用等效剛性直桿連接各偽剛性段兩端點(diǎn)獲得偽剛體模型如圖3所示。其中，與伺服電機(jī)相連的為主動(dòng)關(guān)節(jié)1，其后依次為等效的被動(dòng)關(guān)節(jié)2～13，對(duì)應(yīng)偽剛性段為1～13，第13段偽剛性段與吸管相連，長(zhǎng)度與吸管截面直徑相等。

由于曲線(xiàn)型、變剛度的分布式全柔順機(jī)構(gòu)，其偽剛體模型是具有彈性?xún)?chǔ)能關(guān)節(jié)的串聯(lián)多剛體系統(tǒng)，關(guān)節(jié)間運(yùn)動(dòng)存在耦合，所以在計(jì)算這種柔順機(jī)構(gòu)的等效關(guān)節(jié)扭簧常數(shù)時(shí)，結(jié)合僅含單個(gè)等效關(guān)節(jié)的直線(xiàn)型、等截面的分布式全柔順機(jī)構(gòu)偽剛體建模，等效關(guān)節(jié)扭簧常數(shù)根據(jù)計(jì)算公式修正獲得。

圖3　分布式柔順臂構(gòu)件的偽剛性段劃分Fig.3　Pseudo-rigid-segment partition of distributed-compliance fully compliant arm

柔順臂材料采用彈簧鋼，彈性模量為E＝210 GPa，橫截面寬為b＝0.03 m，厚度為h＝0.002 m，基于劃分段數(shù)N＝13，可得各偽剛性段主要參數(shù)，如表2所示。

表2　偽剛性段主要參數(shù)Table 2　Main parameters of pseudo-rigid-segments

通過(guò)上述分析中所建立的柔順臂的偽剛體模型，柔順臂等效成為彈性欠驅(qū)動(dòng)多剛體系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)上是具有二階非完整約束的動(dòng)力系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)關(guān)節(jié)間動(dòng)力耦合作用實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，一般基于動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行控制[25-26]，因此必須首先建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，在此基礎(chǔ)之上分析系統(tǒng)動(dòng)力特性，是對(duì)此類(lèi)機(jī)器人進(jìn)行有效控制的前提。

3　柔順臂基于偽剛體模型的動(dòng)力學(xué)建模

根據(jù)動(dòng)力學(xué)普遍方程，可得開(kāi)鏈多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型為

令vk＝Gk表示第k等效剛體三維運(yùn)動(dòng)速度矢量，、、分別表示第i等效關(guān)節(jié)的廣義坐標(biāo)位移、速度、加速度，則θ＝[ θ1θ2… θn]T，＝[…]T和＝[…]T分別為系統(tǒng)的廣義位移、速度和加速度矢量；對(duì)等效剛體k的速度vk求導(dǎo)得到三維加速度Ak表達(dá)式

矩陣Hk是對(duì)應(yīng)等效剛體k的二階影響系數(shù)矩陣，它是一個(gè)以n維矢量為元素的n× n維矩陣。Hk的第i行第j列元素為三維矢量，是廣義坐標(biāo)的函數(shù)。

由此，式（6）右邊第二項(xiàng)寫(xiě)成

其中Gn與Gn－1分別表示末端等效剛體n與第n-1等效剛體的一階影響系數(shù)。

綜合上述公式，可得柔順臂的等效彈性欠驅(qū)動(dòng)多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

4　基于動(dòng)力學(xué)解耦的運(yùn)動(dòng)分析

令θɑ＝ θ1，θu＝（θ2，…， θn）T，分別表示等效多剛體系統(tǒng)中主動(dòng)關(guān)節(jié)1角度矢量和等效被關(guān)節(jié)的角度矢量，則系統(tǒng)的關(guān)節(jié)角度矢量可表示成θ＝（ θɑ， θu）T；相應(yīng)角速度和角加速度矢量可表示為˙＝，）T，＝，）T；設(shè)關(guān)節(jié)1加速度，為已知輸入控制量，關(guān)節(jié)1力矩為T(mén)ɑ＝ T1，其他等效被動(dòng)關(guān)節(jié)輸入力矩Tu＝0。

令Gkɑ＝（gk，1）、Gku＝（gk，2…gk， n）分別為主動(dòng)關(guān)節(jié)1與被動(dòng)關(guān)節(jié)的一階影響系數(shù)，則動(dòng)力學(xué)模型中的慣性矩陣分解得

Christoffel張量C可表示為

同理，進(jìn)一步分解得

此外，重力矩與末端外力矩可解耦為下面形式

關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)力矩可解耦為

其中，θɑs表示主動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)角矢量，ɑθ為相應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角矢量；θus表示等效關(guān)節(jié)的初始角度矢量，uθ表示等效關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角矢量。

基于上述分解，柔順臂等效多剛體系統(tǒng)解耦形式可表示為

為了討論系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性，由式（14）、（15）、（16）可得下面方程組

由式（16）可得等效被動(dòng)關(guān)節(jié)的加速度為

將上式代入方程組（17）中，可得關(guān)節(jié)1輸入轉(zhuǎn)矩T1的表達(dá)式

式（19）給出了柔順臂主動(dòng)關(guān)節(jié)輸入力矩，其等號(hào)右邊第二項(xiàng)可以寫(xiě)成下面形式

令CAU＝ Cɑu＋ Cɑ表示耦合張量與慣性力（離心力、科氏力）的關(guān)系，因此，式（18）可表示為下面形式

式（18）、（19）給出了柔順臂基于動(dòng)力學(xué)模型的系統(tǒng)主動(dòng)輸入量，以及基于二階非完整約束方程的柔順臂位姿描述。

4　柔順臂動(dòng)力學(xué)特性仿真分析

基于柔順臂的偽剛性段劃分結(jié)果N＝13，根據(jù)柔順臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以得到各偽剛性段的質(zhì)量mi，kg；桿長(zhǎng)li，m；等效關(guān)節(jié)夾角θi，rad；基于修正公式得各等效關(guān)節(jié)扭簧剛度ki，kg·m/rad。設(shè)第1主動(dòng)關(guān)節(jié)的加速度輸入為＝ 5 rad/s2。

在扇貝臟器分離中，負(fù)壓吸管對(duì)柔順臂的作用力為均布力，大小與吸管兩端柔順臂和貝柱之間的垂直距離有關(guān)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將負(fù)壓吸力等效為2個(gè)集中力，其大小與吸管和貝柱之間的距離由下式描述

基于式（11）建立的柔順臂偽剛體動(dòng)力學(xué)模型，可得到柔順臂在0～0.25 s（一個(gè)扇貝臟器分離周期）內(nèi)的動(dòng)力學(xué)仿真，如圖4所示。

圖4　分布式柔順臂位移仿真圖Fig.4　Displacement animation of distributed-compliance fully compliant arm

由圖4中可得柔順臂在臟器分離過(guò)程中（t＝0，0.15，0.20，0.25 s），實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)壓吸管提升的動(dòng)作；由圖4可得，柔順臂與負(fù)壓管連接部分在臟器分離過(guò)程中保持基本水平，實(shí)現(xiàn)吸管口垂直上升一段距離，有利于保持吸取過(guò)程的爆破力，實(shí)現(xiàn)吸管對(duì)扇貝臟器有效的吸力。同時(shí)在吸取過(guò)程后段，吸管在柔順臂變形的作用下軸線(xiàn)偏離目標(biāo)物，即吸管口與水平方向形成一定夾角，從而可以保證目標(biāo)物脫離負(fù)壓的吸附作用力，結(jié)束內(nèi)臟吸取過(guò)程。

圖5、6分別為與負(fù)壓吸管相連的柔順臂前后兩點(diǎn)（等效關(guān)節(jié)13、末端點(diǎn)）在豎直方向的位移，以及吸管底面與水平方向夾角隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖5　柔順臂末段偽剛性段端點(diǎn)豎直方向位移Fig.5　Vertical displacement of the end points of last pseudo-rigid-segment of compliant arm

圖6　吸管底面與水平方向夾角隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.6　Varying with time of angle between suction tube bottom and horizontal direction

由圖5、6可得，在設(shè)定豎直上升行程13 mm范圍內(nèi)，柔順臂與吸管連接部分在豎直方向位移差值很小，可保持吸管基本水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)臟器的負(fù)壓吸?。辉O(shè)吸管底面與水平夾角為α，在分離過(guò)程后段，柔順臂變形運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)α增大至28°，傾斜卸壓位置的垂直行程接近50 mm，滿(mǎn)足設(shè)定要求，因此能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)物脫離負(fù)壓的吸附作用力，結(jié)束內(nèi)臟吸取過(guò)程。

基于柔順臂偽剛體動(dòng)力學(xué)模型解耦，由式（18）、（19）可得柔順臂主動(dòng)關(guān)節(jié)輸入量，以及基于二階非完整約束方程的柔順臂運(yùn)動(dòng)學(xué)描述。

圖7　柔順臂主動(dòng)關(guān)節(jié)輸入力矩Fig.7　Input torque of the compliant arm

圖8　柔順臂末段偽剛性段線(xiàn)速度Fig.8　Velocity of the last pseudo-rigid-segment of compliant arm

由圖7、8可知，柔順臂末端偽剛性段線(xiàn)速度，即為與之相連的吸管在扇貝臟器分離過(guò)程中的x、y軸方向的線(xiàn)速度；吸管在豎直方向的速度符合設(shè)定的加速吸附臟器、減速結(jié)束內(nèi)臟吸取的要求，同時(shí)在水平方向上，吸管在吸附階段速度變化不明顯，易于吸管對(duì)半貝殼的位姿保持，實(shí)現(xiàn)對(duì)臟器建立吸附負(fù)壓。同時(shí)在保證對(duì)臟器吸附釋放動(dòng)作下，主動(dòng)關(guān)節(jié)輸入力矩變化平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)分離裝置控制。

5　樣機(jī)試驗(yàn)

基于本文提出的分布式柔順臂作為負(fù)壓吸管的驅(qū)動(dòng)元件，進(jìn)行扇貝臟器自動(dòng)分離裝置試驗(yàn)，分離裝置主要參數(shù)設(shè)置如下：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)角加速度為5.5 rad/s2，真空吸管最大氣流量48 L/s，吸管內(nèi)相對(duì)負(fù)壓為18 kPa，柔順臂材料選用65 Mn。

扇貝臟器負(fù)壓分離過(guò)程狀態(tài)如圖9所示，將開(kāi)殼后半貝殼放置于固定隔板上；設(shè)柔順臂起始端轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角為β，吸管底面與隔板貼合位置為初始狀態(tài)，β＝11°。圖9a建立負(fù)壓階段，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角β約為19°，吸管沒(méi)有發(fā)生上升，柔順臂積蓄彈性勢(shì)能，此時(shí)吸管底面與水平夾角α＝0°，真空吸管與半貝殼間建立負(fù)壓。圖9b垂直上升階段，轉(zhuǎn)角β≤56°時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量，吸管底面與水平夾角α≤2°，柔順臂帶動(dòng)真空吸管保持垂直上升至約30 mm。圖9c傾斜卸壓階段，轉(zhuǎn)角β≥61°時(shí)，吸管上升至約45 mm，在柔順臂變形作用帶動(dòng)下，吸管開(kāi)始明顯傾斜，貝殼開(kāi)始脫離吸附；當(dāng)β達(dá)到67°時(shí)，吸管上升至約55 mm，半殼貝完全脫離負(fù)壓吸附作用，內(nèi)臟吸取過(guò)程結(jié)束；此時(shí)吸管底面與水平夾角α在25°～30°之間，滿(mǎn)足傾斜卸壓要求，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析基本一致。

圖9　扇貝臟器分離過(guò)程Fig.9 Process of scallop and viscera separation

將該分離轉(zhuǎn)置應(yīng)用于扇貝自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備中，采用8路氣吸式貝柱與臟器自動(dòng)化分離裝置進(jìn)行分離試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象選用河北省昌黎縣海域所產(chǎn)海灣扇貝，扇貝個(gè)體高為45～56 mm，樣本總?cè)萘繛? 600枚。試驗(yàn)結(jié)果表明，其中479枚內(nèi)臟未被完全摘取，或部分臟器殘留，大部分殘留是臟器內(nèi)部撕裂造成，吸凈率達(dá)到91.4%；在沒(méi)有臟器殘留的扇貝中有179枚的貝柱有損傷，破損率為3.5%，原因主要是扇貝屬于自然生物，其閉殼肌的力學(xué)性能不同，在扇貝臟器的外套膜被氣流裹挾離開(kāi)貝殼時(shí)與閉殼肌有一定的黏連，閉殼肌的部分外層纖維隨之發(fā)生破損。

河北昌黎與山東煙臺(tái)等地是中國(guó)扇貝的主要產(chǎn)區(qū)，中等規(guī)模養(yǎng)殖戶(hù)每年養(yǎng)殖3～5萬(wàn)籠，總質(zhì)量約5.5×105kg。人工采收方式下，每年需用工50人，生產(chǎn)周期75 d，按人工費(fèi)每天200元計(jì)，總?cè)斯こ杀炯s75萬(wàn)元。扇貝自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率是每分鐘160枚，用工6人，按每個(gè)單體扇貝質(zhì)量75 g，5.5×105kg折合約733萬(wàn)枚，總共需用時(shí)763 h，按每天12 h工作制，需要生產(chǎn)時(shí)間合計(jì)62 d，人工費(fèi)用約7.5萬(wàn)元，總功率35 kW，折合能源費(fèi)用約1.9萬(wàn)元，可使生產(chǎn)成本降低87%，因此扇貝自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的使用能夠?yàn)橹袊?guó)扇貝產(chǎn)區(qū)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

6　結(jié)　論

1）提出一種氣吸式扇貝貝柱與臟器自動(dòng)化分離裝置，并對(duì)裝置中分布式柔順驅(qū)動(dòng)臂的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究?；趥蝿傮w模型法，建立了柔順臂的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)解耦得到了系統(tǒng)的二階非完整約束方程，推導(dǎo)出了等效關(guān)節(jié)加速度與輸入驅(qū)動(dòng)力矩的表達(dá)式。

2）柔順臂的動(dòng)力學(xué)特性仿真分析結(jié)果表明，負(fù)壓吸附階段，柔順臂與吸管連接部分可保持吸管底面基本水平，保證負(fù)壓下吸管瞬間吸附的爆發(fā)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)臟器負(fù)壓吸取；偏斜卸壓階段，柔順臂能夠帶動(dòng)吸管底面偏離水平方向，實(shí)現(xiàn)吸管對(duì)目標(biāo)物脫離負(fù)壓吸附作用，結(jié)束臟器吸取過(guò)程。

3）樣機(jī)試驗(yàn)表明，柔順臂可將一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輸入轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向移動(dòng)自由度，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角β≤56°時(shí)，柔順臂帶動(dòng)真空吸管保持垂直上升至30 mm，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角β≥61°時(shí)，吸管開(kāi)始明顯傾斜，吸管底面與水平夾角α在25°～30°之間，滿(mǎn)足傾斜卸壓要求，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析基本一致。以5 600枚樣本容量扇貝進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明扇貝臟器吸凈率達(dá)到91.4%，貝柱破損率為3.5%。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李偉青，王頡，孫劍鋒，等. 海灣扇貝營(yíng)養(yǎng)成分分析及評(píng)價(jià)[J]. 營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)，2011，33（6）：630－632. Li Weiqing， Wang Jie， Sun Jianfeng， et al. The nutrients analysis and evaluation of argopectens irradias[J]. Acta Nutrimenta Sinica， 2011， 33（6）: 630－632. （in Chinese with English abstract）

[2] 于千鈞. 中國(guó)海灣扇貝產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、特征和績(jī)效研究[D]. 青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2014. Yu Qiangjun. A Study on Structure， Characteristics and Performances of Bay Scallop Industry in China[D]. Qingdao: Ocean University of China， 2014. （in Chinese with English abstract）

[3] Morita K， Kubota K， Aishima T. Investigating s ensory characteristics and volatile components in boiled scallop aroma using chemometric techniques[J]. Food Chemistry，2002， 78（1）: 39－45.

[4] 沈建，林蔚，郁蔚文，等. 我國(guó)貝類(lèi)加工現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].中國(guó)水產(chǎn)，2008（3）：73－75. Shen Jian， Lin Wei， Yu Weiwen， et al. Present situation and development prospect of Chinese shellfish processing[J]. China Fisheries， 2008（3）: 73－75. （in Chinese with English abstract）

[5] 勵(lì)建榮. 我國(guó)水產(chǎn)品加工業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 保鮮與加工，2005，5（3）：1－3. Li Jianrong. Present situation of aquatic products processing industry in China[J]. Storage ＆ Process， 2005， 5（3）: 1－3. （in Chinese with English abstract）

[6] 李秋實(shí)，王家忠，弋景剛，等. 海灣扇貝閉殼肌剝離設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（10）：198－201. Li Qiushi， Wang Jiazhong， Yi Jinggang， et al. Development state and prospect of bay scallops adductor splitting sevice[J]. Guangdong Agricultural Sciences， 2013（10）: 198－201. （in Chinese with English abstract）

[7] 孔德剛，弋景剛，姜海勇，等. 海灣扇貝開(kāi)殼取貝柱工藝方案的研究[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（2）：230－234. Kong Degang， Yi Jinggang， Jiang Haiyong， et al. Research on the process scheme to the bay scallop of shellfish opening for adductor[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2014， 35（2）: 230－234. （in Chinese with English abstract）

[8] 朱其霄，弋景剛，姜海勇，等. 海灣扇貝外套膜剝離機(jī)械手的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015，29（4）：63－67. Zhu Qixiao， Yi Jinggang， Jiang Haiyong， et al. Design of the mantle stripping manipulator of argopecten irradians[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research， 2015， 29（2）: 63－67. （in Chinese with English abstract）

[9] 張國(guó)琛，毛志懷，牟晨曉，等. 微波真空與熱風(fēng)組合干燥扇貝柱的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（6）：144－147. Zhang Guochen， Mao Zhihuai， Mu Chenxiao， et al. Combined vacuum-microwave and hot-air drying of scallop[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2005， 21（6）: 144－147. （in Chinese with English abstract）

[10] 弋景剛，吳紅雷，姜海勇，等. 蒸汽式扇貝開(kāi)殼裝置工作參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（18）：70－77. Yi Jinggang， Wu Honglei Jiang Haiyong， et al. Optimization of operating parameters on steam-shelling device for scallop[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014， 30（18）: 70－77. （in Chinese with English abstract）

[11] 弋景剛，張靜，姜海勇，等. 水流加熱扇貝柱脫殼試驗(yàn)研究，食品科技，2014，39（2）：139－142. Yi Jinggang， Zhang Jing， Jiang Haiyong， et al. Experimental research on water heating scallop shelling[J]. Food Science and Technology， 2014， 39（2）: 139－142.（in Chinese with English abstract）

[12] Jabbour T， Hognason G. Method for Shucking Lobster， Crab or Shrimp: United States， US 2011/0070353 Al[P]. 2011-03-24.

[13] Cruz-Romero M C， Kerry J P， Kelly A L. Fatty acids，volatile compounds and colour changes in high-pressure-treated oysters Innovative[J]. Innov Food Sci Emerg， 2008， 9（1）: 54－61.

[14] 王繼濤. 熱處理對(duì)扇貝閉殼肌肌動(dòng)球蛋白生化性質(zhì)的影響[J]. 食品與發(fā)酵業(yè)，2012，38（2）：22－26. Wang Jitao. Effect of thermal treatment on biochemical properties of actomyosin from adductor muscles of scallop[J]. Food and Fermentation Industries， 2012， 38（2）: 22－26. （in Chinese with English abstract）

[15] 趙偉. 超高壓處理對(duì)牡蠣超微結(jié)構(gòu)、組分及蛋白質(zhì)變性的影響[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2011，37（5）：7－11. Zhao Wei. Effects of high pressure processing on microstructure， ingredients and protein denature of fresh oyster[J]. Food and Fermentation Industries， 2011， 37（5）: 7－11. （in Chinese with English abstract）

[16] 李書(shū)紅，王頡，宋春風(fēng)，等. 不同干燥方法對(duì)即食扇貝柱理化及感官品質(zhì)的影響，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（5）：373－377. Li Shuhong， Wang Jie， Song Chunfeng， et al. Effects of different drying methods on physicochemical and sensory characteristics of instant scallop[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2011， 27（5）: 373－377. （in Chinese with English abstract）

[17] 齊曉娜，姜海勇，邢雅周. 氣吸式扇貝臟器分離裝置流場(chǎng)計(jì)算機(jī)模擬[J]. 河北大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（3）：324－329. Qi Xiaona， Jiang Haiyong， Xing Yazhou. Simulation of the flow field in scallop viscera separating device with air suction[J]. Journal of Hebei University， 2015， 35（3）: 324－329. （in Chinese with English abstract）

[18] 鮑官軍，高峰，荀一，等. 氣動(dòng)柔性末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)及其抓持模型研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（10）：121－126. Bao Guanjun， Gao Feng， Xun Yi， et al. Flexible end-effector based on flexible pneumatic actuator and its grasping model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2009， 25（10）: 121－126. （in Chinese with English abstract）

[19] 李守忠，于靖軍，宗光華. 基于旋量理論的并聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)型綜合與主自由度分析， 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（13）：54－60.Li Shouzhong， Yu Jingjun， Zong Guanghua. Type synthesis and principle freedom analysis of parallel flexure mechanisms based on screw theory[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2010， 46（13）: 54－60. （in Chinese with English abstract）

[20] 王學(xué)林，肖永飛，畢淑慧，等. 機(jī)器人柔性抓取試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與抓持力跟蹤阻抗控制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（1）：58－63. Wang Xuelin， Xiao Yongfei， Bi Shuhui， et al. Design of test platform for robot flexible grasping and grasping force tracking impedance control[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2015， 31（1）: 58－63. （in Chinese with English abstract）

[21] Howell L. Compliant mechanisms[M]. New York：John Wiley ＆ Sons Press, 2001.

[22] Pavlovic N. Compliant mechanism design for realizing of axial link translation[J]. Mechanism and Machine Theory，2009， 44（5）: 1082－1091.

[23] Masters N, Howell L. A three degree-freedom model for self-retracting fully compliant bistable micro mechanisms[J]. Journal of Mechanical Design, 2005, 127（4）: 739－744.

[24] 李娜，趙鐵石，孫東波，等. 分布式全柔順機(jī)構(gòu)偽剛體建模研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（19）：83－88. Li Na， Zhao Tieshi， Sun Dongbo， et al. Pseudo-rigid-body modeling for distributed-compliance fully compliant mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2010，46（19）: 83－88. （in Chinese with English abstract）

[25] 余躍慶，徐慶平. 柔順機(jī)構(gòu)PR偽剛體動(dòng)力學(xué)建模與特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（3）：225－229. Yu Yueqing， Xu QingPing. Dynamic modeling and characteristic analysis of compliant mechanisms based on PR pseudo-rigid-body model[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2013， 44（3）: 225－229. （in Chinese with English abstract）

[26] 李源，余躍慶. 柔順關(guān)節(jié)并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46（7）：345－353. Li Yuan， Yu Yueqing. Dynamic model of parallel robot with compliant joint[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2015， 46（7）: 345－353. （in Chinese with English abstract）

Dynamic characteristic analysis of distributed-compliant arm in vacuum suction device for scallop viscera separation

Li Na, Jiang Haiyong, Zhang Xianpeng, Yi Jinggang
（College of Mechɑnicɑl ɑnd Electricɑl Engineering, Agriculturɑl University of Hebei, Bɑoding 071001, Chinɑ）

Abstract:The scallop is one of the major economic bivalves in China， whose adductor muscle is called shellfish. Shellfish are nutritious， delicious， and have many healthcare functions， edibleness and economic value. The automatic collection of adductor muscle usually includes 2 methods which are mechanical type separation and non-mechanical type separation. The mechanical separation uses mechanical device to separate adductor muscles and viscera compulsively， but this kind of method often causes lacerated hurt for adductor muscle， and low rate of finished products. The non-mechanical method realizes the separation of adductor muscle and viscera through adopting heat treatment， chemical reagent treatment， and ultrahigh pressure technology，etc. However， the non-mechanical separation destroys the nutrition component of adductor muscles because of the hot process on them. Therefore， the low-loss separation for adductor muscles of bay scallop and viscera is one of the key processes to realize the automatic collection. In order to reduce the high-loss of adductor muscles of scallop during automatic separation，this paper presents the suction separating device based on the distributed fully-compliant mechanism. The suction separating device is composed of suction tube and motivating mechanism. Due to the space limitation， it is difficult to use the traditional mechanism to realize the high-speed lift and the complicated location and posture of the suction tube， and so the motivating mechanism for suction tube with the compliant arm as the principal part can simplify the complication of mechanical structure observably. The motivating mechanism is based on the energy storage and deformation of the distributed fully-compliant arm to realize the control of locomotion and posture of the suction tube during separating process， so it is essential to analyze the dynamic characteristics for control. The pseudo-rigid-body model for the compliant arm is built， which makes the compliant mechanism equivalent to a multi-body system with underactuated joints. Based on the influence coefficient method， the dynamic model of the equivalent multi-body system for the compliant arm is established. According to the dynamic modeling，the second-order nonholonomic constraint equations are developed from the decomposition of the active joint and the equivalent passive joints， and then the acceleration expressions of passive joints and the input torque of active joint are obtained. The dynamic characteristic of the compliant arm is simulated and the prototype is tested， then the result proves that during the negative pressure adsorption， the connective part of compliant arm and suction tube can keep horizontal basically to ensure explosive power to viscera under negative pressure with the input angle of motor ≤56°; when the input angle ≥61°，the angle of the bottom of suction tube and horizontal direction that is between 25°-30°can satisfy the experiment data with compliant arm driving， which can make the target object break away from suction tube to end the adsorption process. The test results and simulation analysis are basically identical.Hence， based on the characteristics of the compliant mechanism by relying on elastic deformation itself to realize the transition of the locomotion and force with less even no kinematic pair in the mechanism， the motivating mechanism of suction tube proposed in this paper can simplify the mechanical structure and control system observably， and reduce the cost of equipment manufacture and energy consumption. The research on the separating device has very important application value for the realization of scallop automatic manufacture.

Keywords:modeling; dynamics; experiments; vacuum suction device of scallop viscera separation; distributed-compliant arm; influence coefficient method

作者簡(jiǎn)介：李娜，女，河北保定人，博士，講師，主要從事欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、仿生機(jī)器人的研究。保定河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，071001。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305125）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2013204110）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目（YQ2013007）

收稿日期：2015-10-06

修訂日期：2015-12-08

中圖分類(lèi)號(hào)：S985.3＋6; TH113.2＋2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6819（2016）-02-0244-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.035