高自成，李立君，王朋輝，祝 強(qiáng)，羅玉坤

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

油茶果采摘機(jī)器人采摘頭設(shè)計(jì)與分析

高自成，李立君，王朋輝，祝 強(qiáng)，羅玉坤

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

油茶是一種重要的油料樹種。隨著我國(guó)油茶種植面積的增長(zhǎng)，油茶果機(jī)械化與自動(dòng)化采收成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本文論述了油茶果采摘機(jī)器人采摘頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用Inventor軟件對(duì)采摘頭進(jìn)行了力學(xué)仿真和關(guān)鍵零件有限元分析試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，最大應(yīng)力值隨振幅和頻率增大而增大；振動(dòng)頻率對(duì)采摘頭關(guān)鍵零件最大應(yīng)力值影響較大，短連桿和曲柄最大應(yīng)力值最高，但仍小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)合采摘頭現(xiàn)場(chǎng)工作試驗(yàn)，驗(yàn)證了油茶果采摘機(jī)器人采摘頭的可行性和安全性。

采摘頭，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力學(xué)分析，采摘機(jī)器人，油茶果

油茶是一種木本油料樹種，與油橄欖、油棕、椰子并稱“世界四大木本油料樹種”[1]。茶油是油茶種子中提取獲得的油脂，具有重要的藥用價(jià)值[2-4]，是一種對(duì)人體有益的保健型營(yíng)養(yǎng)油[5-6]，受到廣大群眾的青睞，市場(chǎng)需求巨大[7-8]。

我國(guó)的油茶品種、分布范圍及油茶產(chǎn)量均居于世界首位[9]。據(jù)國(guó)家林業(yè)局統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的油茶產(chǎn)量已經(jīng)從2008年的20多萬噸增加到了2012年的45萬噸，產(chǎn)值由110億元增加到了390億元[10]。隨著油茶種植的面積增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的人工采收方式由于存在勞動(dòng)量需求大，成本高，作業(yè)效率低等缺陷[11]，已經(jīng)無法滿足其規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化需求。油茶果采收機(jī)械化與自動(dòng)化成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題[12-14]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了油茶果采摘機(jī)器人。

本文論述了油茶果采摘機(jī)器人采摘頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[15-17]，并利用Inventor軟件對(duì)采摘頭進(jìn)行了力學(xué)仿真和關(guān)鍵零件有限元分析[18-19]。

1 采摘頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，油茶果采摘機(jī)器人采摘頭由夾緊組件和振動(dòng)組件構(gòu)成，其工作方式為振動(dòng)采摘。

夾緊組件包括小錐齒輪、大錐齒輪、絲杠花鍵軸、夾緊螺母、夾緊拉桿和夾爪。夾緊機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，通過錐齒輪傳動(dòng)換向后，由大錐齒輪內(nèi)花鍵孔與絲杠花鍵軸形成的花鍵副驅(qū)動(dòng)絲杠花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過絲杠花鍵軸末端的梯形絲杠副帶動(dòng)夾緊螺母前后移動(dòng)[20]。夾緊螺母與夾緊拉桿、夾爪構(gòu)成以滑塊為主動(dòng)件的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[21]，從而驅(qū)動(dòng)夾爪張開或夾緊，達(dá)到夾持枝干的目的。

振動(dòng)組件為振動(dòng)曲柄、振動(dòng)連桿和與振動(dòng)導(dǎo)軌固連的夾緊組件構(gòu)成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其工作動(dòng)力由伺服電機(jī)提供。為了便于調(diào)節(jié)振幅大小，振動(dòng)曲柄添加了振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；考慮到加工誤差影響和安裝、維護(hù)的便捷，本文論述的采摘頭振動(dòng)連桿由長(zhǎng)連桿和短連桿組成。采摘頭三維模型如圖2所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 采摘頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The structure diagram of picking monomers

圖2 采摘頭3D模型Fig.2 The 3D Model of picking monomers

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

通過多次實(shí)地考察與實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)掛果較好的油茶樹樹干直徑分布在25 mm～45 mm，振動(dòng)樹干所需推力約為150 N～510 N。本次試驗(yàn)?zāi)康臑橥ㄟ^模擬實(shí)地振動(dòng)采摘作業(yè)過程，分析采摘頭關(guān)鍵零件在作業(yè)時(shí)所受的最大應(yīng)力值，故本次試驗(yàn)取最大推力值510 N。

表1 采摘頭技術(shù)參數(shù)表Table 1 The technical parameter table of picking monomers

2.1 試驗(yàn)方法

本次力學(xué)試驗(yàn)利用Inventor軟件自帶的仿真模塊和有限元分析模塊進(jìn)行。首先進(jìn)行采摘頭力學(xué)仿真，得出與采摘頭關(guān)鍵零件有關(guān)的鉸鏈?zhǔn)芰ψ兓€圖[22]，如圖3所示。

圖3 第N次試驗(yàn)鉸鏈?zhǔn)芰ψ兓€圖Fig.3 The change curve of hinge stress in the Nth test

通過Inventor軟件可搜索鉸鏈?zhǔn)芰ψ畲蟮臅r(shí)間點(diǎn)，代入有限元分析模塊，分析關(guān)鍵零件應(yīng)力值[23]，如圖4所示為第N次試驗(yàn)短連桿應(yīng)力分析圖。

圖4 第N次試驗(yàn)短連桿應(yīng)力分析圖Fig.4 The stress analysis diagram of short connecting rod in the Nth test

2.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

振動(dòng)采摘作業(yè)時(shí)，振動(dòng)頻率與振幅都會(huì)對(duì)關(guān)鍵零件應(yīng)力值產(chǎn)生影響。因此，本次試驗(yàn)試驗(yàn)因素取為振動(dòng)頻率和振幅。

通過初步驗(yàn)證，振幅小于18 mm，振動(dòng)頻率小于5 Hz時(shí)，落果率過小；振動(dòng)頻率大于20 Hz時(shí)，落花率和落葉率較大，影響第二年產(chǎn)量。故取曲柄長(zhǎng)度9 mm～51 mm，振動(dòng)頻率5 Hz～20 Hz，因素水平如表2所示。

表2 因素水平Table 2 Factor levels

本次試驗(yàn)取長(zhǎng)連桿、短連桿、振動(dòng)曲柄和曲柄調(diào)節(jié)芯軸的最大應(yīng)力值為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)，其表示符號(hào)分別為σ1，σ2，σ3，σ4。

2.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

確定試驗(yàn)因素與試驗(yàn)結(jié)果后設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案并作出正交表[24]。試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 The orthogonal test plan and the results

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 極差分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做極差分析，其結(jié)果如表4所示。為了便于直觀地表示因素對(duì)指標(biāo)變化的影響，做因素效應(yīng)直觀圖如圖5所示。

圖5 因素效應(yīng)直觀圖Fig.5 Pictorial diagram of factor effect

由表3、表4與圖5可知，隨著曲柄長(zhǎng)度和振動(dòng)頻率的增加，各零件的最大應(yīng)力值均呈增大趨勢(shì)，并在最大振幅和最大頻率處達(dá)到最大值；相對(duì)于振幅對(duì)最大應(yīng)力值的影響，振動(dòng)頻率對(duì)最大應(yīng)力值的影響較大；短連桿于各種工作狀態(tài)下所受應(yīng)力均為最大；關(guān)鍵零件材料選擇為45鋼調(diào)質(zhì)處理，故各零件均安全。

表4 試驗(yàn)結(jié)果極差分析表Table 4 The range analysis table of test results

表5 F檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results of F test

圖6 試驗(yàn)因素對(duì)各零件最大應(yīng)力值的影響Fig.6 The effect of tese factors on the maximum stress value of each parts

3.2 回歸分析

利用Matlab軟件regress函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)做多元線性回歸分析[25]，得出回歸方程如下：

式中，x為曲柄長(zhǎng)度，y為振動(dòng)頻率，z1～z4分別代表長(zhǎng)連桿、短連桿、曲柄及曲柄調(diào)節(jié)芯軸最大應(yīng)力值。

為驗(yàn)證回歸方程及偏回歸系數(shù)的顯著性[26-28]，以式（1）為例對(duì)其進(jìn)行F檢驗(yàn)，計(jì)算過程與結(jié)果列于表5中。

由表5可以看出，式（1）中x與y的系數(shù)和回歸方程的F值均在顯著性水平0.01之上，故回歸方程及其系數(shù)均高度顯著。

同理，可檢驗(yàn)回歸方程（2）～（4）及其系數(shù)均高度顯著。

圖6為試驗(yàn)因素對(duì)零件最大應(yīng)力值的影響效果圖。由回歸方程（1）～（4）及圖6可以看出，最大應(yīng)力值z(mì)隨振幅x和頻率y的增大而增大，且于振幅x和頻率y最大處達(dá)到最大值；頻率y的系數(shù)均較大，即z在x=m（9≤m≤51）處投影所得直線的斜率k1均比z在y=n（5≤n≤20）處投影所得直線的斜率k2大，則頻率y對(duì)最大應(yīng)力值z(mì)的影響較大。

4 結(jié) 論

本文論述了油茶果采摘機(jī)器人采摘頭的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Inventor軟件對(duì)采摘頭進(jìn)行了力學(xué)仿真和關(guān)鍵零件的有限元分析試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析和回歸分析，分析結(jié)果一致。再結(jié)合油茶果采摘機(jī)器人實(shí)地采摘作業(yè)工作情況，得出以下結(jié)論：

（1）油茶果采摘機(jī)器人采摘頭關(guān)鍵零件在不同工況下的最大應(yīng)力值隨振幅和頻率的增大而增大；

（2）振動(dòng)頻率對(duì)最大應(yīng)力值的影響效果較大，故在滿足工作要求的條件下，應(yīng)盡量減小振動(dòng)頻率；

（3）各關(guān)鍵零件的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于45鋼調(diào)質(zhì)處理后的屈服極限，均能保證安全工作；

（4）短連桿的最大應(yīng)力值較大，為保證工作過程的不產(chǎn)生較大變形，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)；

（5）通過油茶果采摘機(jī)器人實(shí)地采摘試驗(yàn)，采摘頭工作正常，采摘效果良好。

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The design and analysis of Camellia fruit picking robots’ picking monomers

GAO Zi-cheng, LI Li-jun, WANG Peng-hui, ZHU Qiang, LUO Yu-kun
(Mechanical and Electrical Engineering Institute, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Camellia is a kind of important oil tree species.Tea oil, which is of great value on nutritional and medicinal and has huge market demand, is extracted from the tea seed.With the increase of camellia’s cultivated area, the traditional manual harvesting have been unable to meet the demand of its scale and industrialization.Realizing the camellia fruit harvesting mechanized and roboticized has been the focus.Aimed at the status quo, camellia fruit picking robot is designed. Firstly, this paper discusses the working principle of camellia fruit picking robots’ picking monomers, and carries on the 3D structure design. Secondly, this paper proceeds mechanics simulation and fi nite element analysis text for the the picking monomers and its key parts of the robot used the software of Inventor.The test results show that the maximum stress value of key parts increase along with the increase of amplitude and frequency;vibration frequency of picking monomers has greater in fl uence on the maximum stress value of key parts;the maximum stress value of short connecting rod and crank is highest, but it is still less than the yield strength of material;veri fi ng the picking monomers of camellia fruit picking robot is feasible and security combined with fi eld work picking monomers test.

picking monomers,structural design,mechanical analysis, picking robots, camellia fruit

S776.22+2

A

1673-923X(2016)02-0114-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.02.022

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-09-11

湖南省教育廳一般項(xiàng)目（12C0453）油茶果采摘機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201104090）湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助

高自成，博士研究生，副教授

李立君，教授，博導(dǎo)，博士后；E-mail：junlili1122@163.com

高自成，李立君，王朋輝，等. 油茶果采摘機(jī)器人采摘頭設(shè)計(jì)與分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(2): 114-118.

[本文編校：吳 彬]