吳思宇，張雨佳，王一函

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菠蘿輔助采摘機械臂＊

吳思宇，張雨佳，王一函

（武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

由于菠蘿樹和果實的特殊結(jié)構(gòu)，以及菠蘿莖芽的經(jīng)濟價值，目前國內(nèi)絕大多數(shù)的菠蘿采摘還是純手工操作，效率低，易傷害手部。設(shè)計了一種新型菠蘿輔助采摘機械臂，通過機構(gòu)組合創(chuàng)新設(shè)計實現(xiàn)菠蘿掰斷和采摘這兩個過程，將有效解決菠蘿采摘效率低、采摘難的問題，促進菠蘿行業(yè)發(fā)展。

菠蘿采摘；剪叉機構(gòu)；動力特性；剪叉機構(gòu)

菠蘿是最受歡迎的熱帶水果之一，其果實品質(zhì)優(yōu)良，營養(yǎng)豐富，含有大量果糖和維生素，主要種植地區(qū)為廣東、海南、廣西、云南、福建和臺灣等。菠蘿采摘季節(jié)性較強，只有半個月左右的收獲高峰期，需要在短時間內(nèi)及時采摘，菠蘿采收成本占據(jù)菠蘿總生產(chǎn)成本的40%，占比最大。對全國菠蘿第一生產(chǎn)縣——廣東湛江徐聞縣進行實地調(diào)研和查閱報道、文獻等研究資料后了解到，目前全國菠蘿采摘仍然以人工采摘為主。在我國，菠蘿多以小型農(nóng)戶自發(fā)種植為主，注重產(chǎn)量化種植，在不影響菠蘿正常生長的情況下，保持較高的菠蘿種植密度。菠蘿種植田測量行距為50 cm，株距為25～35 cm。

1 菠蘿采摘研究現(xiàn)狀

由于我國菠蘿種植方式缺乏規(guī)劃，植株高度不一，植株密度大，難以在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)統(tǒng)一化。菠蘿生長地理環(huán)境既有低丘陵也有平原，地理環(huán)境復(fù)雜；菠蘿種植多以小型農(nóng)戶自發(fā)種植為主，因此使菠蘿運輸車難以進入及自由穿梭作業(yè)，同時機械會對菠蘿植株造成損傷，成本昂貴，且難以滿足果農(nóng)對于保護托芽的采摘要求，因此菠蘿自動采摘機難以實現(xiàn)大規(guī)模的普及利用，國內(nèi)菠蘿采摘仍以人工為主。菠蘿葉子鋒利的銳齒和果皮堅硬而帶有芒刺的凸起使人在純手工采摘過程中很容易受傷，嚴重影響菠蘿的采摘效率，菠蘿采摘這種既辛苦又有較高體力和技能要求的人工作業(yè)，面臨日益嚴重的勞動力緊缺和成本快速上漲問題。因此，我們設(shè)計一臺菠蘿輔助采摘機械臂，輔助果農(nóng)采摘，在提高采摘效率的同時，保護托芽，避免對菠蘿造成傷害。

2 方案設(shè)計

本項目菠蘿輔助臂主要通過剪叉?zhèn)鲃訖C構(gòu)、彈性滑軌機構(gòu)、抓取執(zhí)行機構(gòu)等實現(xiàn)對菠蘿的采摘，達到運動完成抓取和掰斷兩個采摘步驟的目的。同時，本裝置兼具輕便、攜帶使用靈活的特點。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2—導(dǎo)向槽板；3—手臂支撐板；4—徑向固定鉤；5—抓取爪頭；6—彈簧；7—剪叉連桿；8—拉線桿；9—拉線軸；10—動力桿；11—握把；12—手握柱；13—內(nèi)滑板；14—外固定導(dǎo)軌；15—鉸接軸；16—推板。

2.1 剪叉?zhèn)鲃訖C構(gòu)設(shè)計

此部分整體由四級X型單元組成，以保證足夠的縱向伸展位移完成掰斷過程，菠蘿采摘時左端手鉸鏈處通過增力機構(gòu)施加水平向內(nèi)的推力，由于第二鉸接點固定于機架上，第四鉸接點與下端滑軌相連滑軌同時運動，右端X型單元的各鉸接點均向內(nèi)和縱向伸展運動，實現(xiàn)將手部施加拉力轉(zhuǎn)化為內(nèi)向收縮和縱向伸展運動。

2.2 彈性滑軌機構(gòu)

為保證機構(gòu)運行的穩(wěn)定，本項目利用滑軌機構(gòu)與剪叉機構(gòu)相固定，使其同步運動，解決在裝置采摘過程中機構(gòu)平面運動的不穩(wěn)定和因級數(shù)過多而帶來的組合多桿承載能力弱、易彎曲的問題，使結(jié)構(gòu)更緊湊。滑軌復(fù)位機構(gòu)主要由滾珠式抽屜滑軌和復(fù)位彈簧組成，滑軌外軌槽通過與機架固定，使內(nèi)軌道在滾珠作用下與剪叉機構(gòu)縱向同步運動，同時復(fù)位彈簧與內(nèi)軌道固定，當(dāng)菠蘿采摘過程完成后，松開拉環(huán)，在彈簧作用下滑軌和剪叉運動復(fù)位，完成一次采摘過程。

2.3 抓取執(zhí)行機構(gòu)

抓取運動模塊實現(xiàn)抓取和掰斷的同步動作，弧形夾持板通過果莖拉鉤限制菠蘿莖的運動，由推板在向前運動過程中抵住菠蘿使其掰斷，同時弧形夾持板隨之收縮將菠蘿夾持住。菠蘿板通過螺栓與剪叉機構(gòu)的第四鉸接點固定，弧形夾持板與末端鉸接點相連并可開合運動，約束滑槽固定于機架頂部，其上的滑道桿保證對菠蘿的對稱夾持。

采摘時，利用果莖拉鉤卡住菠蘿莖，同時手指彎曲施力，剪叉機構(gòu)的伸展和內(nèi)向運動帶動菠蘿推板向前運動并抵住菠蘿，夾持板隨之收縮，由于果莖鉤限制菠蘿莖的移動，在一定范圍內(nèi)掰斷菠蘿時將菠蘿抓緊，實現(xiàn)一個運動完成抓取和掰斷兩個采摘過程。

3 動力特性分析

3.1 剪叉機構(gòu)的尺寸設(shè)計與分析

在剪叉機構(gòu)的尺寸設(shè)計中，綜合考慮手部可彎曲收縮量、菠蘿直徑、機構(gòu)伸縮量以及在推斷落下時能夠抓住菠蘿這些因素來設(shè)計尺寸。手部伸縮量小于20 mm，按照普遍人手握手時，關(guān)節(jié)間角度變化產(chǎn)生手部的伸縮量，即手部伸縮量。根據(jù)我們調(diào)研實地測量的數(shù)據(jù)，夾持位置與菠蘿根部的距離在130～160 mm，按照一般菠蘿只需推轉(zhuǎn)45°就會折斷，為滿足所有菠蘿能夠在菠蘿被推斷掉落的過程中被夾住夾緊，確定總伸縮量在100～120 mm。考慮在實際采摘過程中，人直立行走不彎腰，人手到菠蘿夾持部位的間距，原長在220～250 mm，得出：（cos+－cos）＜20，100＜（cos+－cos）＜120，220＜cos＜250.

同時鑒于剪叉機構(gòu)轉(zhuǎn)動到角度越大，傳遞的力越大，最終定下的尺寸為原長100 mm，為四級剪叉機構(gòu)，初始角度為38°，轉(zhuǎn)動角度為33°。

3.2 四級剪叉機構(gòu)的力學(xué)計算

由于剪叉機構(gòu)具有對稱性，所以取機構(gòu)的一半進行研究，其受力分析，先分析二級剪叉機構(gòu)的受力特點，再推算出四級剪叉機構(gòu)的力學(xué)傳遞計算。

剪叉臂力分析如圖2所示。圖中點1、3和點4、6分別為剪叉臂a和b的端部鉸接點，為剪叉臂a端部鉸接點1處所承受的拉力。由于鉸接點3和4的受力互為作用力和反作用力，因此有：x3=x4，y3=y4.由剪叉臂在和方向上的受力平衡關(guān)系，得y1=y3.

對鉸接點3進行取矩得：

結(jié)合以上公式可計算得x3=﹣x1－2y1tan，y3=y1.

這是計算了一級剪叉機構(gòu)的力，四級剪叉機構(gòu)就是4個一級的疊加，初步設(shè)定輸入的值為：x1=100，y1=146，=38°，該初始值的設(shè)定根據(jù)是普通成年人手最小握力。

最終在ADAMS中建模進行力學(xué)分析測量可得，在初始狀態(tài)最終的夾力=24.8 N，且不斷增大。但是在菠蘿采摘的過程中所需握力為大約10 N，可知該4級剪叉機構(gòu)在力的傳遞方面滿足夾持菠蘿的需求。

圖2 剪叉臂力分析圖

4 結(jié)語

本作品所設(shè)計菠蘿輔助采摘裝置從人性化和實用化角度出發(fā)，解決現(xiàn)有人工采摘彎腰費力和容易受傷等問題，實現(xiàn)輔助采摘在較低的裝置成本下滿足果農(nóng)采摘菠蘿的要求，簡化煩瑣的采摘動作，由于人手持機構(gòu)果農(nóng)可自行調(diào)整保護菠蘿托芽不受損傷，借助合理的省力結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輔助果農(nóng)進行菠蘿采摘，具有較高的實用性，更具推廣價值。

［1］殷陳君.人體工程學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

［2］范欽珊.工程力學(xué)［M］.第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

［3］廖勁威，朱余清，羅闊，等.菠蘿采摘機械化的發(fā)展探索［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2014（5）：56-59.

［4］石偉琦，孫偉生，習(xí)金根，等.我國菠蘿產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展對策［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，38（3）：181-186.

［5］張日紅，施俊俠，張瑞華.菠蘿自動采摘機的結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（16）：9861-9863.

［6］張西成，張燕.菠蘿采摘機械手的設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2014，36（11）：130-132，136.

［7］辛寶英，施俊俠，廖湘湘，等.菠蘿采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2014（14）：12-14.

2095－6835（2019）05－0150－02

S225.93

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.150

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（編號：201810497036）

〔編輯：嚴麗琴〕