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摘 要：為提高蘋(píng)果采摘作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度與采摘過(guò)程中蘋(píng)果的損壞率，根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，研制末端執(zhí)行器為半圓形結(jié)構(gòu)的新型采摘機(jī)械手。該采摘機(jī)械手具有四自由度，在作業(yè)中可以完成整機(jī)360°旋轉(zhuǎn)、機(jī)械臂仰俯、末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)和閉合抓取動(dòng)作。連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新性優(yōu)化使得機(jī)構(gòu)更為簡(jiǎn)單輕便，并可在其他領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：連桿機(jī)構(gòu) 采摘機(jī)械手 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：S372 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（a）-0114-02

果實(shí)采摘是勞動(dòng)密集型作業(yè)，果樹(shù)種植園中果實(shí)采摘作業(yè)過(guò)程會(huì)消耗大量體力并且耗費(fèi)大量時(shí)間，工作強(qiáng)度極大并且季節(jié)性強(qiáng)[1]。目前人工收獲過(guò)程中主要是人工進(jìn)行彎腰采摘或者借助梯子登高進(jìn)行采摘，這樣的方式不僅受天氣的制約并且還具有一定危險(xiǎn)性[2]。因此，研制一款基于連桿機(jī)構(gòu)的采摘機(jī)械手，降低在采摘時(shí)對(duì)果實(shí)的傷害，降低人工采摘和水果采摘器采摘的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的特性，提高采摘效率，保證果實(shí)新鮮程度，進(jìn)而使果園增多收益，具有很好的農(nóng)業(yè)發(fā)展前景。

1 采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)

如圖1所示，應(yīng)用Solidworks軟件構(gòu)建基于連桿機(jī)構(gòu)采摘機(jī)械手的三維模型，進(jìn)行電機(jī)選型以及分析機(jī)械臂部分的運(yùn)動(dòng)軌跡，利用裝配系統(tǒng)對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行裝配從而裝配成機(jī)械手，進(jìn)一步完成機(jī)械手的參數(shù)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析。

1.1 機(jī)械手半圓形末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

如圖2所示該半圓形機(jī)械手主要由半圓開(kāi)合機(jī)構(gòu)1、連桿6、和齒輪傳動(dòng)器2等幾大部分組成，在設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，電機(jī)齒輪與頂部傳動(dòng)齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳輸，頂部齒輪的兩個(gè)方向分別鉸接半圓形機(jī)械手，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)齒輪嚙合傳動(dòng)帶動(dòng)兩個(gè)半圓形機(jī)械手爪部的閉合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)切割果柄采摘果實(shí)的功能。末端執(zhí)行器通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸與機(jī)械手臂部分結(jié)合，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器工作的角度，根據(jù)果實(shí)果柄生長(zhǎng)方向的不同可選取不同的角度進(jìn)行采摘。采摘過(guò)程中通過(guò)半圓形末端執(zhí)行器開(kāi)合動(dòng)作，將目標(biāo)果實(shí)覆蓋的同時(shí)切斷果柄，完成采摘作業(yè)。

末端執(zhí)行器兩側(cè)是半圓結(jié)構(gòu)，兩個(gè)半圓形結(jié)構(gòu)可以保證其合攏后的半球狀包圍空間稍大于果實(shí)尺寸，從而機(jī)械手弧形刀片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)果柄的切割打斷，同時(shí)保證果實(shí)劃入設(shè)定的滑道緩沖裝置中。

1.2 刀片與刀槽嚙合切割果柄的實(shí)現(xiàn)

如圖3和圖4所示弧形刀片焊接于左側(cè)半圓形機(jī)械手圓弧內(nèi)側(cè)，并在半圓形機(jī)械手右側(cè)圓弧內(nèi)側(cè)設(shè)置刀槽，刀片切割果柄后進(jìn)入刀槽，設(shè)置刀槽的目的在于為刀片切割提供充足切割空間以便于能夠完全將果柄切斷，半圓形機(jī)械手圓形內(nèi)側(cè)貼有海綿層，作為保護(hù)層來(lái)避免果實(shí)與半圓形爪部的直接接觸。

半圓形機(jī)械手的閉合將目標(biāo)果實(shí)包圍其中，末端執(zhí)行器下一步的任務(wù)就是要將果柄割斷。通常果柄相對(duì)于末端執(zhí)行器的方位有較大的隨機(jī)性，半圓形弧形刀片與刀槽的嚙合可將刀片與刀槽之間任意相位置的果柄切斷。果實(shí)被包圍在了合攏半圓形機(jī)械手的內(nèi)部，果實(shí)順著滑道下滑至緩沖機(jī)構(gòu)。

1.3 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)

如圖3所示連桿機(jī)構(gòu)機(jī)械手臂，考慮到果樹(shù)枝葉較為繁多，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、觸及范圍大、并且靈活輕便。通過(guò)伺服電機(jī)1的工作來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手底座的旋轉(zhuǎn)功能，可以實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。通過(guò)伺服電機(jī)7的工作來(lái)控制連桿的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手在前后空間的姿態(tài)調(diào)節(jié)。伺服電機(jī)5連接末端執(zhí)行器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸，通過(guò)電機(jī)的工作實(shí)現(xiàn)對(duì)末端執(zhí)行器采摘姿態(tài)的角度調(diào)節(jié)。

機(jī)械手臂作為實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人靈活度的重要構(gòu)件，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)與功能對(duì)整個(gè)采摘機(jī)器人的性能起著至關(guān)重要的作用[3]。我們重點(diǎn)鉆研了機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)手部的位姿和機(jī)械手的參考點(diǎn)在不同位置所能夠到達(dá)的點(diǎn)的范圍，在設(shè)計(jì)中通過(guò)考慮機(jī)械臂各桿件的尺寸、運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型和桿間的相互關(guān)系來(lái)確定末端執(zhí)行器所能實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作。通過(guò)Solidworks軟件進(jìn)行仿真模擬，獲取在采摘作業(yè)時(shí)采摘機(jī)械手能夠到達(dá)的作業(yè)范圍。

2 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械手的多個(gè)部位采用創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，將采摘機(jī)械手爪部設(shè)計(jì)為半圓形，可以在采摘過(guò)程中將果柄剪斷并且有效保護(hù)果實(shí)。根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得整個(gè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧，相關(guān)優(yōu)化結(jié)構(gòu)可在其他果蔬采摘工作中進(jìn)行改進(jìn)與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳川雄，張學(xué)明，汪小志.蘋(píng)果采摘六自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016（7）：65-69.

[2] 丁詳青，馬莉.采摘機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)床與液壓，2017（23）：40-42.

[3] 周巍，趙言正.七自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作空間分析[J].機(jī)電一體化，2012（2）：13-16.