李驕承，謝緯安，楊顧坤

一種基于舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化水果采摘頭設(shè)計(jì)＊

李驕承1，謝緯安1，楊顧坤2

（1.南通職業(yè)大學(xué)，江蘇 南通 226007；2.南通大學(xué)，江蘇 南通 226019）

隨著中國農(nóng)業(yè)機(jī)械水平的提升，農(nóng)業(yè)林業(yè)的生產(chǎn)已經(jīng)由傳統(tǒng)的人力勞作轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械化操作。為提高果園的生產(chǎn)效率，從果園的實(shí)際生產(chǎn)角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有的果園采摘設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化水果采摘頭設(shè)計(jì)，并對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了受力分析和有限元校核。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案的力學(xué)性能可通過有限元校核，采摘頭的改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型都是合理的。此外，研究結(jié)果還能為自動(dòng)化水果采摘設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；采摘頭設(shè)計(jì)；力學(xué)分析；有限元分析

1 前言

近年來，中國的農(nóng)業(yè)機(jī)械水平迅速提升，農(nóng)業(yè)林業(yè)的生產(chǎn)已經(jīng)從依賴于人力、畜力轉(zhuǎn)向主要依靠新型農(nóng)業(yè)機(jī)械，并且在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)程中也取得了初步成就。但受農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品需求多樣化，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，難以輕易處理等因素影響，目前，中國的農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展仍然處于發(fā)展階段[1]。近十幾年來，日本及歐美國家先后研發(fā)與制造了采摘葡萄、草莓、蘋果、西紅柿等水果的高級(jí)機(jī)器人[2]。但是由于水果采摘過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，識(shí)別水果時(shí)，樹葉以及太陽照射下來的陰影，給水果成熟度檢測(cè)以及水果果實(shí)判斷的檢測(cè)帶來了一定的挑戰(zhàn)，水果采摘環(huán)境的復(fù)雜性也使機(jī)器人采摘水果很困難[3]。因此，市面上目前還未有功能齊全且完善的水果采摘機(jī)器人。

自20世紀(jì)90年代中期以來，中國一些研究院和高校開始對(duì)采摘收集水果的一體化機(jī)械裝置進(jìn)行研究，但由于起步較晚，工業(yè)化水平較低，研究經(jīng)費(fèi)不如發(fā)達(dá)國家等一系列原因，導(dǎo)致中國的采摘收集水果機(jī)器人方面的研究與發(fā)達(dá)國家還是有不小的差距[4]。但是在相關(guān)領(lǐng)域也取得了不錯(cuò)的成果，例如西北農(nóng)林科技大學(xué)研究了收集采摘蘋果一體化的機(jī)器人手臂的控制系統(tǒng)及其算法；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研究了采摘與收集茄子一體化的機(jī)器人在采摘行進(jìn)間如何規(guī)劃最佳路徑，如何避障，制作分析與控制系統(tǒng)，并完成了相應(yīng)的算法；浙江大學(xué)也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，研究目的是設(shè)計(jì)收集和采摘西紅柿一體化的機(jī)器人的機(jī)械手控制系統(tǒng)；此外，江蘇大學(xué)、吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校對(duì)水果采摘收集一體化裝置進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果[5-6]。

上述的自動(dòng)化采摘機(jī)器人或多或少都存在著制作精密、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，目前仍不能廣泛適用于中國傳統(tǒng)的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)精耕細(xì)作的模式。為此，為了改善果園果農(nóng)的工作環(huán)境，提高果園的生產(chǎn)效率，對(duì)現(xiàn)有的水果采摘設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的優(yōu)先方案。

2 方案選擇與裝置設(shè)計(jì)

2.1 采摘桿長(zhǎng)度選擇

水果采摘桿的總長(zhǎng)度由采摘水果的高度決定，常見的果樹有蘋果樹、梨樹、橙子樹、柑橘樹、桃樹等。以蘋果樹為例，果園常種植的果樹的高度在2～6 m不等，水果采摘桿的長(zhǎng)度模擬計(jì)算如圖1所示。

圖1 水果采摘桿的長(zhǎng)度模擬計(jì)算示意圖

基于已有的數(shù)學(xué)知識(shí)估算出水果采摘設(shè)計(jì)時(shí)所需要的長(zhǎng)度，水果采摘桿由果農(nóng)握持，所以水果采摘桿的起點(diǎn)應(yīng)該從支架的支點(diǎn)開始算起，大約為1～2 m，可以根據(jù)果樹的高低調(diào)整支架的長(zhǎng)短，采摘水果的過程中，水果采摘桿不可能是豎直的，它會(huì)與豎直成一個(gè)角度，估算該角度為30°，果農(nóng)需要采摘的水果一般高度在3～5 m，可以按下式估算采摘桿的長(zhǎng)度：

計(jì)算后可知，水果采摘桿的長(zhǎng)度可以設(shè)計(jì)為1.5～3 m不等。水果采摘桿的材料，可以選擇鋁合金，由于鋁合金的密度小，強(qiáng)度高，這可使水果采摘桿的質(zhì)量相應(yīng)減少，同時(shí)在采摘過程中可以很好地保護(hù)采摘桿，同時(shí)考慮到鋁合金耐腐蝕性好，可以有效避免水果采摘桿存放在陰暗潮濕地方的生銹問題。

2.2 采摘頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高果農(nóng)在水果采摘過程中的效率，本文基于舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了水果采摘頭，如圖2所示。舵機(jī)通過驅(qū)動(dòng)主動(dòng)曲柄，繼而帶動(dòng)被動(dòng)曲柄，而被動(dòng)曲柄與剪刀頭鉸接，該過程完成剪刀頭的剪切。

圖2 采摘頭三維模型示意圖

圖2所示的機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為圖3所示的四桿機(jī)構(gòu)。四桿機(jī)構(gòu)有曲柄搖桿、雙曲柄、雙搖桿三種，根據(jù)設(shè)計(jì)的水果采摘桿的要求，力求設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠。同時(shí)為了避免在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)死點(diǎn)，初步設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)，并且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)過的角度為45°，在此過程中不會(huì)出現(xiàn)曲柄與連桿共線的情況，這樣就消除了運(yùn)動(dòng)的死點(diǎn)，保證水果采摘桿在運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)連貫，不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)停止的情況，提高了機(jī)械的運(yùn)動(dòng)效率。

圖3 四桿機(jī)構(gòu)模型示意圖

初步設(shè)計(jì)主動(dòng)曲柄的長(zhǎng)度為15 mm，連桿的長(zhǎng)度為 60 mm，被動(dòng)曲柄的長(zhǎng)度為15 mm，在圖解法的計(jì)算過程中，滿足預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且不會(huì)在死點(diǎn)位置出現(xiàn)。受力分析如圖4所示。

圖4 四桿機(jī)構(gòu)受力分析示意圖

1=200 N，2=1×cos30°=173.2 N，

2=4=173.2 N，6=4cos30°=150 N

本研究選用達(dá)盛舵機(jī)公司生產(chǎn)的型號(hào)為DS3218mg的舵機(jī)，該舵機(jī)的扭距大，精度高，壽命長(zhǎng)，機(jī)虛位小，從而更精準(zhǔn)地控制四桿機(jī)構(gòu)，使水果采摘桿可以順利采摘，而不必?fù)?dān)心采摘桿在采摘過程中出現(xiàn)故障，同時(shí)該電機(jī)使用金屬外殼，使舵機(jī)更加堅(jiān)固，在采摘過程中不會(huì)因?yàn)橛|碰到堅(jiān)硬的樹枝而損壞舵機(jī)外殼，舵機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 舵機(jī)參數(shù)

型號(hào)DS3218mg齒輪全銅齒 電壓4.8～7.4 V軸承2BB雙滾珠軸承 空載速度（6 V）0.15扭轉(zhuǎn)角度0°～180° 空載速度（7.4 V）0.13主齒25齒 尺寸40 mm×20 mm×37 mm線長(zhǎng)30 cm 質(zhì)量67.5 g堵轉(zhuǎn)力矩（6 V）18.5 馬達(dá)空心杯馬達(dá)堵轉(zhuǎn)力矩（7.4 V）22.8

舵機(jī)的固定方法方面，本設(shè)計(jì)使用了一個(gè)舵機(jī)固定件來進(jìn)行固定安裝。該固定件套在水果采摘桿前桿的頭部，靠近剪刀的部分，與水果采摘桿前桿采用過盈配合，將固定件與采摘桿前桿牢牢固定，避免在運(yùn)作過程中脫落。舵機(jī)的兩端都會(huì)有4個(gè)圓孔空余，用于固定舵機(jī)，設(shè)計(jì)的舵機(jī)固定件根據(jù)舵機(jī)4個(gè)固定圓孔的相對(duì)位置也空余了一定空間，用于與舵機(jī)相連，各零部件的配合可以采用過盈配合，安裝時(shí)使用4個(gè)M4的螺母和螺釘來固定。整個(gè)舵機(jī)固定件的長(zhǎng)度為 55 mm，略長(zhǎng)于舵機(jī)的40 mm，舵機(jī)固定件的內(nèi)徑由水果采摘桿的前桿的外徑?jīng)Q定，水果采摘桿前桿的外徑為25 mm，即確定了舵機(jī)固定件的內(nèi)徑為25 mm。根據(jù)常用固定件的厚度，設(shè)計(jì)該舵機(jī)固定件的外徑為30 mm。2個(gè)剪刀片采用螺栓固定，具體為M6的螺母、M6的螺絲，長(zhǎng)度為5 mm，不需擰太緊，以防因?yàn)檫^緊而無法正常運(yùn)動(dòng)。

3 有限元校核

水果采摘桿頭部的剪刀的刀頭部分受力均勻，不易因受力過大而產(chǎn)生塑性變形。在剪刀連接的部分，受到與兩圓孔連線相垂直的力，為100 N。在軟件中先導(dǎo)入SolidWorks零件，設(shè)置剪刀片的材料性能，剪刀片材料為304不銹鋼，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，接著對(duì)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇sizing中的medium選項(xiàng)。對(duì)零件添加約束條件，剪刀片與固定的刀片相連的那個(gè)孔是固定的。對(duì)零件添加載荷力，刀片與連桿相連的孔受到連桿對(duì)刀片的載荷力，方向?yàn)榕c兩個(gè)孔連線的垂直方向，之后進(jìn)行求解，得到如圖5所示的應(yīng)力結(jié)果分析，其中最大應(yīng)力為135.28 MPa，根據(jù)實(shí)際需要安全系數(shù)為1.5，最大應(yīng)力為202.92 MPa，查表可知小于許用應(yīng)力465 MPa，符合要求。

圖5 刀片受力分析示意圖

4 結(jié)論

本文提出了一種基于舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化采摘頭設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：設(shè)計(jì)的主動(dòng)曲柄的長(zhǎng)度為15 mm，連桿的長(zhǎng)度為60 mm，被動(dòng)曲柄的長(zhǎng)度為15 mm，可以有效避免機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)死點(diǎn)位置。經(jīng)有限元校核，刀片在運(yùn)動(dòng)過程中受到的最大應(yīng)力為202.92 MPa，表明刀片選型合理。

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2095－6835（2020）06－0024－03

S225.93

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.008

李驕承（1998—），男，河南洛陽人，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新。

謝緯安（1987—），男，江蘇南通人，博士，講師，主要研究方向?yàn)閷?duì)流傳熱、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201911052030Y）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕