馬興灶,連海山,弓滿鋒,陳昊龍,廖廣賢,鄧梓軒

嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣東 湛江 524048

菠蘿在我國主要集中種植在廣東雷州半島、海南島東部和西北部，其種植面積和產(chǎn)量是僅次于香蕉和芒果的第三大水果。然而菠蘿采摘高峰期僅有半個(gè)月左右，在農(nóng)村勞動力日益減少、人工成本高、效率低的當(dāng)下，果農(nóng)對菠蘿采收機(jī)械化需求十分迫切。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者針對蘋果[1-4]、草莓[5-7]、葡萄[8,9]、柑橘[10-12]等水果采摘機(jī)械化已有大量的研究，特別是歐美、日本等發(fā)達(dá)國家，由于起步研究較早，其果園機(jī)械化水平較高，技術(shù)相對成熟。但在菠蘿采摘方面，國內(nèi)外相關(guān)研究并不多，學(xué)者們從菠蘿采摘方案[13,14]、采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[15,16]、田間運(yùn)輸[17,18]和果實(shí)識別[19,20]等方面，對菠蘿機(jī)械化采摘進(jìn)行了相關(guān)的研究。夏紅梅等[21]提出一種由1R2P 串聯(lián)機(jī)構(gòu)和球面2 自由度冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成的混聯(lián)構(gòu)型菠蘿采摘方案，給出了這兩種機(jī)構(gòu)的位置正反解，并應(yīng)用ADMAS 軟件進(jìn)行運(yùn)動軌跡規(guī)劃和仿真分析，驗(yàn)證了該方案設(shè)計(jì)的合理性。李斌等[19,20]基于單目視覺和雙目視覺，分別研究了菠蘿果實(shí)識別的方法，通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可有效識別菠蘿果實(shí)，研究結(jié)果為菠蘿采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)的開發(fā)提供參考依據(jù)。王海峰等[14]設(shè)計(jì)了一種菠蘿采摘機(jī)械手，確定抓取、旋轉(zhuǎn)掰斷菠蘿的方案，并開發(fā)了控制系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對菠蘿的采摘，確定手部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度為180°，抓取時(shí)間為21～24 s。張俊昌[22]完成了菠蘿自動采摘機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對菠蘿采摘裝置的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了優(yōu)化分析，初步確定了采摘裝置的旋轉(zhuǎn)速度與拖拉機(jī)前行速度，通過對菠蘿自動采摘機(jī)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真分析，確定出旋轉(zhuǎn)釆摘機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為100 r/min，前行速度范圍為1.25 m/s～1.75 m/s。然而，現(xiàn)有公開的菠蘿采摘裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要存在：1）機(jī)械爪抓取菠蘿受力不均勻，2）剪切或切割定位不準(zhǔn)，從而導(dǎo)致抓取不穩(wěn)、損傷菠蘿果實(shí)等問題，限制了菠蘿采摘機(jī)械的應(yīng)用推廣。

因此，本研究基于菠蘿的物性特征和生長特點(diǎn)，提出一種先抓取后掰斷菠蘿果柄的菠蘿采摘方案，進(jìn)而對機(jī)械手關(guān)鍵部件展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析，并探討各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，最后通過田間采摘試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，研究結(jié)果為全自動菠蘿采摘裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和動力參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 機(jī)械手工作原理

由于菠蘿植株連接菠蘿果實(shí)的果柄很脆，且采摘時(shí)需避免對生長在菠蘿果實(shí)下方的側(cè)芽（果苗）的傷害。為此，本研究效仿果農(nóng)掰斷菠蘿果柄的采摘方式，確定了機(jī)械手抓取菠蘿和掰斷菠蘿果柄的采摘方案，并利用三維設(shè)計(jì)軟件UG 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1 所示，整體結(jié)構(gòu)主要包括：手柄部件、抓取部件、拉桿部件和推桿部件。

圖1 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of manipulator

機(jī)械手可安裝于專用的田間采摘車或隨身裝備上，果農(nóng)移動機(jī)械手到菠蘿附近，根據(jù)菠蘿生長高度，壓縮調(diào)整彈簧適應(yīng)采摘高度，推動機(jī)械手并利用機(jī)械爪前端導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，把菠蘿導(dǎo)入機(jī)械爪中，然后用左手握緊左手柄，拉桿部件動作，L 型桿推動連桿沿導(dǎo)向滑塊向菠蘿中心平動，帶動兩側(cè)機(jī)械爪抓取菠蘿，從而保證菠蘿與機(jī)械爪接觸面受力均勻；接下來用右手握緊右手柄，驅(qū)動推桿部件推動菠蘿，使菠蘿發(fā)生翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)掰斷菠蘿果柄，克服了傳統(tǒng)剪切/切割方式定位不準(zhǔn)，損傷菠蘿果實(shí)的問題；最后移動機(jī)械手至裝載筐，利用復(fù)位彈簧使拉桿部件和推桿部件復(fù)位，把采摘下來的菠蘿放置于裝載筐，完成菠蘿采摘作業(yè)，機(jī)械手工作流程如圖2 所示。

圖2 菠蘿采摘流程圖Fig.2 Flowchart of pineapple picking

2 機(jī)械手關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

菠蘿形狀呈橢圓柱狀，如圖3 所示，其物性參數(shù)參考文獻(xiàn)[22]，菠蘿的縱徑φ為：195 mm～251 mm，橫徑φ為：157 mm～228 mm，與果實(shí)連接處的果柄直徑d和連接力Fq分別為：30 mm～60 mm 和28.96 N～32.81 N，菠蘿質(zhì)量m 為：1.15 kg～1.28 kg。

圖3 菠蘿果實(shí)Fig.3 Pineapple

2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 機(jī)械爪結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of mechanical claw

為克服定位不準(zhǔn)，保證機(jī)械手準(zhǔn)確抓取菠蘿，必須考慮采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸滿足以下兩個(gè)條件：1）機(jī)械爪開度L大于菠蘿橫徑φ；2）當(dāng)抓取最小直徑菠蘿時(shí)，機(jī)械爪間不能出現(xiàn)干涉。機(jī)械爪的張角取θ=60°，開度為L由菠蘿最大橫徑φmax決定，由圖4 可知，機(jī)械爪結(jié)構(gòu)存在如式（1）-式（3）的幾何關(guān)系，菠蘿半徑R=φ/2=loc。

當(dāng)φmax=250 mm 時(shí)，機(jī)械爪單端設(shè)計(jì)長度lAB不小于lBCmax，約為72 mm，為保證抓緊可靠性，lAB取80 mm。而機(jī)械爪的運(yùn)動行程可由計(jì)算機(jī)械手抓緊過程lBD之間的距離變化確定，初始狀態(tài)為lBD=2lBE+L；抓緊狀態(tài)為l′BD=2lOB=2R/sinθ。

取L≈φmax=250 mm，當(dāng)菠蘿橫徑為φmax=250 mm 時(shí)，機(jī)械爪的最小行程為：Δlmin=lBD-l′BD=42 mm；當(dāng)菠蘿橫徑為φmin=150 mm 時(shí)，機(jī)械爪的最大行程為：Δlmax=lBD-l′BD=157 mm，此時(shí)，菠蘿離頂點(diǎn)B的距離最小，即lBF=lOB-R≈12 mm。為設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)平臺，同時(shí)減少連桿運(yùn)動行程，以B 點(diǎn)向內(nèi)平移10 mm，由此確定了機(jī)械手連桿lJK（如圖6 所示）的設(shè)計(jì)長度不小于：lJKmin=Δlmax/2-10=68.5 mm，取整為70 mm。而機(jī)械爪其他尺寸長度為lAM≈60 mm，lMN≈35 mm。

2.2 機(jī)械手抓緊力估算

當(dāng)機(jī)械手抓緊菠蘿時(shí)，機(jī)械爪上各受力點(diǎn)對菠蘿的作用力都為F，水平合力分別為F1，F(xiàn)2，取菠蘿重為G=mg，機(jī)械爪表面貼一層橡膠，菠蘿表面與橡膠之間的摩擦系數(shù)為μ，沿作用點(diǎn)垂直向上的摩擦力為f，菠蘿受力情況如圖5 所示。

圖5 抓取菠蘿受力分析Fig.5 Force analysis of grasping pineapple

由平衡關(guān)系可得：F1=F2=2Fsinθ，f=μF，為保證抓緊菠蘿，需滿足：4f≥G，則可得：

式中：F1，F(xiàn)2為機(jī)械爪水平合力，N；F為機(jī)械爪與菠蘿接觸點(diǎn)的作用力，N；μ為菠蘿表面與橡膠之間的摩擦系數(shù)；f為菠蘿接觸點(diǎn)表面與橡膠之間的摩檫力，N；G為菠蘿重力，N；m為菠蘿重量，kg。

當(dāng)菠蘿的質(zhì)量為m=2 kg 時(shí)，取摩擦系數(shù)μ=0.6，即可得F1≥14.4 N，為保證夾取菠蘿的可靠性，取安全系數(shù)τ=1.5，即將F1放大1.5 倍并取整為22 N。

2.3 拉桿拉力估算

考慮機(jī)械爪兩側(cè)L 型桿是對稱結(jié)構(gòu)，本研究選其中一側(cè)進(jìn)行受力分析，由圖6 所示L 型桿運(yùn)動軌跡及受力情況可知，要使機(jī)械手可靠地抓取菠蘿，必須有足夠的拉力FT，由于L 型桿繞O 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，以O(shè) 點(diǎn)為中心，則須滿足式（5）：FT·lOI≥F1′·lOJ(5)

即：FT≥F1′·lOJ/lOI(6)

式中：FT為拉桿承受的拉力，N；F1′為機(jī)械爪對連桿的反作用力，N；lOI，lOJ分別為FT和F1′在L 型桿上的力臂，mm。

圖6 L型桿運(yùn)動軌跡及受力分析Fig.6 Motion trajectory and force analysis of L type rod

F1、F1′與是作用力與反作用力的關(guān)系，大小相等，方向相反，本研究取拉桿行程（參考成人手掌握緊行程）lII′=50 mm，lOI長度等于連桿長度lJK、導(dǎo)向塊寬度W和機(jī)械爪最大展開距離lBD/2 之和約為240 mm，由于三角形ΔOII′和ΔOJJ′相似，由式（6）可以求得lOJ的長度約為346 mm。由此可得：FT≥31.7 N，約為3.2 kg，遠(yuǎn)小于成人握力，滿足設(shè)計(jì)要求。而L 型桿兩個(gè)腰型槽的長度分別為：L1≥lI′I?=lOI′-lOI≈5.2 mm；L2≥lJ′J?=lOJ′-lOJ≈7 mm，都取為10 mm。

2.4 掰斷果柄推力估算

本研究效仿果農(nóng)掰斷菠蘿果實(shí)與果柄連接的采摘方法，對菠蘿果實(shí)受力模型進(jìn)行簡化分析，菠蘿果實(shí)與果柄相連，用m-m 截面截開，如圖7 所示，其內(nèi)部受力如圖8 所示，菠蘿果實(shí)與果柄的連接力Fq可簡化了均布應(yīng)力q的合力，即：Fq=q·S，S為果實(shí)與果柄連接端的面積，S=πd2/4，其中d為果柄直徑，mm。

圖7 菠蘿果柄受力截面Fig.7 Force cross section of pineapple handle

圖8 菠蘿果柄內(nèi)部受力圖Fig.8 Internal force of pineapple handle

圖9 掰斷菠蘿果柄受力圖Fig.9 9Force diagram of breaking pineapple handle

由于掰斷菠蘿果柄時(shí)，機(jī)械爪可以繞連桿旋轉(zhuǎn)，在此假設(shè)機(jī)械爪抓緊菠蘿僅為保持其豎直，則掰斷時(shí)菠蘿受力如圖9 所示。當(dāng)推桿推動菠蘿翻轉(zhuǎn)時(shí)，假定菠蘿樹干不動，則菠蘿將繞O′點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，此時(shí)對O′點(diǎn)求矩，為保證菠蘿順利從樹干掰斷，則需滿足式（7）：

式中：Fp為推桿推動菠蘿的推力，N；h為推力作用點(diǎn)到菠蘿果柄的距離，mm；Fq為菠蘿果實(shí)與果柄的連接力，N。

取推桿作用于菠蘿的位置與果柄連接處的距離h=100 mm，根據(jù)菠蘿的物特性，取果柄直徑dmax=60 mm，連接力取Fqmax=32 N，菠蘿質(zhì)量取m=2 kg，代入式（9），可得Fp≥15.6 N，為保證采摘可靠性，取安全系數(shù)τ=1.5，則推桿推力Fp的大小為23.4 N，約為2.4 kg，遠(yuǎn)小于成人握力，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證菠蘿采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和工作的可靠性，在廣東省湛江市雷州縣進(jìn)行田間菠蘿采摘試驗(yàn)，如圖10 所示，試驗(yàn)過程如下：將菠蘿采摘機(jī)械手移動到菠蘿樹附近，向前移動機(jī)械手，由導(dǎo)向結(jié)構(gòu)把菠蘿導(dǎo)入機(jī)械爪中心，握緊左手柄，機(jī)械爪抓取菠蘿，握緊右手柄，推桿向前推動菠蘿，從而掰斷菠蘿果柄，完成菠蘿采摘作業(yè)。試驗(yàn)總共進(jìn)行了兩組，每組采摘10 次，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

圖10 采摘現(xiàn)場Fig.10 Picking site

表1 菠蘿采摘試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of pineapple picking

由表1 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本機(jī)械手可以按設(shè)計(jì)要求完成采摘作業(yè)，抓取成功率為100%，采摘成功率在80%以上，平均采摘時(shí)間最短為13.5 s。同時(shí)，由于機(jī)械手前端做了導(dǎo)向弧形設(shè)計(jì)，保證了菠蘿采摘過程中不受機(jī)械手損傷。而造成采摘成功率未達(dá)到100%的原因，可能在于菠蘿樹并不是剛體且有一定的柔性，在掰斷果柄過程中，菠蘿果柄連接處并不像理論分析的理想狀態(tài)，連接處會出現(xiàn)位移和柔性變形，對于個(gè)體小的菠蘿來說，本研究設(shè)計(jì)的推桿行程就偏小了，從而導(dǎo)致不能完全掰斷菠蘿果柄，為保證菠蘿采摘成功率，需增加推桿行程，并適當(dāng)降低推桿作用點(diǎn)高度。

3 討論

本研究僅完成了菠蘿采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驗(yàn)證了采摘方案可行性和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，然而田間采摘成功率仍不夠理想，造成采摘成功率未達(dá)到100%的原因在于菠蘿樹并不是剛體且有一定的柔性，在掰斷果柄過程中，菠蘿果柄連接處并不像理論分析的理想狀態(tài)，連接處會出現(xiàn)位移和柔性變形，對于個(gè)體小的菠蘿來說，本研究設(shè)計(jì)的推桿行程就偏小了，導(dǎo)致不能完全掰斷菠蘿果柄，后續(xù)將對推桿進(jìn)行改進(jìn)，并引入有限元分析方法，對機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高機(jī)械手采摘適應(yīng)范圍。同時(shí)，由于本機(jī)械手是純機(jī)械采摘作業(yè)，克服了田間供電難問題，可與休閑農(nóng)業(yè)結(jié)合，將機(jī)械手直接安裝于專用的采摘車或隨身裝備上，增強(qiáng)采摘人員體驗(yàn)感和采摘趣味性；而未來重點(diǎn)研究方向是結(jié)合工業(yè)控制方法、機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)，研究全自動菠蘿采摘機(jī)械裝備，具有一定的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

（1）效仿果農(nóng)掰斷菠蘿的采摘方式和自行車剎車系統(tǒng)，提出先抓取后掰斷菠蘿果柄的采摘方案；

（2）完成了菠蘿采摘機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對其關(guān)鍵零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械爪抓取菠蘿各接觸點(diǎn)受力均勻；同時(shí)，確定抓取菠蘿和掰斷菠蘿果柄的拉力和推力分別為31.7 N和23.4 N，遠(yuǎn)小于成人手握力，滿足設(shè)計(jì)要求；

（3）菠蘿采摘試驗(yàn)中，抓取成功率為100%，采摘成功率80%以上，平均采摘時(shí)間最短為13.5 s。