秦雪靜 羅 強(qiáng) 王海寶 張益維 鄭 巖

(重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 萬州 404100)

0 引言

柑橘是我國種植面積較大的一種水果，重慶萬州2018年全區(qū)柑橘種植面積已達(dá)2.4萬hm2。目前，重慶市柑橘的采摘作業(yè)基本上采用手工采摘方式，采摘約占整個(gè)生產(chǎn)過程一半的作業(yè)量，費(fèi)用占成本的比例較高。近年來，社會(huì)老齡化問題日趨嚴(yán)重，工業(yè)的快速發(fā)展使農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力逐步向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)行業(yè)的從業(yè)人員逐漸減少。柑橘采摘末端執(zhí)行器的研究，能有效提高采摘效率，減少使用農(nóng)業(yè)方面的勞動(dòng)力。在研究過程中，通過使用SolidWorks和Adams仿真軟件可以大大降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

1 柑橘采摘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.1 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建立

柑橘采摘末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)包括剪切機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)2個(gè)部分，吸附機(jī)構(gòu)通過氣缸伸縮使吸盤上下移動(dòng)，通過海綿吸盤來吸附果實(shí)。柑橘采摘末端執(zhí)行器中，剪切機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。剪切機(jī)構(gòu)通過平行四邊形結(jié)構(gòu)的原理，通過使用鉸鏈結(jié)構(gòu)將平行四邊形的四個(gè)邊連接起來，通過推拉其中一個(gè)邊使剪切機(jī)構(gòu)剪切果梗，原理見圖1。

1.拉桿；2.連接桿；3.平行四邊形連桿一；4.平行四邊形連桿二；5.刀片；6.刀槽

剪切機(jī)構(gòu)通過驅(qū)動(dòng)拉桿，使拉桿向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連接桿轉(zhuǎn)動(dòng)，連接桿帶動(dòng)平行四邊形連桿二繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刀片和刀槽平行向中心運(yùn)動(dòng)，將果梗切斷。通過此原理，設(shè)計(jì)柑橘采摘末端執(zhí)行器的剪切結(jié)構(gòu)，再通過調(diào)研重慶柑橘果實(shí)的大小設(shè)計(jì)整體的結(jié)構(gòu)，使用吸盤作為吸附果實(shí)的結(jié)構(gòu)，通過使用直線氣缸來使吸盤上下移動(dòng)和使用直線氣缸作為剪切機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源。在SolidWorks完成了對(duì)柑橘采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

1.氣缸一；2.缸活塞一；3.連接架；4.推拉旋轉(zhuǎn)連接桿；5.旋轉(zhuǎn)連接桿一；6.旋轉(zhuǎn)連接桿二；7.刀槽；8.攬枝桿一；9.攬枝桿二；10.刀片；11.刀具固定架；12.海綿吸盤；13.吸盤支架；14.氣缸吸盤連接件；15.氣缸活塞二；16.氣缸二；17.固定盤

柑橘采摘末端執(zhí)行器的工作流程：首先通過氣缸二帶動(dòng)吸盤向上直線運(yùn)動(dòng)一定的距離，吸盤通過負(fù)壓吸附果實(shí)，再通過氣缸二向下運(yùn)動(dòng)一定的距離，啟動(dòng)氣缸一向下運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)剪切果梗，果梗剪切之后，氣缸一再推動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)打開，等待下一次吸盤吸附果實(shí)。

2 柑橘采摘末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

將已經(jīng)設(shè)計(jì)出來的模型導(dǎo)入Adams運(yùn)動(dòng)仿真軟件中，通過Adams軟件來分析此模型刀片運(yùn)動(dòng)的軌跡、刀片的速度和加速度的運(yùn)動(dòng)曲線。

首先，設(shè)置好重力加速度，將模型材料設(shè)置為steel，在Adams能看到材料的密度、楊氏模量和泊松比。將導(dǎo)入的模型根據(jù)柑橘采摘末端執(zhí)行器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，給定約束條件，連接架和推拉旋轉(zhuǎn)連接桿之間為鉸鏈約束，在連接方式中選擇旋轉(zhuǎn)副，對(duì)于其它同樣使用鉸鏈連接的部分，連接方式選擇創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副。對(duì)氣缸活塞部分由于它是在做直線運(yùn)動(dòng)，所以創(chuàng)建一個(gè)移動(dòng)副。然后在設(shè)置好的旋轉(zhuǎn)副中添加摩擦力，氣缸活塞部分創(chuàng)建一個(gè)單向作用力，作用力大小根據(jù)選型選擇的雙桿氣缸在空氣壓力為0.5MPa時(shí)產(chǎn)生的空氣壓力將力設(shè)置為150N。

如圖3所示，紅色部分為刀具固定架一，刀片固定在刀具固定架一內(nèi)，綠色部分為刀片，橘色部分為刀片固定架二，刀片固定架二與刀槽為一個(gè)整體。由于刀具固定架一和刀片為固定連接，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度一致，就以刀具固定架一來分析刀片的運(yùn)動(dòng)曲線。刀具固定架一和刀具固定架二在相對(duì)運(yùn)動(dòng)前相對(duì)的表面相距為142mm。

圖3 剪切機(jī)構(gòu)部分圖片

仿真后，得到仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 刀具固定架一和刀具固定架二在X和Y方向的位移

圖5 刀具固定架一和刀具固定架二的速度曲線

由于兩側(cè)對(duì)稱，從圖4中得知，刀具固定架一和刀具固定架二在Y軸方向上位移較小，控制在10mm以內(nèi)，在X軸方向刀具固定架一和刀具固定架二在同一平行線上，逐漸靠近并相切。

在圖5中，給定氣缸的拉力為150N，刀片的速度在剪切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中在逐漸增大，是一條平滑的曲線。從圖5中還能得知，加速度隨著剪切機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而逐漸變大。

通過Adams仿真，我們簡單地認(rèn)識(shí)了這個(gè)機(jī)構(gòu)刀具固定架一和刀具固定架二的運(yùn)動(dòng)軌跡，刀具固定架一和刀具固定架二的速度曲線，給后續(xù)實(shí)物驗(yàn)證、實(shí)地調(diào)研提供了一系列的數(shù)據(jù)。在后續(xù)改進(jìn)中，需要調(diào)整刀具固定架一和刀具固定架二在相對(duì)運(yùn)動(dòng)前相對(duì)的表面距離，根據(jù)果實(shí)的橫徑和縱徑來調(diào)整剪切機(jī)構(gòu)的開口大小，根據(jù)果梗被切割時(shí)需要的力來調(diào)整氣缸輸出力的大小，節(jié)約成本。

3 結(jié)語

通過SolidWorks軟件和Adams軟件去設(shè)計(jì)柑橘采摘末端執(zhí)行器，剪切機(jī)構(gòu)通過平行四邊形的原理來設(shè)計(jì)，吸附機(jī)構(gòu)通過負(fù)壓來吸附果實(shí)，使用氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并對(duì)柑橘采摘末端執(zhí)行器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，從仿真中得到運(yùn)動(dòng)的位移和速度曲線，節(jié)省了大量的時(shí)間，降低了成本。