張梓謙 程清偉 卓有成 宋宇航

華南理工大學(xué)廣州學(xué)院

一、研究背景及意義

目前，國內(nèi)椰子產(chǎn)量主要看海南，海南就文昌市而言，已經(jīng)擁有海南省最大的椰子種植面積，然而盡管政府大力宣傳，但進(jìn)行采摘的方式非常有限，年產(chǎn)12億的海南，基本都是使用人工采摘，危險，不安全，工人勞動強(qiáng)度偏高。

學(xué)術(shù)研究方面，海南大學(xué)研發(fā)出了液壓機(jī)械臂采摘機(jī)，通過液壓伸縮機(jī)械臂控制切割刀的方式來采摘椰果；印度Akshay Prasad Dubey設(shè)計了一款椰子樹攀爬收獲機(jī)器人，該機(jī)器人由上下兩個環(huán)形結(jié)構(gòu)組成，交替抱樹實現(xiàn)機(jī)器人的上下攀升；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院研制了一種爬樹修剪機(jī)器人，如圖1所示。

但是在以上的機(jī)器當(dāng)中，都存在著一些如機(jī)器過于龐大或者未能解決夾緊樹干的問題，因此，結(jié)合人們對此的需求，本論文設(shè)計一款椰果采摘車來避免人力勞動強(qiáng)度大具有重大意義。

圖1 一種爬樹修剪機(jī)器人

二、椰果采摘車結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置主要由兩部分組成，一是機(jī)械部分，二是電子控制部分。該裝置四個三相無刷直流電機(jī)與車輪一體的輪轂電機(jī)作為驅(qū)動裝置，四個電機(jī)輪保證了足夠的爬升動力利用四個機(jī)械手進(jìn)行椰果采摘。

椰果采摘車的工作原理：內(nèi)環(huán)臂、外環(huán)臂、伸縮機(jī)構(gòu)，內(nèi)環(huán)臂呈筒狀且用于套設(shè)在樹干的外周，外環(huán)臂包括兩個以上的圓弧狀的外環(huán)板，外環(huán)板沿內(nèi)環(huán)臂的中心軸周向環(huán)繞設(shè)置，各個外環(huán)板分別通過伸縮機(jī)構(gòu)連接于內(nèi)環(huán)臂的外部，且伸縮機(jī)構(gòu)能夠伸縮使外環(huán)板沿內(nèi)環(huán)臂徑向移動可伸縮外板的設(shè)計使得本裝置適用于爬行各種直徑大小不同的椰子樹，在爬行過程中根據(jù)壓力傳感器檢測的壓力值可以隨時調(diào)整外板伸縮量，以保證輪胎對樹干的正壓力達(dá)到所需值。利用四組氣壓桿卡住樹干的方式來達(dá)到在任意高度停留采摘的目的。彈簧氣缸的應(yīng)用，一方面可以調(diào)節(jié)外板伸縮量，另一方面可以起到一定的避震作用，減小爬行過程中的產(chǎn)生的震動。椰果采摘車結(jié)構(gòu)簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定地攀爬采摘椰果。

椰果采摘車整體結(jié)構(gòu)主要由爬行系統(tǒng)和椰果采摘系統(tǒng)組成，椰果采摘車裝置圖如圖2所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

三、對卡槽式可拆卸內(nèi)板的要求及其對采摘裝置的要求

內(nèi)板采用兩個半圓弧形板組成，兩者通過卡槽方式配合，既方便拆卸、組合，又可以承受彈簧氣缸提供的較大的徑向拉力。圓弧型內(nèi)板的直徑大于椰子樹的最大直徑，適合攀爬直徑大小不一的椰子樹，可拆卸內(nèi)板部分有限元分析如圖三所示。圓弧型的設(shè)計使得裝置整體更加美觀，結(jié)構(gòu)更加緊湊。通過對裝置受力較大得零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分及靜應(yīng)力仿真分析，經(jīng)驗證，本裝置滿足預(yù)期設(shè)計要求。

采摘裝置主要由機(jī)械手，機(jī)械爪和機(jī)械臂組成。機(jī)械爪采用氣缸驅(qū)動，能夠根據(jù)單片機(jī)的控制自由調(diào)節(jié)機(jī)械爪地張開角度，實現(xiàn)了采摘各種大小地椰果的功能。氣動機(jī)械式傳動的機(jī)械爪降低了控制難度，簡化了采摘方式。機(jī)械臂設(shè)計共有四個自由度，整個裝置共有四個機(jī)械臂，均勻分布在四周，能夠無死角地對椰果進(jìn)行采摘。

圖3 有限元網(wǎng)格劃分

四、椰果采摘電控控制

電子控制部分原理：首先控制部分必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到電機(jī)轉(zhuǎn)子目前的位置，然后按照定子繞線決定開啟或關(guān)閉換流器中功率晶體管的順序，如inverter中的ah、bh、ch以及al、bl、cl，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時針/逆時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hallsensor感應(yīng)出另一組信號的位置是，控制部又在開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管或只開下臂功率晶體管：要電子轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)則功率晶體管開啟順序相反。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令command與hall-sensor信號變化的速度加以對比在來決定下一組開關(guān)導(dǎo)通以及導(dǎo)通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，次部分工作就有pwm來完成。

五、創(chuàng)新應(yīng)用

椰子樹采摘首先需要的是攀爬到一定高度進(jìn)行對應(yīng)的采摘工作，故椰果采摘車作為一個智能化機(jī)器，使用期間能夠讓機(jī)器以一定的速度與負(fù)載，通過遙控控制機(jī)器上升到椰果采摘范圍，并在爬樹期間能夠?qū)涓纱笮∵M(jìn)行監(jiān)控來讓椰果采摘車進(jìn)行對應(yīng)調(diào)節(jié)，適應(yīng)樹干大小。

因此，該機(jī)器能解決目前椰果采摘中存在的效率低下，成本較高及危險系數(shù)比較大等的問題。近年來科技發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)林業(yè)正朝著機(jī)械化，自動化方向快速發(fā)展，但是椰果采摘相關(guān)人士一直擔(dān)憂如何解決椰果采摘的問題，那么椰果采摘車將發(fā)揮它該有的作用。