黃才貴，辛華健

（1.南寧學(xué)院，廣西 南寧 530200；2.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530001）

0 引言

熱帶和亞熱帶地區(qū)富產(chǎn)百香果，我國(guó)百香果種植主要分布在南方，如廣東、廣西、云南、福建、臺(tái)灣等地區(qū)，這些地區(qū)氣候偏暖和。百香果成熟后發(fā)出10多種水果香味，果汁酸甜爽口、口感濃郁，氣味芳香，所以可以稱之為飲料之王[1-4]。同時(shí)，百香果富含氨基酸、維生素等營(yíng)養(yǎng)成分[5]。隨著百香果的市場(chǎng)需求不斷加大，在廣西南寧、玉林、百色等地均有大量種植，種植的主要是紫百香果。近幾年，百香果作為南方部分地區(qū)脫貧致富的農(nóng)作物，市場(chǎng)前景好[6-7]。當(dāng)大量采摘百香果時(shí)，人工分級(jí)就變得復(fù)雜，消耗大量的人力物力。因此，如何發(fā)揮廣西省百香果的資源優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，擴(kuò)大百香果的銷(xiāo)售，已成為目前面臨的一個(gè)重大問(wèn)題。

近年來(lái)，盡管我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展較快，但整體水平還比較落后，特別是在水果采摘的機(jī)械化裝備上。目前，百香果采摘主要還是以人工為主，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、人工成本高且安全性低。目前也出現(xiàn)一些水果采摘的機(jī)器人或者裝置，但大多還是處于研究試驗(yàn)階段，還不能百分百做到柔性采摘，在采摘過(guò)程中容易出現(xiàn)擠破果實(shí)的現(xiàn)象，采摘技術(shù)還不夠成熟。關(guān)于百香果采摘的裝置或者機(jī)械手，目前尚未發(fā)現(xiàn)。基于此，筆者設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理且輕便的百香果采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)方案

百香果采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示，包括驅(qū)動(dòng)部分、盤(pán)座部分、拉繩、關(guān)節(jié)一、關(guān)節(jié)二、關(guān)節(jié)三，其結(jié)構(gòu)連接關(guān)系為：拉繩下端固定在驅(qū)動(dòng)部分上，拉繩依次穿過(guò)盤(pán)座部分、關(guān)節(jié)一、關(guān)節(jié)二，拉繩上端固定在關(guān)節(jié)三上，關(guān)節(jié)一底部鉸接于盤(pán)座部分上，關(guān)節(jié)二底部鉸接于關(guān)節(jié)一上端，關(guān)節(jié)三底部鉸接于關(guān)節(jié)二上端。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

1.2 工作原理及優(yōu)點(diǎn)

機(jī)械手中的彈簧A、彈簧B、彈簧C、彈簧D的彈力大小對(duì)比為：彈簧B<彈簧C<彈簧D<彈簧A。彈簧B、彈簧C、彈簧D彈力依次增大，因?yàn)閺椓υ叫∈沟米冃瘟吭酱螅瑒t收縮越快，使得關(guān)節(jié)一、關(guān)節(jié)二、關(guān)節(jié)三依次向內(nèi)收縮包絡(luò)夾持果實(shí)。彈簧A彈力最大，目的是等關(guān)節(jié)一、關(guān)節(jié)二、關(guān)節(jié)三對(duì)果實(shí)夾持完了之后，再克服壓力球的力，當(dāng)達(dá)到或大于壓力球的力時(shí)，則會(huì)在彈簧A大變形之后快速驅(qū)動(dòng)拉繩而帶動(dòng)活動(dòng)盤(pán)以上的部件和果實(shí)快速旋轉(zhuǎn)，將果實(shí)旋轉(zhuǎn)摘下。

工作時(shí)，拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿，通過(guò)拉桿帶動(dòng)彈簧A再帶動(dòng)拉繩，拉繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)一、關(guān)節(jié)二和關(guān)節(jié)三往內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)包絡(luò)夾持果實(shí)，繼續(xù)拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿，則滑塊克服壓力球的作用，在拉繩的驅(qū)動(dòng)下活動(dòng)盤(pán)被快速拉動(dòng)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)三個(gè)關(guān)節(jié)以及被包絡(luò)的果實(shí)快速旋轉(zhuǎn)，將果實(shí)摘下，松開(kāi)驅(qū)動(dòng)桿后，在扭簧的驅(qū)動(dòng)下活動(dòng)盤(pán)回位，關(guān)節(jié)一、關(guān)節(jié)二和關(guān)節(jié)三張開(kāi)，即可拿出果實(shí)。

機(jī)構(gòu)具備的優(yōu)點(diǎn)為：其中的關(guān)節(jié)一、關(guān)節(jié)二、關(guān)節(jié)三處采用三級(jí)的彈簧設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)關(guān)節(jié)的逐步按順序夾持的動(dòng)作，采摘時(shí)可以保證一定的柔性?shī)A持，盡可能避免百香果由于壓力過(guò)大受損。此外，固定座上設(shè)置的壓力球，可以在果實(shí)被機(jī)械手包絡(luò)之后，繼續(xù)拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿使得活動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，從而讓果實(shí)被快速摘下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理適用。

2 各關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 三指柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

三指柔性關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，關(guān)節(jié)一上固定設(shè)置有套環(huán)A，關(guān)節(jié)二上固定設(shè)置有套環(huán)B，關(guān)節(jié)三上固定設(shè)置有套環(huán)C，套環(huán)A、套環(huán)B、套環(huán)C上設(shè)置有孔洞，拉繩依次穿過(guò)套環(huán)A、套環(huán)B、套環(huán)C上的孔洞，拉繩上端與套環(huán)C固定連接。

圖2 三指柔性關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)

2.2 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括驅(qū)動(dòng)桿、拉桿、連接盤(pán)A、彈簧A、連接盤(pán)B，拉桿的材質(zhì)為橡膠，其結(jié)構(gòu)連接關(guān)系為：拉桿下端固定連接驅(qū)動(dòng)桿上端，拉桿上端固定連接連接盤(pán)A，連接盤(pán)A和連接盤(pán)B之間連接設(shè)置有彈簧A，彈簧A下端固定連接連接盤(pán)A，彈簧A上端固定連接連接盤(pán)B，拉繩的下端固定連接在連接盤(pán)B上。關(guān)節(jié)一和活動(dòng)盤(pán)之間設(shè)置有彈簧B，關(guān)節(jié)一和關(guān)節(jié)二之間設(shè)置有彈簧C，關(guān)節(jié)二和關(guān)節(jié)三之間設(shè)置有彈簧D，其結(jié)構(gòu)連接關(guān)系為：彈簧B下端固定連接活動(dòng)盤(pán)，彈簧B上端固定連接關(guān)節(jié)一；彈簧C下端固定連接關(guān)節(jié)一，彈簧C上端固定連接關(guān)節(jié)二；彈簧D下端固定連接關(guān)節(jié)二，彈簧D上端固定連接關(guān)節(jié)三。

圖3 驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)

2.3 盤(pán)座部分設(shè)計(jì)

盤(pán)座部分結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，包括固定盤(pán)、活動(dòng)盤(pán)、固定座，其結(jié)構(gòu)連接關(guān)系為：固定座固定同軸安裝在固定盤(pán)上，活動(dòng)盤(pán)同軸安裝在固定座上。固定盤(pán)外圈處設(shè)置有套管B，套管B穿過(guò)固定盤(pán)，活動(dòng)盤(pán)外圈處設(shè)置有套管A，套管A穿過(guò)活動(dòng)盤(pán)，套管B和套管A上設(shè)置有通孔，拉繩穿過(guò)套管B和套管A上的通孔?；顒?dòng)盤(pán)和固定座之間設(shè)置有扭簧，扭簧上端固定連接活動(dòng)盤(pán)，扭簧下端固定連接固定座。

固定盤(pán)上設(shè)置有滑槽，滑槽內(nèi)設(shè)置有壓力球和彈簧，彈簧一端固定連接滑槽，彈簧另一端固定連接壓力球?；顒?dòng)盤(pán)下部設(shè)置有滑塊，滑塊頂部固定連接在活動(dòng)盤(pán)下部，滑塊底部滑動(dòng)安裝在固定座的滑槽內(nèi)。

如圖5所示，壓力球中設(shè)置有限壓結(jié)構(gòu)，包括凹槽、壓力珠、彈簧E，其結(jié)構(gòu)連接關(guān)系為：彈簧E設(shè)置在凹槽內(nèi)一側(cè)的孔洞里，彈簧E一端固定連接孔洞底部，彈簧E另一端固定連接壓力珠?；顒?dòng)盤(pán)和固定座之間設(shè)置有扭簧，扭簧上端固定連接活動(dòng)盤(pán)，扭簧下端固定連接固定座。

3 結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析與有限元仿真

在工作過(guò)程中，需要驅(qū)動(dòng)拉繩拉動(dòng)套環(huán)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的動(dòng)作，此時(shí)需要考慮套環(huán)的剛度和強(qiáng)度、變形等是否符合要求，變形過(guò)大或者過(guò)小、剛度和強(qiáng)度不夠都會(huì)影響關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作和后續(xù)的夾緊動(dòng)作，因此，需要對(duì)套環(huán)和關(guān)節(jié)的連接進(jìn)行有限元分析。對(duì)其有限元分析的基本思路如下。

1）首先，利用三維數(shù)字設(shè)計(jì)軟件將三維數(shù)字模型建立好，再將模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，繪制出關(guān)節(jié)三維數(shù)字模型如圖6所示。

圖6 關(guān)節(jié)三維數(shù)字模型

2）接著進(jìn)行模型的前置處理，在有限元分析軟件中建立力學(xué)關(guān)系，對(duì)于靜態(tài)的力學(xué)分析采用靜力結(jié)構(gòu)分析，導(dǎo)入到有限元分析軟件的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析模塊，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇的網(wǎng)格劃分方式為自動(dòng)劃分，得到的劃分結(jié)果如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3）然后設(shè)置模型的材料屬性，賦予材料特性，主要包括材料的類(lèi)型、名稱、彈性模量、泊松比、質(zhì)量密度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等等，添加材料屬性；設(shè)置材料屬性：設(shè)置關(guān)節(jié)的材料為ABS材質(zhì)，材料庫(kù)中添加ABS材料，并將材料性能賦予到材料中，各項(xiàng)參數(shù)如表1所示[8]。

表1 ABS材質(zhì)部分屬性

4）對(duì)模型的受力點(diǎn)進(jìn)行約束和載荷的施加，設(shè)置好約束類(lèi)型，添加合適的載荷，如圖8所示，施加的載荷在套環(huán)處。

圖8 約束和載荷的施加

5）最后，進(jìn)行后處理分析，結(jié)算之后查看總變形云圖和等效應(yīng)力云圖，分析云圖的最大值，并對(duì)比分析是否符合設(shè)計(jì)要求，再求解，得到結(jié)果如圖9所示為總變形云圖，如圖10所示為等效應(yīng)力云圖。

圖9 總變形云圖

圖10 等效應(yīng)力云圖

由有限元分析結(jié)果可知，最大變形量為0.022 1 mm，變形量極小，符合要求；最大應(yīng)力點(diǎn)為5.003 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)其手指關(guān)節(jié)外形及內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一定柔性的果實(shí)采摘，保證采摘果實(shí)的完好性以及采摘的有效性和穩(wěn)定性。最后，經(jīng)過(guò)有限元分析，說(shuō)明了設(shè)計(jì)的結(jié)果符合要求，這為之后百香果采摘機(jī)械化提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)和參考。