崔嘉龍，金旭星，鄔 凱，任宏洋，高 童

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，江蘇 無錫 214121)

0 引言

長在較高枝頭處的果實(shí)往往個大味美，營養(yǎng)豐富。而基于多種因素，對此處的果實(shí)進(jìn)行人工采摘卻是個難點(diǎn)。對于相關(guān)采摘設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用上，除了一些功能簡單的輔助機(jī)械手外，目前尚無真正具有系統(tǒng)意義的高空采摘機(jī)械手。本項(xiàng)目的成果為一種基于Wi-Fi視頻回傳的模塊化采摘機(jī)械手，課題來自全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，大賽的主題為“關(guān)注民生，美好家園”。設(shè)計(jì)的是一種輔助人工進(jìn)行蘋果、梨、柑橘、柿子等果實(shí)采摘的設(shè)備，其輕巧方便，便于攜帶，具有優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性。

1 整體方案

本設(shè)計(jì)的整體方案如圖1所示，主要包含：絲杠螺母副雙向差動伸縮桿、直流驅(qū)動電機(jī)、顯示屏、無線回傳攝像頭、對稱嚙合夾固臂、斜三角鋸齒形剪切刀片、直齒刃剪切刀片轉(zhuǎn)向舵機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)、連接塊等構(gòu)件。其中，直流電機(jī)與雙向差動伸縮桿的輕質(zhì)正反牙梯形絲杠間以三組減速齒輪聯(lián)接，顯示屏通過可調(diào)式支架固定于伸縮桿外殼上，伸縮桿起始位置均設(shè)有行程開關(guān)，所述的兩片剪切刀片呈V型聯(lián)接，轉(zhuǎn)向舵機(jī)嵌于連接塊中，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的輸出齒輪與對稱嚙合夾固臂的不完全齒輪固聯(lián)，對稱嚙合夾固臂為上下兩組，通過銅柱聯(lián)接。

1—絲杠螺母副雙向差動伸縮桿；2—直流驅(qū)動電機(jī)；3—顯示屏；4—無線回傳攝像頭；5—對稱嚙合夾固臂；6—斜三角鋸齒形剪切刀片；7—直齒刃剪切刀片轉(zhuǎn)向舵機(jī)；8、9—轉(zhuǎn)向舵機(jī)；10—連接塊。

功能的實(shí)現(xiàn)原理：利用STC51單片機(jī)編程進(jìn)行電路部分控制，通過無線攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)端視頻實(shí)時回傳，兩路舵機(jī)控制刀頭部分進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)定位；主電機(jī)經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)減速后，帶動絲杠螺母副實(shí)現(xiàn)桿的雙向伸縮，實(shí)現(xiàn)采摘高度的調(diào)節(jié)功能；利用舵機(jī)帶動齒輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剪切刀片的開合；通過網(wǎng)兜及軟管實(shí)現(xiàn)果實(shí)減震回收。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論計(jì)算

2.1 剪切機(jī)構(gòu)

為增大剪切力，末端剪切部分采用的鉸鏈五連桿為雙曲柄機(jī)構(gòu)，2個曲柄末端通過不完全齒輪機(jī)構(gòu)嚙合，方案如圖2所示。斜三角鋸齒形刀片除具有剪切作用外，還有收攏果實(shí)柄的作用，有效防止果實(shí)滑出刃口。

圖2 剪切機(jī)構(gòu)

剪切刀片長度選定為l1=150 mm，與不完全齒輪固聯(lián)的齒輪臂長l2=160 mm，兩嚙合齒輪中心距為a=21 mm，兩刀片開合角度為0～180°，為防止鉸鏈五連桿自鎖，須對舵機(jī)轉(zhuǎn)角α進(jìn)行限制，可通過編程來實(shí)現(xiàn)。

通過平面幾何知識得：

剪切果柄動作由一個MG995金屬銅齒輪舵機(jī)提供動力，它能提供1.3 N·m的工作扭矩，反應(yīng)轉(zhuǎn)速52～63 r/min，非常符合本作品的使用需求。

果柄受到的剪切力為：

相關(guān)調(diào)查[4]統(tǒng)計(jì)分析了果實(shí)樣本采摘過程的受力。峰值壓力和預(yù)設(shè)壓力通過壓力傳感器標(biāo)定公式求取。表1中壓力差即為分離果柄過程中對果實(shí)產(chǎn)生的附加壓力，對應(yīng)果柄折斷瞬間壓力變化，其最大值為3.7 N，最小值為0.7 N，平均值為1.9 N。壓力大小不同可能與果實(shí)成熟度有關(guān)，果實(shí)在成熟期果蒂離層易被折斷，相對應(yīng)壓力小。

表1 果實(shí)樣本受力統(tǒng)計(jì)分析 單位：N

若果柄到轉(zhuǎn)軸中心的距離r取值范圍0.01～0.16 m，果柄至少受到的剪切力為8.125 N，完全符合使用要求。

經(jīng)過以上理論計(jì)算及分析，該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵承載部件均無問題，實(shí)際模型樣機(jī)試驗(yàn)與理論計(jì)算和分析相符。

如圖3所示，雙向伸縮桿采用的是2根旋向相反的梯形絲桿，末端螺母與其配合的套筒在周向定位后，可實(shí)現(xiàn)雙向伸縮。采用這種伸縮桿，在相同條件下，伸長縮短相同距離所需時間可節(jié)約50%，大大提高了機(jī)器的定位效率。

圖3 伸縮機(jī)構(gòu)

相關(guān)調(diào)查[3]研究發(fā)現(xiàn)：矮化蘋果果園的果樹行距一般為3.0～4.0 m，果樹高為2.5～3.0 m，約90%以上的果實(shí)高度低于2.8 m，冠幅為2.0～2.5 m，枝下高為0.8～1.0 m，結(jié)合采摘對象矮化蘋果樹的生長狀況確定采摘機(jī)械手目標(biāo)水平工作空間為0～2.5 m，垂直工作空間為0.8～2.9 m，果實(shí)分布深度范圍為0～400 mm[4]。

在實(shí)際使用中為方便采摘人員攜帶使用，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，以下尺寸更符合人體舒適度要求。作品設(shè)計(jì)外形尺寸為：1 200 mm(伸長后為2 000 mm)×200 mm×35 mm。

對于伸縮桿，還應(yīng)考慮到剛度問題。建立有限元模型，劃分網(wǎng)格，施加相應(yīng)受力，應(yīng)力云圖如圖4所示，可知桿完全伸出時，最大變形量為1.499 mm，小于本身屈服強(qiáng)度，對于定位也無較大影響。

圖4 伸縮桿的剛度分析

2.2 遠(yuǎn)程控制

通過手機(jī)app連接末端控制裝置，控制電機(jī)的運(yùn)動角度及伸縮桿的長度來調(diào)節(jié)剪口位置，當(dāng)剪切裝置到適當(dāng)位置后，果實(shí)進(jìn)入剪切口，觸發(fā)剪口進(jìn)行剪切，果子經(jīng)網(wǎng)兜落入緩沖軟管中。前端監(jiān)測裝置實(shí)時傳輸視頻信息給采摘者，協(xié)助采摘者檢查樹上未成熟果子是否有傷疤，剔除不合格的果子。當(dāng)電動伸縮桿沒電后，只需要更換手動伸縮桿，就可繼續(xù)進(jìn)行果實(shí)采摘工作。電路圖如圖5所示。

圖5 控制電路

2.3 電機(jī)的選型

為減輕整體的重量，采用的梯形絲桿為M6×1 000 mm。為傳遞足夠的扭矩，需要對電機(jī)進(jìn)行選型，為延長續(xù)航時間，選擇使用可拆卸12 V大容量鋰電池，所以相應(yīng)的要選用12 V雙滾珠軸承775直流電機(jī)(空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速11 000 r/min)提供動力。電動機(jī)驅(qū)動器型號選A4988電機(jī)驅(qū)動器，電動機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為400，完成伸縮桿伸縮動作。直線步進(jìn)電動機(jī)設(shè)定速率5.1～30.5 mm/s，可實(shí)現(xiàn)推力在75 N以上。配備減速比為1:30的齒輪組，電動機(jī)的最大扭矩可達(dá)6 N·m。

為了使伸縮桿電機(jī)及轉(zhuǎn)向舵機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，防止抖動過大，采用的是基于PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)

1)通過前端智能識別器來識別果子是否成熟，是否有傷疤，剔除不合格的果子。

2)通過控制伸縮桿和舵機(jī)使鋼圈調(diào)整到相應(yīng)的位置，從而可以摘取各個角度的果子。

3)斜三角鋸齒形剪切刀片前端為圓弧形，方便快捷地剪切果子，避免損傷。

4)斜三角鋸齒形剪切刀片具有收攏作用，防止剪切時果實(shí)滑出。

5)對稱夾固裝置和對稱剪切刀片防止水果偏出。

6)緩沖軟管用于減小果子掉落時的速度，避免果子的損傷。

7)緩沖軟管可有效防止樹枝干擾、掛擋。

8)模塊化末端裝置，方便電動與手動伸縮桿切換。

9)模塊化可拆卸刀片，可安裝塑料夾具，方便剪切葡萄等水果。

10)果實(shí)夾固裝置內(nèi)側(cè)鋪設(shè)EVA泡棉板材質(zhì)柔性內(nèi)襯，減輕水果表皮損傷。

11)便攜背帶讓使用更加省力，提高工作人員工作時長。

12)采用基于PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)，使伸縮桿電機(jī)及轉(zhuǎn)向舵機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，防抖動過大。

3.2 應(yīng)用效果

為驗(yàn)證該采果器的使用效果，分別在蘋果園及橘園內(nèi)與工作人員同時采摘，將本設(shè)計(jì)與徒手采摘的效果進(jìn)行了比較。

在橘園中，選擇了2棵高矮和果實(shí)密度都比較接近的樹，實(shí)驗(yàn)組由一人單獨(dú)操作；對照組一人利用剪刀采摘，一人裝箱，高處的果實(shí)可以借助梯子類工具。以1 min為限，從果樹下方開始向樹冠方向采摘，一顆果樹采摘完成后，開始采摘下一棵果樹，每分鐘記錄1次2組的采摘情況，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖6所示。

圖6 橘園采摘情況對比

在蘋果園中，蘋果的生長密度相比橘子稍小，樹的高度相對略高，人工采摘組仍可以借助登高工具來采摘樹冠上的蘋果。這組實(shí)驗(yàn)中，仍采用前文所述規(guī)則。以1 min為限，從果樹下層向樹冠方向依次采摘，所得數(shù)據(jù)總結(jié)如圖7所示。

圖7 蘋果園采摘情況對比

通過比較，發(fā)現(xiàn)蘋果園和橘園的采摘效率不同主要是由于果樹的生長情況不同。在橘園中，橘子的生長高度較低，采摘器的主要優(yōu)勢在于省力、快捷。在蘋果園中，由于蘋果生長高度較高，采摘器的伸縮性得到了更好的應(yīng)用，而在采摘后期，因?yàn)樘O果的密度較小，尋找采摘目標(biāo)需要一些時問，這一點(diǎn)仍需要改進(jìn)。將采摘器與人工操作相比較，采摘器的性能明顯占優(yōu)，不僅操作迅速，而且省去了果實(shí)傳遞的過程，采摘也更加輕松。僅在1 min內(nèi)，效率便大約是人工采摘的2.5倍。