趙雪峰

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

0 引言

水果采摘是水果生產(chǎn)作業(yè)中最耗時(shí)最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。在此期間需投入的勞力占整個(gè)種植過程的50%～70%，采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到水果的貯藏、加工和銷售，最終影響市場價(jià)格和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。研究和開發(fā)果蔬收獲的智能機(jī)器技術(shù)對于解放勞動(dòng)力、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì)，以及滿足作物生長的實(shí)時(shí)性要求等方面都有促進(jìn)作用。

1 水果采摘機(jī)器的研究意義及國內(nèi)外現(xiàn)狀

水果收獲具有很強(qiáng)的時(shí)效性，屬于典型的勞動(dòng)密集型工作。由于采摘作業(yè)環(huán)境和操作的復(fù)雜性，水果采摘的自動(dòng)化程度仍然很低，目前國內(nèi)水果的采摘作業(yè)基本上還是手工完成[4-7]。在很多國家隨著人口老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少，勞動(dòng)力不僅成本高，而且還越來越不容易得到，而人工收獲水果所需的成本在水果的整個(gè)生產(chǎn)成本中所占比例竟高達(dá)33%～50%，高枝水果的采摘還帶有一定的危險(xiǎn)性。因此，實(shí)現(xiàn)水果收獲的機(jī)械化變得越來越迫切，發(fā)展機(jī)械化的收獲技術(shù)，研究開發(fā)水果采摘機(jī)器具有重要的意義。

采摘機(jī)器是未來智能農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景[8-11]。我國水果機(jī)械化采摘機(jī)器現(xiàn)狀：2004年11月1日頒布施行的《中華人民共和國農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》還明確規(guī)定國家采取措施鼓勵(lì)，扶持農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，機(jī)械采摘取代手工作業(yè)是必然發(fā)展趨勢。我國的國家專利中有100種水果采摘器，包括機(jī)械式、電動(dòng)式、氣動(dòng)式的果品采摘機(jī)器，其中有的實(shí)現(xiàn)單方向的水果采摘，有的可改變方向能實(shí)現(xiàn)全方位的水果采摘。目前，市場上商品化的采摘器品種還比較單一，且價(jià)格昂貴、操作不便[12-15]。我國在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期，相對于發(fā)達(dá)國家起步較晚，果蔬采摘機(jī)器人的研究還處于起步階段，不少院校、研究所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)的研究。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人，主要由5個(gè)自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。有研究人員運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，開發(fā)了草莓揀選機(jī)器人，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同的等級(jí)方向。浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等人完成了水果自動(dòng)分級(jí)機(jī)器人的研究開發(fā)。

國外水果機(jī)械化采摘裝置研究進(jìn)展及現(xiàn)狀：水果的機(jī)械化收獲技術(shù)已有40余年的研究歷史，收獲作業(yè)自動(dòng)化和機(jī)械化的研究始于20世紀(jì)60年代的美國，1968年美國學(xué)者Schertz（舍爾茨）和Brown（布朗）首次提出應(yīng)用機(jī)器技術(shù)進(jìn)行果蔬收獲，當(dāng)時(shí)開發(fā)的收獲機(jī)器樣機(jī)幾乎都需要有人參與，因此只能算是半自動(dòng)化的收獲機(jī)械。采用的收獲方式主要是機(jī)械振搖式和氣動(dòng)振搖式，其缺點(diǎn)是果實(shí)易損，效率不高，特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲。從20世紀(jì)80年代中期開始，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，以日本為代表的發(fā)達(dá)國家，包括美國、英國、法國、荷蘭、以色列、西班牙等國家，都在水果采摘機(jī)器方面做了大量的研究工作，涉及到的研究對象主要包括甜橙、蘋果、櫻桃、甜瓜、葡萄、草莓等，試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的收獲采摘機(jī)器。應(yīng)用機(jī)器技術(shù)進(jìn)行水果的自動(dòng)化收獲得到了快速發(fā)展。法國是研究果蔬采摘機(jī)器人較早的國家之一，由于技術(shù)、市場和價(jià)格等因素的影響，甜橙和蘋果采摘機(jī)器人已經(jīng)停產(chǎn)，采摘機(jī)器的研究工作基本陷于停頓。美國在自動(dòng)化收獲機(jī)器人的研究方面沒有很清晰的戰(zhàn)略，研究工作也基本處于停頓狀態(tài)。近年來，日本開展了大量的收獲機(jī)器人研究項(xiàng)目，進(jìn)展很快，但未能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。荷蘭收獲機(jī)器人的研究工作走在很多國家的前面，但研究的果蔬種類并不多[16-20]。

2 水果采摘機(jī)器方案設(shè)計(jì)

2.1 果實(shí)的生物學(xué)特征

通過查閱數(shù)據(jù)和對果園進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)果樹行與行之間通常會(huì)留下一條操作路徑，便于日常管理，經(jīng)過勘察，果園的地面基本平整，間距一般在3～4 m，果樹高度一般不超過3.5 m，直徑為30～90 cm，果實(shí)的質(zhì)量100～400 g。果樹的強(qiáng)度與其年齡和樹形有很大關(guān)系，有的水果表面不是很硬，容易被磕碰破壞，所以在采摘時(shí)要注意控制力度，輕輕處理，不可硬拉扯拽，否則果實(shí)將會(huì)被破壞，嚴(yán)重影響水果的保鮮貯藏。

2.2 采摘機(jī)器的選型

此次設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器是根據(jù)工業(yè)機(jī)械手的特點(diǎn)，考慮到水果采摘的特殊性，經(jīng)查閱資料，目前工業(yè)機(jī)械手包括圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手、直角坐標(biāo)型機(jī)械手、極坐標(biāo)型機(jī)械手、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械手等。由于水果摘取環(huán)境的可變性和復(fù)雜性，以及果實(shí)分布的隨機(jī)性，所以采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械手來解決采摘機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的問題。

圓柱坐標(biāo)系見圖1，直角坐標(biāo)系見圖2，極坐標(biāo)系見圖3，關(guān)節(jié)坐標(biāo)系見圖4。

圖1 圓柱坐標(biāo)系

圖2 直角坐標(biāo)系

圖3 極坐標(biāo)系

圖4 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系

2.3 水果采摘機(jī)械手的選擇

通過查閱水果采摘特征的相關(guān)資料，水果采摘機(jī)械手最適合選用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。水果采摘機(jī)器具體結(jié)構(gòu)包括盤腰座旋轉(zhuǎn)、大臂、小臂和腕部的俯仰、旋轉(zhuǎn)及執(zhí)行末端5個(gè)部分。升降機(jī)構(gòu)安放到底盤，不僅可以增加機(jī)器在垂直方向上的工作空間，還可以增加機(jī)器的靈活度，所以選擇六自由度串聯(lián)式采摘機(jī)器。

水果采摘自由度示意圖見圖5。

圖5 水果采摘自由度示意圖

2.4 水果采摘機(jī)器方案設(shè)計(jì)

2.4.1 水果采摘機(jī)器設(shè)計(jì)原則

為了更好地將所設(shè)計(jì)的機(jī)器應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)的果園里，在設(shè)計(jì)過程中要注意下列原則：

（1）采摘機(jī)械臂應(yīng)具備很好的避障能力。

（2）采摘末端執(zhí)行器應(yīng)具有很好的通用性，不能損傷果實(shí)，提高機(jī)器的利用率，降低生產(chǎn)和使用的成本。

（3）采摘機(jī)器的操作盡可能簡單，便于使用普及。

2.4.2 水果采摘機(jī)器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)果園內(nèi)地面環(huán)境，選擇履帶式移動(dòng)小車作為采摘機(jī)器行走的移動(dòng)平臺(tái)，采用具有較好減震性能的橡膠履帶，可以在凹凸不平的地面上靈活進(jìn)退，穩(wěn)定性好，支持面積大，轉(zhuǎn)向半徑小，能跨越障礙物和原地轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再配備升降平臺(tái)，使采摘機(jī)器在垂直方向上的活動(dòng)自如。機(jī)器基座和關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，擺線行星減速器用于減速以增加輸出扭矩。大臂和小臂通過伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)俯仰功能。腕部通過兩轉(zhuǎn)法蘭實(shí)現(xiàn)俯仰和旋轉(zhuǎn)功能。采摘末端通過法蘭相連接，通過同步帶傳動(dòng)，帶動(dòng)主動(dòng)輪傳動(dòng)，在裝有惰輪情況下可實(shí)現(xiàn)相反方向旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)刀片相反方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)剪切功能。收集裝置連接在末端執(zhí)行器的下方，并連接到柔性管，收集到的水果從其上落下，依靠重力通過柔性管道轉(zhuǎn)移到收集籃。

水果采摘總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖6。

圖6 水果采摘總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 水果采摘機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 升降平臺(tái)

升降平臺(tái)的作用不僅增大了采摘機(jī)器的拾取范圍，而且為拾取創(chuàng)造了很大的便利，既可承受人的質(zhì)量當(dāng)梯子，也可在不安裝機(jī)械臂的條件下隨時(shí)移動(dòng)，工作人員可站在平臺(tái)進(jìn)行人工采摘，提高機(jī)器利用率，增加機(jī)器的安全性和功能性。

液壓缸的選擇：

（1）液壓缸內(nèi)徑尺寸為16 mm，活塞桿外徑尺寸為14 mm。

（2）液壓缸的活塞行程按照采摘機(jī)器總體尺寸設(shè)計(jì)要求，選擇行程距離為125 mm，當(dāng)行程最大時(shí)，升降平臺(tái)上板到下板的距離是287 mm，當(dāng)收回到最小行程時(shí)，平臺(tái)上板到下板的距離是50 mm。

升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖見圖7。

圖7 升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3.2 底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座旋轉(zhuǎn)通過伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)蝸輪傳動(dòng)。選擇的主要原因是其傳動(dòng)比一般為7～80，而且還具有工作平穩(wěn)、無噪音、可以自鎖、傳動(dòng)功率大等特點(diǎn)。

3.2.1 蝸輪蝸桿的計(jì)算

蝸輪蝸桿傳動(dòng)的要求：

輸入功率P=3 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，傳動(dòng)比i=30，工作載荷較穩(wěn)定，但有不大的沖擊，要求壽命Lh為12 000 h。

設(shè)計(jì)：

（1）選擇蝸桿的傳動(dòng)類型。根據(jù)國標(biāo)推薦，采用漸開線蝸桿。

（2）選擇蝸輪蝸桿材料。由于蝸桿傳動(dòng)功率不大，速度適中，接近低速，因此蝸桿可以由45鋼制成，因需要效率高、耐磨性好，蝸桿的螺旋齒表面要求調(diào)制處理，可以使蝸桿的綜合性能最好，硬度達(dá)到40～55 HRC?？紤]到成本，環(huán)形齒輪由青銅制成，輪芯由灰鑄鐵HT100制成。

（3）根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。按照閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，先設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度，檢查齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。由下式，傳動(dòng)中心距：

①確定蝸輪上的T2，取Z2=2，效率為0.8，故：

②確定系數(shù)K，因蝸輪蝸桿的工作載荷較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速不高，所以取載荷分布不均勻系數(shù)Kβ=1，使用系數(shù)KA=1.15，動(dòng)載系數(shù)KΓ=1.05，故

③確定系數(shù)ZE，因蝸輪選用的材料是青銅，蝸桿選用的材料是45鋼傳動(dòng)達(dá)到減速的效果和增扭的目的，故ZE=160 MPa。

④確定系數(shù)Zρ，先設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和a傳動(dòng)中心距的比值d1/a=0.30，得Zρ=2.9。

⑤確定應(yīng)力[σH]，因蝸輪材料為青銅ZCu-Sn10P1，其加工為金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度＞45 HRC，故蝸輪的基本允許用應(yīng)力[σH]=268 MPa。

由于設(shè)計(jì)的整體尺寸及設(shè)計(jì)傳動(dòng)的要求，取中心距a=180 mm，因i=30取模數(shù)m=5，蝸桿分度圓直徑d1=50 mm，這時(shí)d1/a=0.28，查表得接觸系數(shù)Z＇ρ=3.1，因Z＇ρ＜Zρ，所以上述結(jié)果可用。

（4）蝸輪蝸桿的參數(shù)和幾何尺寸。

用插值法fv=0.020 4，ψv=1.168 7，代入式中得η=0.855=85.5%，大于估計(jì)值，所以不需要重算。

（7）精確等級(jí)公差確定。

從GB/T 10089—1988圓柱蝸桿，蝸輪精度中選擇7級(jí)精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f，GB/T 10089—1988。

（8）繪制蝸桿、蝸輪圖。

蝸桿見圖8，蝸輪見圖9。

圖8 蝸桿

圖9 蝸輪

3.2.2 底盤旋轉(zhuǎn)蝸輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

旋轉(zhuǎn)蝸輪軸的功率P3=3×0.855=2.565 kW，轉(zhuǎn)速為n3=40 r/min。

（1）確定軸的最小直徑。按下式初步估算軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，根據(jù)表查得A0=120，計(jì)算得dmin=48 mm。

（2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)軸向定位來確定軸的各段直徑和長度

①選取軸的最小直徑為d1=70 mm，為了滿足端蓋的要求，選長度L1=23 mm。

②初步選擇滾動(dòng)軸承，因軸承主要承受徑向載荷，故選擇深溝球軸承，根據(jù)軸的最小直徑d1=70 mm，由軸承目錄初步選擇0基本游隙組，標(biāo)椎精度等級(jí)的深溝球軸承6215，尺寸為d×D×T=75 mm×130 mm×25 mm，所以d2=75mm，L2=50 mm，右端軸承采用套筒定位。

③選安裝齒輪處的直徑d3=76 mm，齒輪的左端采用套筒定位，右端采用軸肩定位，齒輪輪轂的寬度100 mm，為了將齒輪壓緊，軸端部位應(yīng)略短于輪轂寬度，取L3=99mm。齒輪另一端采用軸肩定位，軸肩高度h＞0.07 d，取h=22 mm，則軸環(huán)處的直徑d4=120 mm，軸環(huán)寬度L4=25 mm。

④為了滿足裝配要求，再做一個(gè)d5=175 mm，L5=15.5 mm，為了滿足傳動(dòng)要求，設(shè)計(jì)調(diào)心滾子軸承，初步選擇0基本游隙組，標(biāo)椎精度等級(jí)的調(diào)心滾子軸承16032，尺寸為d×D×T=160 mm×240 mm×25 mm，所以d6=160 mm，L6=63 mm，左端有軸肩定位，右端有旋轉(zhuǎn)底盤定位。

⑤齒輪和軸采用平鍵連接來軸向定位，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查表得平鍵b×h=22 mm×14 mm，鍵槽要求用鍵槽銑刀加工，長度應(yīng)略小于輪轂長度，由機(jī)械手冊查得優(yōu)先數(shù)列取90 mm，同時(shí)齒輪與軸配合應(yīng)具有良好的對稱性，所以選擇齒輪輪轂和軸的配合為基孔過度配合H7/n6，滾動(dòng)軸承與軸向定位是由過度配合來保證的，選取軸的直徑尺寸公差為j7。

（3）彎扭合成應(yīng)力校核的強(qiáng)度。進(jìn)行校核時(shí)，校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面，軸單向旋轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6，軸上的計(jì)算應(yīng)力

初選定軸的材料為45鋼，要求有良好的綜合性能，所以需要調(diào)制處理，經(jīng)查機(jī)械手冊的[σ-1]=60 MPa，因σca＜[σ-1]，故安全。

（4）繪制底盤旋轉(zhuǎn)軸。底盤旋轉(zhuǎn)軸見圖10。

圖10 底盤旋轉(zhuǎn)軸

3.3 大臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大臂的俯仰是通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)擺線針輪行星減速器，達(dá)到所需扭矩。大臂是整個(gè)水果采摘機(jī)器的重要組成部分，其剛度會(huì)直接影響整個(gè)機(jī)器的精度。由于大臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將其等效為簡單的桿件模型時(shí)，力學(xué)解析上的誤差很大。為了準(zhǔn)確地檢查采摘機(jī)器的剛度和強(qiáng)度，目前大多數(shù)使用ANSYS軟件的有限元分析，計(jì)劃在后續(xù)階段中深入學(xué)習(xí)。

采摘機(jī)器的大臂負(fù)責(zé)機(jī)器本體的手臂、手腕和末端負(fù)載，具有最大的力和力矩。要求具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其材料為球墨鑄鐵，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接不能保證其精度和強(qiáng)度，為了滿足未來大規(guī)模生產(chǎn)的需要，采用鑄造工藝，然后進(jìn)行每個(gè)參考面的精密加工。

大臂俯仰結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 大臂俯仰結(jié)構(gòu)

3.4 小臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小臂的俯仰也是通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，并且擺線行星減速器實(shí)現(xiàn)所需的扭矩，其原理是行星齒輪傳動(dòng)，在大多數(shù)情況下取代了兩級(jí)，三級(jí)普通圓柱齒輪減速器或圓柱蝸桿減速器，具有高速比、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。小臂的俯仰使水果采摘機(jī)器臂更加靈活，可以更好的實(shí)現(xiàn)避障能力。其材料為球墨鑄鐵，因?yàn)榍蚰T鐵的綜合性能最好，可達(dá)到小臂所承受的強(qiáng)度和剛度，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將向?qū)?、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量考慮在內(nèi)，除了要求臂部結(jié)構(gòu)緊湊和質(zhì)量輕外，還要采取一定的緩沖措施。

小臂俯仰結(jié)構(gòu)見圖12。

圖12 小臂俯仰結(jié)構(gòu)

3.5 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水果采摘機(jī)器的手腕是用來連接末端執(zhí)行器、手臂和支撐末端執(zhí)行器，能處于空間的任意位置。這次設(shè)計(jì)的腕部具有2個(gè)自由度，分別實(shí)現(xiàn)俯仰和旋轉(zhuǎn)，在設(shè)計(jì)中要注意：必須結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，動(dòng)作靈活平穩(wěn)，定位精度高，強(qiáng)度剛度高。

兩自由度腕部是由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)構(gòu)成的BR腕部，或者由2個(gè)B關(guān)節(jié)來構(gòu)成BB腕部。因2個(gè)B關(guān)節(jié)是軸的平行，故減為一個(gè)自由度，導(dǎo)致自由度的退化，只形成了一個(gè)自由度的手腕，所以采用最為常見的BR手腕。

腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖13。

圖13 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.6 水果采摘機(jī)器末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

3.6.1 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的原則和方案

水果采摘末端執(zhí)行器因根據(jù)采摘環(huán)境和采摘方法嚴(yán)格來設(shè)計(jì)和計(jì)算，通過可行性研究和參數(shù)計(jì)算最后經(jīng)過比較找到合適揀選水果的計(jì)劃，詳細(xì)計(jì)算。在設(shè)計(jì)中，要實(shí)現(xiàn)這一目的，也要考慮到選擇末端執(zhí)行器的成本盡可能低，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單易用。按果根的分離方式分為吸附式、抓住式和剪根式。根據(jù)摘取器的驅(qū)動(dòng)方式分為機(jī)械式、電動(dòng)式和氣動(dòng)式。對比各個(gè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)后，選擇了剪切式來收集水果。該機(jī)器的動(dòng)力源是氣動(dòng)馬達(dá)，采摘執(zhí)行端通過切割球刀片切割果柄，然后將水果通過柔性管道輸送到收集籃中。其機(jī)器通過設(shè)計(jì)一個(gè)180°采摘的半球形刀片來完成，并可以在采摘的1周內(nèi)使用相同的間隙寬度，間隙邊緣鋒利，水果采摘方便，可實(shí)現(xiàn)果實(shí)的固定和果枝的切割，保證采摘器的手指不是拾撿器的手指也使得水果采摘更加安全方便。

半球式末端執(zhí)行器見圖14。

圖14 半球式末端執(zhí)行器

結(jié)合了仿生學(xué)原理和實(shí)踐采摘，選擇吞咽口作為研究對象的過程。蛇吞食物的行為分2個(gè)階段：第一階段是把嘴從張開到咬住的階段，第二階段是咬住食物到吞下的階段。將這2個(gè)階段與采摘水果相結(jié)合，參照蛇嘴設(shè)計(jì)采摘末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，簡化為閉環(huán)連桿，采用氣動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力源直接帶動(dòng)半球式刀片實(shí)現(xiàn)剪切水果的作業(yè)，整體結(jié)構(gòu)比較簡單，保護(hù)人體不受傷害，刀體可180°旋轉(zhuǎn)，無死角采摘。

3.6.2 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)計(jì)算

水果采摘末端執(zhí)行器是由12 V、30 W直流減速機(jī)、同步帶、刀具和刀架等組成，電路由12 V電池來提供電源，通過可以改變電流方向的自鎖開關(guān)控制60 r/min的直流減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，減速機(jī)的輸出軸上配同步帶輪，皮帶用于傳動(dòng)以將動(dòng)力從馬達(dá)傳遞到齒輪結(jié)構(gòu)，主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪，從動(dòng)輪帶動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，但2個(gè)刀架各自朝著反方向運(yùn)動(dòng)，形成像剪刀一樣的剪切，使得2個(gè)葉片沿彼此相反的方向旋轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)能有效切開水果枝干，反轉(zhuǎn)可防止卡刀，達(dá)到退刀的功能。

同步帶傳動(dòng)有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)的各種優(yōu)點(diǎn)于一體，可根據(jù)材料分為氯丁橡膠加纖維繩同步帶和聚氨酯加鋼絲同步帶，因其工作特點(diǎn)應(yīng)選擇氯丁橡膠加纖維繩同步帶。根據(jù)齒輪的形狀分為梯形齒同步帶和圓齒同步帶2種類型，同步帶傳動(dòng)具有精確的傳動(dòng)比、無滑差、比例恒定、傳動(dòng)精確和平穩(wěn)、可吸收沖擊、噪音低，具有廣泛的傳動(dòng)速比，通常高達(dá)1∶10，允許線速度高達(dá)50 m/s，傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%～99%，傳遞功率從幾瓦到數(shù)百千瓦。同步帶的設(shè)計(jì)要求：其傳動(dòng)比i=1.1，傳動(dòng)功率Pm=0.03 kW，小帶輪轉(zhuǎn)速=60 r/min，中心距=300 mm，設(shè)計(jì)確定帶及帶輪。設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

式中：K0——載荷修正系數(shù)K0=1.2；

Pm——工作電機(jī)的功率Pm=0.03 kW。

Pd=K0Pm=1.2×0.03=0.036 kW.

根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd和小帶輪轉(zhuǎn)速n，由同步帶選型圖來確定所需的型號(hào)和節(jié)距，查表得：選用同步帶得型號(hào)為L型帶，節(jié)距Pd=9.525 mm。

根據(jù)同步帶的最小齒數(shù)確定，選小帶輪齒數(shù)Z1=12，大齒輪齒數(shù)Z2=i×Z1=1.1×12=12，所以Z1=12，Z2=13。

根據(jù)機(jī)械手冊查得帶節(jié)線長度Lp=723.9mm，齒數(shù)Zb=76。

根據(jù)inv為漸開線，inv函數(shù)就是inv漸開線函數(shù)，

剪刀式末端執(zhí)行器見圖15。

圖15 剪刀式末端執(zhí)行器

3.7 電機(jī)的計(jì)算與選型

n=750，i=25，滿足這次設(shè)計(jì)大臂的要求及轉(zhuǎn)動(dòng)角度。由扭矩和功率公式可得

p＞2.78 kW，根據(jù)機(jī)械手冊查得，選擇MFDHTA390伺服電機(jī)。

3.8 軸承的選擇、潤滑及密封

軸承的選擇不僅要考慮直徑的因素，還要考慮軸承的性能，設(shè)計(jì)軸上的徑向載荷大，軸向載荷小，軸和殼體存在變形大和定心差的問題，所以采用球面滾子軸承、深溝球軸承、單向推力軸承、調(diào)心軸承和深溝軸承主要承受徑向載荷，也能承受少量的雙向載荷。

潤滑對于滾動(dòng)軸承很重要，可用作散熱器，減少接觸應(yīng)力，吸收振動(dòng)，還能防止生銹。軸承潤滑有油潤滑和脂潤滑，主要與軸承的轉(zhuǎn)速有關(guān)，使用滾動(dòng)軸承的dn值（d是滾動(dòng)軸承的內(nèi)徑，n為軸承轉(zhuǎn)速）表示軸承轉(zhuǎn)速的大小。由于其轉(zhuǎn)速是經(jīng)過減速器減速的，其速度非常低，小于810 r/min。由脂潤滑形成的潤滑膜具有高強(qiáng)度，可承受大負(fù)荷，不易丟失，易于密封。主要關(guān)注的性能為錐入度和滴點(diǎn)，軸承的dn值較小。因此，選擇錐形穿透率較小的脂潤滑。軸承密封設(shè)計(jì)用于防止灰塵、水、酸性氣體和其他碎屑進(jìn)入軸承并防止?jié)櫥瑒┮绯?，使用非接觸式密封。

4 結(jié)語

水果采摘機(jī)器，有利于降低果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了水果實(shí)時(shí)收獲和質(zhì)量，對提高果園的機(jī)械化水平具有重要意義?？偨Y(jié)如下：①在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，升降臺(tái)可以使其靈活度更高，大臂采用蝸輪蝸桿減速增扭來實(shí)現(xiàn)要不得轉(zhuǎn)動(dòng)，大小臂的俯仰和腕部的旋轉(zhuǎn)俯仰均使用電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)擺線針輪行星減速器來實(shí)現(xiàn)，末端執(zhí)行器采用剪刀式，用直流減速電機(jī)帶動(dòng)同步帶，同步帶帶動(dòng)齒輪，最終實(shí)現(xiàn)剪刀式的剪切。②通過對輪式底盤和履帶底盤的分析比較，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有輪式底盤很難滿足水果采摘設(shè)計(jì)的要求，因此選用適用于果園作業(yè)的履帶式底盤，既可以在凹凸不平的地面行走，穩(wěn)定性好，也可以跨越障礙物，支撐面積大，轉(zhuǎn)向半徑小，還可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。③今后可以嘗試在原有機(jī)器平臺(tái)上加上視覺反饋，通過虛擬場景和網(wǎng)絡(luò)逐步實(shí)現(xiàn)對采摘機(jī)器的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，進(jìn)一步完善控制方式和控制結(jié)構(gòu)。