趙華民 ，劉凱鑫 ，王 鑫 ，焦海峰 ，許德芳

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030801；2.呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系，山西 呂梁 033001）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人成為學(xué)者的研究熱點(diǎn)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展是農(nóng)業(yè)智能化的重要標(biāo)志[1]，對(duì)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、解決人口老齡化問題具有重要意義。鮮棗采摘目前依舊采用人工方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此對(duì)采摘自動(dòng)化的需求十分迫切。末端執(zhí)行器是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前已有學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)采摘用末端執(zhí)行器進(jìn)行了研究，陳真真[2]、李寧[3]研究了蘋果采摘用末端執(zhí)行器。朱容芳等[4]基于UG 軟件研究了蘋果采摘機(jī)械臂及末端執(zhí)行器。周科宏[5]、楊樂平等[6]研究了番茄采摘末端執(zhí)行器。李秉旭[7]研究了三爪氣動(dòng)式采摘用末端執(zhí)行器。孫金風(fēng)等[8]研究了水果被動(dòng)抓取末端執(zhí)行器。李小平[9]進(jìn)行了圣女果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析。以上末端執(zhí)行器的研究和設(shè)計(jì)為本末端執(zhí)行器的研究提供了理論和方法借鑒，但是目前鮮棗采摘專用末端執(zhí)行器的研究還較少。因此，本課題針對(duì)溫室鮮棗的采摘，研究設(shè)計(jì)了一種鮮棗采摘專用末端執(zhí)行器。

1 鮮棗采摘末端執(zhí)行器工作原理

通過分析鮮棗采摘的過程，降低采摘過程中對(duì)鮮棗的損傷，并減少采摘過程中樹枝搖晃帶來(lái)的同根上面的鮮棗脫落，設(shè)計(jì)了鮮棗采摘末端執(zhí)行器裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該鮮棗采摘末端執(zhí)行器由電機(jī)、聯(lián)軸器、絲桿、光軸、夾爪、絲桿螺母、齒輪、齒條、吸盤、驅(qū)動(dòng)齒輪、相機(jī)等零部件組成。該末端執(zhí)行器選擇電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，通過聯(lián)軸器將電機(jī)動(dòng)力傳遞至絲桿，兩根絲桿螺紋方向相反，實(shí)現(xiàn)夾爪的相向運(yùn)動(dòng)，為了提高夾爪運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，在其后方安裝有一根光軸，使每個(gè)夾爪都能實(shí)現(xiàn)兩根軸一起固定；通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)吸盤做往復(fù)移動(dòng)，當(dāng)夾爪機(jī)構(gòu)將鮮棗夾緊后，吸盤伸出將鮮棗吸住后再放至指定位置；通過驅(qū)動(dòng)齒輪將電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低后再驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸一端安裝有掃描相機(jī)，相機(jī)能在一定角度內(nèi)往復(fù)旋轉(zhuǎn)并將影像回傳至控制系統(tǒng)。在上述機(jī)構(gòu)的相互配合下實(shí)現(xiàn)鮮棗的采摘。

圖1 鮮棗采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

2 總體方案設(shè)計(jì)

通過鮮棗采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作原理分析，可以將其結(jié)構(gòu)分為動(dòng)力機(jī)構(gòu)、夾爪機(jī)構(gòu)、吸盤機(jī)構(gòu)、相機(jī)掃描機(jī)構(gòu)和機(jī)架五個(gè)部分。鮮棗采摘末端執(zhí)行器動(dòng)力機(jī)構(gòu)，選用電機(jī)作為動(dòng)力源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)力大且結(jié)構(gòu)緊湊，成本相對(duì)較低，能夠使末端執(zhí)行器操作靈活。夾爪機(jī)構(gòu)的作用就是在不損傷采摘對(duì)象的前提下夾持住對(duì)象，減少吸盤機(jī)構(gòu)采摘時(shí)枝條的震動(dòng)，造成采摘目標(biāo)棗附近的成熟棗脫落。吸盤機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)吸盤做往復(fù)移動(dòng)，當(dāng)夾爪機(jī)構(gòu)將鮮棗夾緊后，吸盤伸出將鮮棗吸住后再放至指定位置。相機(jī)掃描機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)帶動(dòng)掃描相機(jī)在一定角度內(nèi)往復(fù)旋轉(zhuǎn)并將影像回傳至控制系統(tǒng)。機(jī)架各部分采用焊接固定，并提供各個(gè)零件的安裝位置，保證所有零件的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.1 夾爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本末端執(zhí)行器夾爪機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、左旋絲桿、右旋絲桿、光軸、夾爪、絲桿螺母和直線軸承等組成，如圖2所示。

圖2 末端執(zhí)行器夾爪機(jī)構(gòu)

夾爪通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的選型通常要考慮的因素包括載荷大小、功率大小、安裝位置、方式和轉(zhuǎn)速等[10]。首先進(jìn)行電機(jī)功率計(jì)算。設(shè)計(jì)執(zhí)行器兩夾爪相向運(yùn)動(dòng)的額定速度為0.1 m/s，夾爪機(jī)構(gòu)最大需負(fù)載50 g 的質(zhì)量，計(jì)算夾爪機(jī)構(gòu)在正常工況下所需功率大小P0=0.005 W。根據(jù)兩夾爪相向運(yùn)動(dòng)的速度計(jì)算所需電機(jī)轉(zhuǎn)速n=60v/πd=159.24 r/min，傳動(dòng)效率P=0.005 W，計(jì)算夾爪機(jī)構(gòu)扭矩T=9 550P/n=0.3 N·m，綜合各項(xiàng)因素，最終選用57BYG250H 型電機(jī)。

根據(jù)傳動(dòng)方案、空間大小等因素，設(shè)計(jì)絲桿采用不銹鋼材質(zhì)，導(dǎo)程5 mm，絲桿直徑12 mm。通過計(jì)算其轉(zhuǎn)速和最大載荷，得出材質(zhì)和尺寸符合穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

2.2 末端執(zhí)行器吸盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸盤機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、齒輪、齒條、吸盤安裝塊和吸盤等組成，其作用是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)吸盤做往復(fù)移動(dòng)，吸盤機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鮮棗采摘末端執(zhí)行器吸盤機(jī)構(gòu)

根據(jù)上文電機(jī)功率計(jì)算過程，計(jì)算功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，最終選擇電機(jī)型號(hào)同樣為57BYG250H。

齒輪齒條的選型計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，取模數(shù)m=1.5，小齒輪齒數(shù)取40，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，計(jì)算得到齒輪分度圓直徑為40 mm，齒條齒根高為2.22 mm，中心距30.63 mm，齒條長(zhǎng)度為100 mm，齒數(shù)為42。

2.3 末端執(zhí)行器相機(jī)掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

相機(jī)掃描機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸、軸承和相機(jī)等組成，如圖4 所示。經(jīng)計(jì)算，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)選擇57BYG250H。

圖4 鮮棗采摘末端執(zhí)行器相機(jī)掃描機(jī)構(gòu)

相機(jī)掃描機(jī)構(gòu)選擇直齒圓柱齒輪作為軀體轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。齒輪的材料采用45 鋼材質(zhì)，硬度可以達(dá)到240 HBS，并且其接觸疲勞極限為σHlim2=550 MPa，同時(shí)齒輪精度為7 級(jí)。根據(jù)減速需求，將小齒輪齒數(shù)定為z1=30；按照工作需求，傳動(dòng)比i=1.65，則能夠計(jì)算出大齒輪齒數(shù)z2=49.5，將其圓整為50。

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=9.6×104，N2=N1÷i=5.82×104，通過查閱相關(guān)資料，可得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.9，KHN2=0.95，由此計(jì)算得到其接觸疲勞許用應(yīng)力。根據(jù)上述已知，計(jì)算大小齒輪接觸疲勞許用應(yīng)力[σH]1=495 MPa，[σH]2=522.5 MPa，由其計(jì)算得到小齒輪分度圓直徑d1t=36.9 mm，進(jìn)而算出圓周速v=0.386 m/s。根據(jù)相關(guān)資料可得，載荷系數(shù)K=1.92。根據(jù)實(shí)際載荷系數(shù)，對(duì)分度圓直徑進(jìn)行校正，讓載荷系數(shù)Kt=KA=1.1，分度圓直徑如式（1）所示：

將計(jì)算結(jié)果圓整為d1=45 mm。然后根據(jù)齒輪各參數(shù)間的關(guān)系，在滿足齒輪的強(qiáng)度要求的前提下，設(shè)計(jì)齒輪相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 齒輪參數(shù)表

3 鮮棗采摘末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3.1 仿真軟件設(shè)置

為保證末端執(zhí)行器運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)干涉，將所有零件在SolidWorks 中進(jìn)行裝配后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，步驟如下。

1）在組合體界面，點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)算例，在運(yùn)動(dòng)算例左上角選擇“Motion分析”，如圖5 所示。

2）然后選擇旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，在軟件中設(shè)置好馬達(dá)位置和馬達(dá)方向，選擇相對(duì)于馬達(dá)移動(dòng)的零部件，選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖6 所示。

圖6 選擇馬達(dá)位置與馬達(dá)方向

3）數(shù)據(jù)點(diǎn)參數(shù)編輯如圖6 所示，編輯完成后右下角點(diǎn)擊確定，馬達(dá)左上角打鉤，完成吸盤運(yùn)動(dòng)編輯。

4）重復(fù)以上增加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的相關(guān)步驟，增加夾爪運(yùn)動(dòng)、馬達(dá)位置等相關(guān)設(shè)定。仿真時(shí)間設(shè)置10 s，點(diǎn)擊左側(cè)計(jì)算進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算完后，點(diǎn)擊結(jié)果和圖解選項(xiàng)選擇位移，速度選擇線性速度，方向?yàn)閆分量，選擇夾爪頂點(diǎn)，生成運(yùn)動(dòng)曲線。

3.2 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

在SolidWorks 左下角結(jié)果中右擊圖解。選擇顯示圖表，顯示線性速度、線性位移曲線，如圖7、圖8所示。

將設(shè)計(jì)的采摘末端執(zhí)行器導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)仿真分析軟件中，繪制末端執(zhí)行器在運(yùn)行過程中的速度和位移曲線，曲線平滑無(wú)明顯沖擊，表明末端執(zhí)行器運(yùn)行平穩(wěn)、零件無(wú)干涉。

4 結(jié)論

本文以鮮棗采摘末端執(zhí)行器裝置為研究對(duì)象，采用SolidWorks 軟件對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行零件建模和仿真，并結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，對(duì)各零件尺寸和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，各零件配合良好，材料選擇滿足強(qiáng)度要求。最后利用SolidWorks運(yùn)動(dòng)仿真分析軟件對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，結(jié)果表明，末端執(zhí)行器能夠順利進(jìn)行開合和抓取，并且運(yùn)動(dòng)曲線平滑，表明各部件之間運(yùn)轉(zhuǎn)正常，零件無(wú)干涉現(xiàn)象。本末端執(zhí)行器的研究為鮮棗采摘機(jī)器人的研發(fā)提供了理論借鑒。

圖7 末端執(zhí)行器在Z方向的線性速度曲線

圖8 末端執(zhí)行器在Z方向的線性位移曲線