于寶群 趙珊

摘? 要：隨著我國制造業(yè)的高速發(fā)展和機(jī)械化水平的不斷提高，蘋果采摘實(shí)現(xiàn)機(jī)械化是一種必然趨勢。蘋果采摘是整個(gè)蘋果生產(chǎn)中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)前蘋果采摘大多是以人工為主，同機(jī)械化采摘相比費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)高枝蘋果的采摘還具有一定的危險(xiǎn)性。因此實(shí)現(xiàn)蘋果采摘的機(jī)械化變得越來越迫切，發(fā)展機(jī)械化的采摘技術(shù)，有助于解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。采摘機(jī)器人是未來智能農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：制造業(yè);蘋果采摘;采摘機(jī)器人;農(nóng)業(yè)機(jī)械化

中圖分類號(hào)：S225? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 研究內(nèi)容

該文設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)可靠的采摘機(jī)，此采摘機(jī)雖不能完全解決采摘過程中的所有難題，實(shí)現(xiàn)全部自動(dòng)化，但是卻可以解決蘋果采摘過程中的部分問題，以減輕果農(nóng)采摘的艱辛，解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)率，降低成產(chǎn)成本。它可以通過機(jī)械與電氣綜合控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器各部分運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)控，具有定點(diǎn)多方位采摘、靈活無傷害采摘蘋果及安全傳送等功能，同時(shí)可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，解決勞動(dòng)力不足等問題。

2 采摘機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

2.1 整體結(jié)構(gòu)

可控式蘋果采摘機(jī)包括底座、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰擺轉(zhuǎn)棘輪機(jī)構(gòu)、大臂伸縮及末端執(zhí)行器。底座是一個(gè)剪式升降機(jī)，可在豎直方向水平升降，增加機(jī)械手的采摘范圍。在底座上安裝水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)頂端安裝俯仰擺動(dòng)棘輪機(jī)構(gòu)，棘輪機(jī)構(gòu)再與直線電機(jī)固接，直線電機(jī)后設(shè)計(jì)連接旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用以連接末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器正下方有蘋果輸送管道。本采摘機(jī)利用剪式升降機(jī)與模仿人體手臂設(shè)計(jì)的機(jī)械手相結(jié)合，充分發(fā)揮機(jī)械臂的靈活性，使末端執(zhí)行器能夠在水平面和鉛垂面內(nèi)全方位、多角度轉(zhuǎn)動(dòng)抓取蘋果，從而實(shí)現(xiàn)車停臂動(dòng)靈活采摘，性能強(qiáng)、使用方便。

2.2 各部件介紹

2.2.1 機(jī)械臂伸縮結(jié)構(gòu)

采用電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)機(jī)械臂以及執(zhí)行器末端的伸縮運(yùn)動(dòng)，增加工作行程，同時(shí)電動(dòng)推桿既可以減輕機(jī)械臂重量，又可節(jié)能。

2.2.2 水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

大臂通過一級(jí)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)小臂360°轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪傳動(dòng)精度高、扭矩大。通過旋轉(zhuǎn)力采摘蘋果。

2.2.3 末端執(zhí)行器（爪類型）

材質(zhì)：塑料橡膠。原理：三爪張開，中心接觸蘋果，拉緊鋼絲爪子收緊抓住蘋果，松開鋼絲內(nèi)部彈簧恢復(fù)帶動(dòng)爪子張開。其具有質(zhì)量輕、與蘋果軟接觸、無損傷等特點(diǎn)。

2.2.4 關(guān)節(jié)（棘輪）

關(guān)節(jié)指腰部與大臂連接處，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一定角度擺動(dòng)，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活、角度可控、手動(dòng)控制。

2.2.5 腰部

動(dòng)力源是步進(jìn)電機(jī)。傳動(dòng)方式：一級(jí)斜齒輪傳動(dòng)。具有可360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)、可以任意角度停止、無積累誤差、精度高等特點(diǎn)。

2.2.6 剪式升降結(jié)構(gòu)

動(dòng)力源是24 V直流直線電機(jī)。特點(diǎn)是剪式升降具有結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，伸縮高度可隨意增加，平臺(tái)面積大，穩(wěn)定性好。

2.3 操作方法

首先將蘋果采摘機(jī)放置到要采摘的果樹旁，通過底座連接的剪式升降結(jié)構(gòu)、電動(dòng)推桿、棘輪機(jī)構(gòu)以及一級(jí)齒輪嚙合機(jī)構(gòu)進(jìn)行腰部的水平旋轉(zhuǎn)和末端執(zhí)行器的360°轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)蘋果進(jìn)行旋轉(zhuǎn)采摘。齒輪傳動(dòng)精度高、扭矩大，通過齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)定角度，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)多方位采摘。蘋果采摘機(jī)通過鋼絲的拉伸對(duì)蘋果抓取。采摘機(jī)具有操作簡單、結(jié)構(gòu)靈活、速度可控等特點(diǎn)。通過機(jī)械與電氣綜合控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器各部分運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)控，能夠?qū)λ_定位、靈活無傷害采摘及安全傳送，同時(shí)可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，解決勞動(dòng)力不足等問題。

3 產(chǎn)品特點(diǎn)

產(chǎn)品具有5個(gè)特點(diǎn)。1）多自由度機(jī)械臂對(duì)水果進(jìn)行多角度靈活?yuàn)A緊、采摘及安全輸送。2）操作簡單、結(jié)構(gòu)靈活、速度可控。3）在執(zhí)行器內(nèi)側(cè)附著一層軟質(zhì)彈性材料避免抓力對(duì)果實(shí)的傷害。4）末端工具可以方便拆裝，更換為剪刀可摘取橘子、荔枝等水果。5）應(yīng)用太陽能電池板積蓄能量，給蓄電池充電，提供采摘機(jī)電源，循環(huán)使用，節(jié)省能源。

4 主要零部件設(shè)計(jì)

4.1 主軸設(shè)計(jì)（腰部旋轉(zhuǎn)軸）

4.1.1 最小直徑確定

材料選用：選45號(hào)鋼回火。硬度為170～217HBS;抗拉強(qiáng)度бb=570MPa;屈服強(qiáng)度極限бs=285MPa;彎曲疲勞極限б-1=245MPa;剪切疲勞極限τ-1=135MPa;許用彎曲應(yīng)力[б-1]=55MPa。

圓周扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件：

（1）

由式（1）可得軸的直徑計(jì)算公式：

（2）

注：D為軸的直徑;Wp為抗扭截面系數(shù);T為扭矩;p為功率;n為轉(zhuǎn)速;τ為實(shí)際切應(yīng)力;[τ]為許用切應(yīng)力。

聯(lián)立以上式（1）式（2），代入已知數(shù)據(jù)解得

D≥23 mm，因軸上有鍵槽和螺紋，因此最小直徑d=27mm。

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖1所示）。

第一段：直徑d1=27 mm，加工M27×1.5螺紋，裝鎖緊螺母，l1=34 mm。第二段：螺紋退刀槽d2=23 mm，l2=2 mm。第三段：裝齒輪d3=30 mm，l3=44 mm，齒輪配合選G7/h6。第四段：裝30206圓錐滾子軸承d3=30mm，l4=17.25mm，軸承配合選K7/h6。第五段：d5=34.6mm，l5=250mm。第六段：裝6007深溝球軸承d6=35mm，l6=22.75mm，軸承配合K7/h6。第七段：軸肩d7=41mm，l7=130 mm。第八段：裝棘輪機(jī)構(gòu)部分d8=50 mm，l8=100 mm?？傞Ll=600 mm。

注：di為直徑li為長度。

4.1.2 壓桿穩(wěn)定性校核

主軸長600mm，將關(guān)節(jié)大小臂旋轉(zhuǎn)到最大角度可簡化為在軸的頂端豎直加一工作力P=2 kN，一端固定，另一端自由，故壓桿長度因數(shù)μ=2。材料：45鋼，屈服極限σs=350MPa，比例極限σp=280 MPa，彈性模量E=210 GPa，長度的l=500 mm，最大工作壓力Fmax=2 kN，直徑d=24 mm。

（用歐拉公式計(jì)算臨界應(yīng)力）

λ≥λ1，

臨界壓力

因此符合穩(wěn)定性校核。

注：λ1為壓桿柔度的極限值λ為壓桿的柔度;i為慣性半徑，σcr為臨界應(yīng)力;I為橫截面慣性矩;A為截面面積;E為彈性模量。

5 改進(jìn)方向

當(dāng)前蘋果采摘尚未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，加入智能識(shí)別定位系統(tǒng)，去除人工是采摘機(jī)發(fā)展所要攻克的重要難題。因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境和采摘過程復(fù)雜，所以加大行走的自動(dòng)化，如何做到即走即停、快慢轉(zhuǎn)變、靈活轉(zhuǎn)向是采摘機(jī)推廣的重要前提。

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