方海峰 ，王 寧 ，曹 晉 ，吳群彪 ，王明強

（1.江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212100；2.江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院機電與動力工程學(xué)院，江蘇張家港 215600）

0 引言

草莓因味道甜美，營養(yǎng)價值豐富，在國內(nèi)廣泛種植［1-2］，種植面積達10萬公頃，但是為保證草莓食用和外觀品質(zhì)，需在收獲期每日早晚10點鐘采摘成熟果實，勞動強度大，所花費人力成本占草莓種植生產(chǎn)成本的1/4［3］。草莓果實在成熟之后需在最短時間內(nèi)摘下，且由于成熟時間不一致，在果實集中成熟時期勞動強度劇增，因此引入自動化草莓采摘技術(shù)至關(guān)重要，研發(fā)能夠盡快投入使用的實用型草莓采摘機器是目前急需解決的技術(shù)難題。

有研究人員采用的草莓采摘末端執(zhí)行器為氣吸式［4］，或使用有凝膠狀液體袋子包裹以免損害草莓表面［5］。目前較為成熟的技術(shù)主要有Octinion公司采用硅膠抓手的“Strawberry Picker”［6］，但該設(shè)備針對高架栽培的草莓。同樣針對壟作草莓的有美國Robotic Harvesting公司研發(fā)的一種大型草莓采摘機［7］，該設(shè)備直接采用機械臂作為末端執(zhí)行器抓取草莓，對草莓表皮損傷較為嚴重。國內(nèi)針對草莓采摘的研究方向大多為草莓果梗的切斷與草莓的夾持同時進行［8-10］，針對壟作草莓的采摘，羅振華等做了研究［11-13］，但草莓采摘效率仍然較低，無法滿足種植園的草莓采摘效率要求。

本文針對壟作草莓采摘的難點，設(shè)計一種高效壟作草莓采摘裝置，對重點結(jié)構(gòu)進行分析優(yōu)化，并通過試驗驗證設(shè)計的有效性。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

采摘機構(gòu)設(shè)計需考慮3個條件：高效性、低損傷性以及工作穩(wěn)定性。設(shè)計一種新型的草莓采摘裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 草莓采摘裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of strawberry picking device

1.1 剪刀機構(gòu)設(shè)計

夾剪式采摘機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需要高精度的草莓果梗定位與之配合，同時效率較低?？紤]到經(jīng)濟性、高效性以及實用性，選用小型剪刀將草莓果梗剪斷。為實現(xiàn)自動化控制，小型剪刀的開合由電機驅(qū)動，通過曲柄連桿機構(gòu)將電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為剪刀的往復(fù)擺動即剪刀的開合運動。

1.2 圖像采集機構(gòu)設(shè)計

圖像采集采用OV7725攝像頭，其位于輸送鏈正上方，圖像采集范圍包括輸送鏈的整體寬度范圍，以保證將位于輸送鏈上的不同果梗長度的草莓全部識別。

1.3 輸送鏈機構(gòu)設(shè)計

為使果梗呈現(xiàn)較好的姿態(tài)，使剪刀易于將其剪斷，使用輸送鏈作為草莓運輸平臺，不僅為草莓果梗剪斷提供較好的位置，也提高草莓成熟度識別速度及精度。輸送鏈以電機作為驅(qū)動。

1.4 拾取機構(gòu)設(shè)計

將草莓通過拾取機構(gòu)由田壟上拾取至輸送鏈上，該機構(gòu)為圓形滾筒，前端有突出的拾取塊，能夠平緩地將草莓由田壟拾取至輸送帶鏈上。

2 關(guān)鍵部件分析

2.1 分析模型

對地壟式自動化草莓采摘裝置進行三維建模，如圖2所示。根據(jù)使用要求以及工作條件，采摘裝置的多個部件會存在過早疲勞失效、變形過大或?qū)﹄姍C造成沖擊損傷等問題，因此對關(guān)鍵部件進行仿真，以驗證設(shè)計的有效性。

圖2 草莓采摘裝置三維模型Fig.2 3D model of strawberry picking device

2.2 前端拾取塊疲勞分析

根據(jù)拾取機構(gòu)的工作過程，前端拾取塊會多次與草莓碰撞接觸，形成周期應(yīng)力作用，因此對其進行疲勞壽命分析。前端拾取塊與草莓接觸力較小，兩者之間可視為剛性接觸，則拾取過程為草莓的重力作用于前端拾取塊上。因此，應(yīng)力分析模型可簡化為1個草莓的重量作用于前端拾取塊之上，由于接觸面積的不確定性以及亞克力板材料的硬度較大，可將草莓的重力替換為均布并垂直于前端拾取塊接觸表面的作用力［14-15］。

圖3所示前端拾取塊的三維模型，為亞克力板材料切割而成。亞克力板材料為丙烯酸，其彈性模量為2.4E9 Pa，泊松比為0.35。

圖3 前端拾取塊三維模型Fig.3 3D model of front-end picking block

成熟草莓的平均重量為25 g，則上側(cè)扇形表面載荷為0.245 N，小矩形面分別對不同方向進行限制，作為邊界條件。經(jīng)過查閱文獻，獲得1組丙烯酸結(jié)構(gòu)膠S-N曲線如圖4所示［16］。

圖4 丙烯酸S-N曲線Fig.4 Acrylic acid S-N curve

恒定振幅載荷疲勞分析，于Ansys中選擇載荷加載方式為對稱循環(huán)載荷，比例系數(shù)為10，表明將靜力學(xué)的載荷放大10倍，即對稱循環(huán)載荷的最大施加拉力為2.45 N，最小為-2.45 N。疲勞載荷示意如圖5所示。

圖5 疲勞載荷變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of fatigue load change

參數(shù)設(shè)置完成后，計算求解得到前端拾取塊的安全系數(shù)云圖，如圖6（a）所示。安全系數(shù)最低位置為矩形塊于扇形面區(qū)域的交界處，即此位置在周期交變載荷作用下，最易由疲勞引起零件失效。

圖6（b）為周期作用力下的交替等效應(yīng)力圖，同樣顯示零件應(yīng)力最大位置為矩形塊與扇形塊接觸的位置。

圖6（c）所示為零件疲勞敏感度曲線。分析結(jié)果顯示在0.245 N的作用力下，前端拾取塊能夠承受106次以上循環(huán)作用力，符合設(shè)計要求。

圖6 前端拾取塊疲勞分析結(jié)果Fig.6 Fatigue analysis results of front-end picking block

2.3 剪刀機構(gòu)分析

剪刀與攝像頭配合完成草莓的采摘。從攝像頭采集圖像至單片機成熟度判斷完成，期間草莓采摘設(shè)備以及輸送鏈始終在前進，需要對摘取機構(gòu)中的剪刀開合時間與速度進行精確的參數(shù)化，因此對摘取機構(gòu)進行運動學(xué)分析。除此之外，當剪刀開始切斷果梗時會對驅(qū)動電機形成瞬間沖擊，驅(qū)動電機功率瞬間增大，有可能會損壞電機，或者電機功率無法驅(qū)動剪刀將草莓果梗剪斷，因此還需對摘取機構(gòu)進行動力學(xué)分析。

將模型導(dǎo)入Adams后添加固定以及轉(zhuǎn)動副，同時將各零件的密度設(shè)置完成，方便后續(xù)動力學(xué)研究［17］。通過軟件功能將圖標大小修改至合適尺寸，方便零件選取以及觀察仿真動畫時更加簡潔。添加完成的模型如圖7所示。

圖7 模型導(dǎo)入完成圖Fig.7 Model import completion diagram

進行運動學(xué)分析時，將電機運動速度設(shè)置為80 rad/min，將剪刀的角速度作為輸出，可得圖8。剪刀的角速度以0.786 s/周期運動，剪刀由初始閉合狀態(tài)角速度為0，至完全打開角速度再次為0的時間間隔為0.51 s；由完全打開至閉合回到初始狀態(tài)時間間隔為0.276 s。當每周期運動至84.733%時，剪刀速度運動至最大。

圖8 電機勻速輸入時剪刀輸出的角速度Fig.8 The output angular velocity of the scissors with constant motor input

初始狀態(tài)運動0.666 s后角速度最大，剪刀可在此時剪斷果梗。于是根據(jù)輸送鏈運動速度、攝像頭采集圖像傳輸以及判斷成熟度速度等因素，使果梗在摘取機構(gòu)運動0.666 s左右時處于剪刀剪斷位置，則可提高果梗剪斷的成功率。

除此之外還需研究電動機在果梗剪斷時瞬間阻力增大造成的沖擊影響，若沖擊過大則會使電機損壞［18］。因此在Adams中根據(jù)函數(shù)關(guān)系式，于剪刀旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動副上建立阻力矩。果梗造成的阻力矩為0.175 N·m，其作用時刻為每個周期開始后第0.666 s。同時考慮到草莓果梗在被剪斷前以及剪斷后的一段時間內(nèi)停留在剪刀位置處。根據(jù)以上規(guī)律構(gòu)建阻力矩的作用式如下：

式中time——時間變量，min。

A的函數(shù)圖像如圖9所示。

圖9 A-time函數(shù)圖像Fig.9 The graph of the A-time function

使用Adams函數(shù)庫中的條件函數(shù)IF（Expr1，Expr2，Expr3，Expr4），其中，

Expr1：計算的表達式；

Expr2：若Expr1的值＜0，返回Expr2的值；

Expr3：若Expr1=0，返回Expr3 的值；

圖10 剪刀阻力矩變化圖Fig.10 Variation of scissors resistance moment

根據(jù)動力學(xué)求解，可得由剪刀阻力矩變化導(dǎo)致的驅(qū)動電機所受沖擊效果，并根據(jù)電機轉(zhuǎn)動角速度，可得由阻力矩沖擊引起的功率突變曲線如圖11所示。

圖11 電機功率圖Fig.11 Motor power diagram

正常工作時，電機功率為1.6 W，扭矩為0.2 N·m；當剪斷果梗時，電機功率突增至3.829 W，扭矩增至0.4 N·m，而電機在堵轉(zhuǎn)時的最大扭矩為1.6 N·m。因此該型號電機能夠為剪斷果梗提供足夠的扭矩，同時電機功率突變時不會對電機造成損壞，設(shè)計有效。

3 測試結(jié)果分析

在實驗室內(nèi)測試采摘機構(gòu)的采摘效果。分別使用紅色草莓模型與綠色草莓模型代表成熟草莓與未成熟草莓，使用具有一定硬度的線材模擬草莓果梗，將自動化草莓采摘裝置駛在特制的草莓田壟上，模擬現(xiàn)場采摘環(huán)境，如圖12（a）所示。

拾取草莓的過程中存在拾取不成功的情況。通過觀察發(fā)現(xiàn)，由于輸送鏈之上的隔板間隔較大，導(dǎo)致草莓由拾取機構(gòu)落下時無法落至輸送鏈上，從而無法拾取草莓。

在地壟型草莓種植環(huán)境下進行測試。將自動化草莓采摘裝置駛?cè)胩飰胖g，由設(shè)備自動完成草莓的采摘，如圖12（b）所示。

圖12 采摘設(shè)備測試Fig.12 Picking equipment for strawberry garden testing

由于測試時間處于草莓最后一季收獲之后，草莓數(shù)量不多且多數(shù)草莓已經(jīng)熟透，因此對測試數(shù)據(jù)具有一定的影響。

經(jīng)過實地測試之后得到測試數(shù)據(jù)，與實驗室內(nèi)的測試數(shù)據(jù)進行對比得到表1。

表1 采摘機構(gòu)測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of picking mechanism

正常人工采摘的效率為40顆/min，目前采摘機構(gòu)能夠達到的采摘效率為35顆/min。相對于人工，機械的優(yōu)勢在于能夠持續(xù)工作，夜間在采摘機構(gòu)上添加燈光提供照明則可在夜間工作。因此自動化草莓采摘裝置能夠有效代替人工產(chǎn)生勞動價值。

4 結(jié)語

為解決種植草莓采摘效率慢的問題，設(shè)計一種地壟式自動化的高效草莓采摘裝置，可得：（1）草莓采摘裝置通過拾取機構(gòu)、輸送機構(gòu)、識別機構(gòu)與剪刀機構(gòu)的配合完成草莓的高效采摘；（2）對采摘過程中的關(guān)鍵部件進行相應(yīng)的仿真分析，驗證設(shè)計的有效性；（3）經(jīng)過實驗室內(nèi)測試以及草莓園實地測試結(jié)果顯示，所設(shè)計的草莓采摘裝置能夠高效地代替人工完成草莓的采摘，設(shè)計有效。