高一華，田旭峰，張日紅，楊松夏，朱立學(xué)

（仲愷農(nóng)業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣州510000）

0 引言

香蕉屬高熱量水果，其含有豐富的維生素、淀粉、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，具有廣泛的市場及較高的經(jīng)濟效益。我國作為世界上香蕉生產(chǎn)大國之一，對于香蕉的采收作業(yè)環(huán)節(jié)仍舊處于人工階段，人工采收香蕉通常需要2 人及以上，一或多人負責(zé)托舉保護香蕉果串并進行轉(zhuǎn)運，一人負責(zé)切割香蕉果柄。通常人工采收香蕉需要耗費巨大的人力，勞動強度高、工作效率低且不能保證果串的損傷程度低，這些因素間接影響了香蕉的儲存及保鮮時間，在一定程度上降低了香蕉的經(jīng)濟效益。

隨著科技的進步，香蕉采收裝置也朝著機械化、智能化的方向發(fā)展。目前，已有的香蕉采收裝置包含索道裝置、輔助裝置，而索道采收在我國技術(shù)相對來說比較成熟，在海南、廣西等地都有索道采收香蕉示范園，但索道運輸一般只適用于大規(guī)模香蕉種植園區(qū)，要求較高的前期經(jīng)費投入且利用率較低，而輔助裝置則包括有砍蕉輔助裝置與輸運輔助裝置。這些裝置不僅全程需要人工作業(yè)，且無法保證香蕉的低損采收，還有可能在與裝置接觸時造成香蕉的二次損傷。因此，本文旨在研究一種智能化的香蕉柔性抱持裝置，該裝置能配合采收切割機械手作業(yè)，實現(xiàn)香蕉采收的低損化，提高香蕉采收的自動化、智能化水平。

1 柔性抱持裝置的關(guān)鍵參數(shù)分析

1.1 柔性夾持原則與要求

柔性夾持裝置的作用對象是香蕉果串，而香蕉果串有如下特點：果串質(zhì)量大，個體差異明顯，外形尺寸不一，且果皮容易受到機械損傷。主要參數(shù)如表1所示。

表1 香蕉及其種植主要參數(shù)

根據(jù)香蕉果串的以上特性，柔性夾持裝置具有一定的柔性空間，解決香蕉采摘運輸過程的夾持力過大損傷香蕉、夾持力過小導(dǎo)致香蕉跌落的問題。

香蕉采摘與運輸?shù)娜嵝詩A持輔助裝置，其中夾持機構(gòu)是裝置設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。柔性夾持機構(gòu)由夾爪與柔性材料組成組合作用與人工抱持香蕉類似，需滿足以下原則與要求：無損夾持原則、穩(wěn)定夾持原則。

1.2 四軸調(diào)整機構(gòu)功能要求

四軸調(diào)整平臺用于柔性夾持機構(gòu)的空間位置調(diào)整，以便對不同方向、高度的香蕉進行夾持位置的調(diào)整，具有四個自由度，可以模擬人工砍蕉、運蕉時對香蕉串的定位動作，其功能要求如下：

（1）位置覆蓋功能

能夠滿足不同高度、不同方位的蕉串的定位調(diào)整，柔性夾持機構(gòu)安裝在調(diào)整裝置上，可以實現(xiàn)前后、左右、上下、回轉(zhuǎn)等四個自由度的位置調(diào)整。

（2）同步調(diào)整功能

四軸調(diào)整裝置應(yīng)當(dāng)滿足多軸聯(lián)動如四軸聯(lián)動的功能要求，滿足進行果串夾持時對蕉串位置的快速準(zhǔn)確定位。

2 夾持機構(gòu)設(shè)計與分析

2.1 設(shè)計方案分析與傳動方式選擇

（1）兩種設(shè)計方案的三維建模

根據(jù)柔性夾持機構(gòu)的設(shè)計原則和功能要求，結(jié)合國內(nèi)外夾持機械研究應(yīng)用中產(chǎn)生的實際問題，分析適合用于香蕉柔性夾持的結(jié)構(gòu)，因此分析設(shè)計了兩種夾持機構(gòu)三維設(shè)計方案，并對其進行可行性分析并取優(yōu)，夾持裝置主要有動力部分、傳動部分和夾持部分，傳動機構(gòu)分別采用齒輪傳動與齒條傳動兩種，動力部分則采用電動機。夾持部分是整個機構(gòu)的關(guān)鍵，采用梳狀結(jié)構(gòu)與回轉(zhuǎn)型夾爪結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上設(shè)計原則與機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，使用SolidWorks 2018 建模軟件對柔性夾持進行三維建模，形成A、B 兩種三維模型，如圖1 與2所示。

（2）兩種設(shè)計方案的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

方案A 的傳動方式為齒輪傳動，如圖3 所示，采用豎向安裝的方式，通過電機輸出扭矩，通過聯(lián)軸器與傳感器連接，傳感器獲取扭矩信息的同時通過聯(lián)軸器帶動主動軸，主動軸通過傳動齒輪與從動齒輪的嚙合，將動力輸出到傳動夾爪，傳動夾爪帶動夾持部件執(zhí)行夾持動作。其中，電機與傳感器都有相應(yīng)的支架承重，該結(jié)構(gòu)有利于直接從傳感器輸出電機扭矩，實現(xiàn)電機扭矩的監(jiān)測與控制。

方案B 的傳動方式為齒輪-齒條傳動，如圖4 所示，采用橫向安裝的方式，通過電機帶動聯(lián)軸器連接的傳感器與齒輪，齒輪與齒條嚙合，通過滑輪與爪子連桿，帶動爪子實現(xiàn)對中抱持動作。其中，電機與傳感器通過支架安裝在底板上，降低了裝置重心，提高了電機驅(qū)動的穩(wěn)定性與可靠性，有效的保持電機的扭矩輸出。

（3）兩種設(shè)計方案的優(yōu)缺點分析

圖1 方案A 的三維設(shè)計圖

圖2 方案B的三維設(shè)計圖

圖3 方案A 的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

方案A 的傳動機構(gòu)采用豎向安裝，電機安裝在電機支架上，與扭矩傳感器等通過聯(lián)軸器緊密連接，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省了裝置占地空間。且考慮到了傳感器需要安裝固定，在傳感器支架上設(shè)計了專用固定螺孔，保證傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確與可靠。方案A 從夾爪機構(gòu)上可滿足直徑300-450mm、高度1000mm 以內(nèi)的物體的夾持，適合用于蕉串的夾持，同時，夾爪機構(gòu)簡單，便于安裝布置柔性材料，可以為后續(xù)的研究提供便利。其裝置缺點是整體加工成本高，沒有考慮加工的特殊要求從而進行裝置耗材上的削減，整機笨重，容易導(dǎo)致裝置自身超負荷，應(yīng)當(dāng)改進裝置結(jié)構(gòu)，簡化部分零件的設(shè)計，適當(dāng)減輕機體自重，以便更好的投入加工生產(chǎn)。方案B 的傳動機構(gòu)采用橫向安裝，勝在傳動穩(wěn)定，齒輪齒條傳動比之方案A 的優(yōu)勢在于不容易打滑，整個裝置容易加工，從成本上來說比之方案A 較低，且夾持機構(gòu)采用對中夾持，可以滿足不規(guī)則物體的夾持。方案B的缺點是橫向安裝的傳動方式占用太多空間，該種裝置用于田間香蕉柔性夾持，應(yīng)當(dāng)極大程度上減少橫向空間的占用比例。

圖4 方案B的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對比兩種設(shè)計方案的三維模型，可以直觀的對比分析出兩個方案的優(yōu)劣之處，通過對比分析，方案A 比方案B 更具有可行性，其在空間與傳動上都比方案B 更實際與實用。

方案A 采用回轉(zhuǎn)型夾爪結(jié)構(gòu)，主要針對當(dāng)下香蕉輔助采摘與運輸?shù)娜嵝詩A持存在的問題，對夾持結(jié)構(gòu)進一步簡化，我們擬在方案A 的基礎(chǔ)上，擴展其優(yōu)點，進一步設(shè)計優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)，改掉或改善上述缺點與不足，以期實現(xiàn)香蕉輔助采摘運輸?shù)娜嵝詩A持裝置的研發(fā)。

2.2 夾爪與夾持扭矩計算

方案A 的夾持結(jié)構(gòu)，對蕉串進行夾持時，有幾個關(guān)鍵參數(shù)需要關(guān)注：夾持扭矩、夾持半徑、夾持角度。夾持扭矩指的是夾爪的輸出扭矩，夾持半徑則為蕉串半徑，夾持角度為下圖中的∠BCD。由上文可知，一般香蕉果串長度為800-1000mm，直徑300-450mm，單串香蕉的質(zhì)量可達到25-40kg。方案A 中的夾爪采用回轉(zhuǎn)型夾爪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，可以適應(yīng)不同直徑香蕉果串的夾持。但對于回轉(zhuǎn)型夾爪，在夾持蕉串時會出現(xiàn)定位誤差，夾持定位誤差分析如圖5 所示，當(dāng)二支點的距離a 較大時，偏轉(zhuǎn)角β的大小不易按定位誤差最小的條件來確定，因在抓取半徑較小的香蕉果串時，兩手指的BE 和B'E'邊平行而夾不住香蕉果串。

圖5 兩支點回轉(zhuǎn)型夾爪

為了避免上述情況出現(xiàn)，夾取蕉串的平均半徑，使夾持角度∠BCD=90°，來確定二支點回轉(zhuǎn)型夾爪的偏轉(zhuǎn)角β，即：

對于單支點回轉(zhuǎn)型夾爪，偏轉(zhuǎn)角β按最佳值選取，一般不會出現(xiàn)上述夾不住的情況，只有當(dāng)夾持物體半徑極為懸殊時，如Rmax＞5Rmin的情況下，才可能出現(xiàn)上述類似的情況。夾持轉(zhuǎn)位裝置，采用電機驅(qū)動夾爪，與兩支點回轉(zhuǎn)型夾爪相似，由于香蕉果串半徑為150-225mm，Rmax＜5Rmin，不會出現(xiàn)上述情況，能夠滿足夾持香蕉果串的夾持要求，如圖6 所示，驅(qū)動電機輸出扭矩為T，夾持力為F，μ為摩擦系數(shù)，W 為夾爪與蕉串重量。

圖6 電機輸出扭矩的分析

驅(qū)動電機扭矩：

所以：

已知香蕉串質(zhì)量為25-40kg 之間，夾爪材質(zhì)為304不銹鋼，力臂l=0.39m，查機械設(shè)計手冊得鋼-鋼摩擦系數(shù)為μ=0.15，代入式（1）可得扭矩T 的范圍約為325-520N·m 之間，同時由香蕉受力特性試驗結(jié)果可得三種香蕉表面受力對應(yīng)的極限扭矩分別如表2 所示，可以發(fā)現(xiàn)其所承受的極限扭矩遠遠小于計算所得扭矩，且計算所得扭矩明顯太大，因此考慮在香蕉夾持裝置底部加一個底托，托住蕉串，減少夾爪的夾持壓力，達到減輕裝置輸出扭矩的目的。

表2 不同品種香蕉的極限扭矩

2.3 夾持機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)前文的設(shè)計方案的對比與分析，我們對方案A 進行重新設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在SolidWorks 三維建模軟件中將關(guān)鍵零部件進行結(jié)構(gòu)簡化，如圖7 所示為優(yōu)化后的夾持結(jié)構(gòu)三維模型，為降低夾爪部件的工作負載，增加了香蕉底托，在底部增加了試驗支撐架，可以將夾持機構(gòu)單獨作為一個研究對象進行試驗，夾持機構(gòu)移除試驗支撐架后可通過裝配連接板安裝在四軸調(diào)整機構(gòu)的滑臺上，實現(xiàn)夾持機構(gòu)的空間位置調(diào)整，夾爪部件選用海綿作為柔性夾持材料，降低夾爪對香蕉串表面的機械損傷，保證夾持效果。

圖7 夾持機構(gòu)三維設(shè)計模型

2.4 四軸調(diào)整機構(gòu)設(shè)計

四軸調(diào)整機構(gòu)可以滿足夾持裝置在空間實現(xiàn)4 個自由度的位置變化，分別為前后（X 軸）、左右（Y 軸）、上下（Z 軸）、回轉(zhuǎn)盤四部分，由于香蕉串屬于高位大尺寸水果，調(diào)整機構(gòu)需要滿足一定的工作行程，根據(jù)香蕉種植行距1900mm，株距1600mm 等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，初步擬定工作行程為：上下700mm，左右400mm，前后600mm，回轉(zhuǎn)360°，其總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 調(diào)整機構(gòu)三維模型

3 柔性夾持控制系統(tǒng)平臺

香蕉柔性夾持自動控制就是要快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地對香蕉串實現(xiàn)夾持，本系統(tǒng)使用扭矩傳感器監(jiān)測伺服電機輸出扭矩，用三菱FX5U 系列PLC 作為香蕉柔性夾持的控制器進行自動夾緊控制，用觸摸屏實現(xiàn)可視化操作。因此本控制系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制模塊、夾持模塊、調(diào)整模塊三部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。系統(tǒng)上電后，用戶可以通過觸摸屏選擇控制模式，自動控制模式下輸入目標(biāo)位置參數(shù)，系統(tǒng)控制調(diào)整機構(gòu)到達指定位置，限位行程開關(guān)得電輸出信號，系統(tǒng)啟動夾緊伺服電機開始夾持動作，判斷扭矩到達指定值后電機停轉(zhuǎn)并鎖死，基本程序流程圖如圖10 所示。

圖9 柔性夾持控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)語

為了解決香蕉采摘及運輸過程中的輔助夾持問題，本文在香蕉受力特性試驗的數(shù)據(jù)與實際考察的香蕉種植參數(shù)基礎(chǔ)上，對香蕉柔性夾持裝置與輔助調(diào)整機構(gòu)進行關(guān)鍵參數(shù)分析及設(shè)計，得出了兩種香蕉柔性夾持方案（方案A 和B），并從傳動方式等方面進行方案優(yōu)缺點分析，篩選出用于實際加工的設(shè)計方案，選擇傳動方式為齒輪-齒輪的方案A，經(jīng)計算與實驗結(jié)果分析后，發(fā)現(xiàn)該方案在電機扭矩負載輸出上更適合香蕉果串這類大尺寸的水果夾持；同時本論文還根據(jù)選擇出來的方案A 進行關(guān)鍵參數(shù)分析，對夾爪扭矩進行計算，并對香蕉受力特性進行驗證比對，實驗證明方案A的柔性夾持裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)更加合理性，夾持與低損輸送效果更優(yōu)。

圖10 程序控制流程圖