傅 旻，李晨曦，鄭兆啟

（1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300222；2.天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

我國(guó)是菠蘿的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。近年來，國(guó)內(nèi)菠蘿的年均消費(fèi)量以7.5%的速度增長(zhǎng)［1］，種植面積不斷增加，如何提高菠蘿的產(chǎn)量和采摘收集效率是目前亟待解決的實(shí)際問題。由于菠蘿植株及其果實(shí)的結(jié)構(gòu)特殊，目前菠蘿的采摘作業(yè)仍以人工為主，整個(gè)采摘作業(yè)需要的人力成本占菠蘿生產(chǎn)總成本的40%［2-3］?？傮w而言，目前菠蘿產(chǎn)業(yè)存在人工勞動(dòng)強(qiáng)度較大及采摘效率低的問題，需使用機(jī)械采摘設(shè)備來解決這些問題。

目前，許多學(xué)者已針對(duì)果實(shí)采摘機(jī)械進(jìn)行了大量研究。例如：張西成等［4］設(shè)計(jì)了一種純機(jī)械式手持菠蘿機(jī)械采摘手，該機(jī)械手利用鋸齒型剪來剪斷菠蘿果柄，同時(shí)配合人手腕進(jìn)行左右掰動(dòng)，以完成采摘?jiǎng)幼?，其缺點(diǎn)是采摘過程中仍需投入較多人力；崔冰艷等［5］采用蒙特卡洛法對(duì)菠蘿采摘機(jī)械手進(jìn)行了工作空間分析，完成了菠蘿采摘機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)；趙云偉等［6］設(shè)計(jì)了帶有柔性機(jī)械臂的多自由度果蔬采摘機(jī)械手，該機(jī)械手以氣動(dòng)彎曲型柔性裝置為驅(qū)動(dòng)器，可采摘多種果蔬，其缺點(diǎn)是對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求較高；姬偉等［7］提出了一種果蔬采摘機(jī)器人抓取力矩的控制方法，可以有效減少采摘過程中機(jī)器人末端執(zhí)行器對(duì)果蔬的損壞；劉錚等［8］提出了一種可旋轉(zhuǎn)升降型履帶式果蔬采摘機(jī)構(gòu)，可以完成大批量果蔬的采摘工作；孫意凡等［9］設(shè)計(jì)了一種果實(shí)采摘機(jī)器人，該機(jī)器人利用雙目立體視覺技術(shù)對(duì)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別并通過導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位，可用于普通溫室的果實(shí)采摘。

綜上所述，現(xiàn)有菠蘿采摘機(jī)的數(shù)量較多且能夠進(jìn)行大規(guī)模采摘，但是這些菠蘿采摘機(jī)普遍存在體型龐大、難以攜帶及小范圍采摘靈活性不強(qiáng)等問題，仍需進(jìn)行改善設(shè)計(jì)。此外，目前我國(guó)絕大多數(shù)菠蘿果園仍采用分散栽培、分戶管理的生產(chǎn)模式［10］，大型菠蘿采摘機(jī)械并不完全適用。因此，需設(shè)計(jì)一種實(shí)用、簡(jiǎn)易且成本低的機(jī)械輔助半自動(dòng)菠蘿采摘機(jī)［11］。

基于此，筆者提出了一種新型半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)的設(shè)計(jì)方案，該采摘收集機(jī)采用太陽能供電模式，人工輔助采摘，能夠完成菠蘿的定位、采摘和收集等一系列動(dòng)作。首先，對(duì)菠蘿采摘收集機(jī)的整體及關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。然后，運(yùn)用Solid-Works中的Motion模塊、Simulation模塊和MATLAB軟件，對(duì)菠蘿采摘收集機(jī)的剪式升降機(jī)構(gòu)、凸輪主軸和收集槽進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和靜力學(xué)分析。最后，通過采摘收集試驗(yàn)來驗(yàn)證該采摘收集機(jī)的可行性。

1 菠蘿采摘收集機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

菠蘿樹屬于多年生單子葉常綠草本果樹，矮生，莖短，葉多且絕大多數(shù)具有蓮座狀葉叢。以福建程溪菠蘿為例，多采用三行單株排列方式種植，即每畦種植3行菠蘿樹，畦內(nèi)菠蘿樹行距約為300 mm，畦面整體寬度約為1 100 mm，畦與畦之間留有寬度約為350 mm的土溝，畦長(zhǎng)依據(jù)具體地形而定；菠蘿樹在畦長(zhǎng)方向上的株距約為400 mm；菠蘿果實(shí)距地面約為500～700 mm。

根據(jù)上述菠蘿種植方式，參考國(guó)內(nèi)外菠蘿采摘機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定了適用于我國(guó)菠蘿采摘的作業(yè)形式。如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的菠蘿采摘收集機(jī)整體采用龍門式結(jié)構(gòu)，作業(yè)方式為“騎壟式”，采用“蛇形”行進(jìn)路線，通過采摘機(jī)械手對(duì)菠蘿果實(shí)進(jìn)行擰取式采摘。該菠蘿采摘收集機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式為手推式，其運(yùn)動(dòng)部件采用電力驅(qū)動(dòng)，以由太陽能電池板充電的蓄電池作為動(dòng)力源。

圖1 半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)作業(yè)原理Fig.1 Operation principle of semi-automatic screw type pineapple picking-collecting machine

由菠蘿種植方式和菠蘿采摘作業(yè)形式可知，半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)的具體設(shè)計(jì)要求如下：

1）采摘收集機(jī)龍門框架的寬度應(yīng)大于畦面寬度，高度應(yīng)高于菠蘿樹的高度；

2）采摘收集機(jī)采摘機(jī)械爪的高度應(yīng)具有可調(diào)性，調(diào)節(jié)范圍應(yīng)根據(jù)菠蘿果實(shí)距地面的高度范圍確定，以適應(yīng)高度參差不齊的菠蘿果實(shí)的采摘；

3）采摘收集機(jī)采摘機(jī)械爪應(yīng)有粗調(diào)和微調(diào)功能，以便快速定位菠蘿果實(shí)的位置；

4）采摘收集機(jī)應(yīng)有收集系統(tǒng)，以減輕果農(nóng)的負(fù)擔(dān)；

5）菠蘿地比較疏松，采摘收集機(jī)應(yīng)有特殊結(jié)構(gòu)，以防止陷入。

基于上述設(shè)計(jì)要求，確定半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：空載質(zhì)量約為100 kg，機(jī)身尺寸為1 690 mm×700 mm×1 300 mm，采摘機(jī)械爪的高度調(diào)節(jié)范圍為500～800 mm，最小轉(zhuǎn)彎半徑約為2 000 mm；前輪為萬向輪，后輪采用雙輪并排式結(jié)構(gòu)。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)主要由以下2個(gè)系統(tǒng)組成。

1）采摘系統(tǒng)。采摘系統(tǒng)主要用于完成對(duì)菠蘿果實(shí)的定位、采摘?jiǎng)幼?，包括升降機(jī)構(gòu)、爪臂平移機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)械爪三個(gè)部分。

①升降機(jī)構(gòu)。采用X形一級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)，利用其平行位移放大原理［12］實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械爪的高度調(diào)節(jié)。

②爪臂平移機(jī)構(gòu)。采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械爪在X和Y方向上的移動(dòng)，其中X方向的移動(dòng)量較大，采用導(dǎo)程為15 mm的雙線滾珠絲杠（主絲杠）進(jìn)行人工調(diào)節(jié)；Y方向的移動(dòng)量較小，采用導(dǎo)程為10 mm的雙線滾珠絲杠（副絲杠）進(jìn)行調(diào)節(jié)，由轉(zhuǎn)速為150 r/min的微型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

③采摘機(jī)械爪。采用市場(chǎng)上常見的開合式機(jī)械爪作為采摘機(jī)械爪，其開合動(dòng)作由微型舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，開合角度為0°～180°。安裝在爪臂平移機(jī)構(gòu)上的采摘機(jī)械爪有4個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)在三維空間內(nèi)的位姿變換［13］。

2）收集系統(tǒng)。收集系統(tǒng)主要用于執(zhí)行對(duì)菠蘿果實(shí)的收集動(dòng)作，由平底擺動(dòng)凸輪、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和收集槽組合而成。

結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理［14］，使收集系統(tǒng)與采摘系統(tǒng)相互配合，依次完成相應(yīng)動(dòng)作。

1.3 供電設(shè)計(jì)

圖2 半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of semi-automatic screw type pineapple picking-collecting machine

半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件由電力驅(qū)動(dòng)，選用蓄電池作為動(dòng)力源，并采用太陽能電池板為蓄電池充電。在設(shè)計(jì)太陽能電池板和蓄電池容量時(shí)，在滿足采摘收集機(jī)日常所需電量的前提下，選用數(shù)量最少的太陽能電池板和蓄電池組合，以提升整體經(jīng)濟(jì)性。所選太陽能電池板的型號(hào)為XTL180-12，功率為180 W；蓄電池的型號(hào)為A412/90A。半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)各電機(jī)的型號(hào)與功率如下：

1）驅(qū)動(dòng)剪式升降機(jī)構(gòu)的直流推桿電機(jī)（2個(gè)）的型號(hào)為L(zhǎng)X600，功率為30 W；

2）爪臂平移機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)副絲杠移動(dòng)的微型交流電機(jī)的型號(hào)為51K40A-CF，功率為40 W；

3）驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械爪旋轉(zhuǎn)的微型減速交流電機(jī)的型號(hào)為38GX3865-12V-30，功率為15 W；

4）驅(qū)動(dòng)收集系統(tǒng)的小型齒輪減速電機(jī)的型號(hào)為51K60A-CF，功率為60 W。

半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)的各電機(jī)并聯(lián)，各電機(jī)獨(dú)立工作、互不影響，總功率P總=30×2+40+15+60=175W。

1.4 操作步驟

所設(shè)計(jì)的菠蘿采摘收集機(jī)主要面向不具備豐富機(jī)電知識(shí)的小規(guī)模種植戶，因此采用人工輔助操作的半自動(dòng)設(shè)計(jì)，以達(dá)到簡(jiǎn)化操作的目的。該半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)的具體操作步驟為：

1）通過人工輔助推動(dòng)采摘收集機(jī)移至需要采摘的菠蘿樹上端進(jìn)行粗定位。

2）在完成粗定位后，首先調(diào)節(jié)爪臂平移機(jī)構(gòu)，搖動(dòng)手輪驅(qū)動(dòng)主絲杠，使得采摘機(jī)械爪位于菠蘿果實(shí)上方；然后調(diào)節(jié)剪式升降機(jī)構(gòu)直至采摘機(jī)械爪下降至菠蘿果實(shí)附近后停止；最后按動(dòng)微調(diào)開關(guān)進(jìn)行位置微調(diào)，使采摘機(jī)械爪接觸并夾緊菠蘿果實(shí)。

3）在采摘機(jī)械爪夾緊菠蘿果實(shí)后，按下啟動(dòng)按鈕，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械爪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，以開始采摘菠蘿果實(shí)。

4）在完成采摘后，利用平底擺動(dòng)凸輪和曲柄滑塊組合機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)采摘機(jī)械爪和收集槽進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，采摘機(jī)械爪抬高至收集槽上端后松開，將菠蘿果實(shí)放入收集槽內(nèi)，完成菠蘿果實(shí)的收集。

5）完成收集后，采摘機(jī)械爪復(fù)位，收集槽退回，人工推動(dòng)采摘收集機(jī)移動(dòng)下一個(gè)菠蘿果實(shí)上端。

如此重復(fù)循環(huán)上述步驟，完成菠蘿果實(shí)的采摘和收集。

2 菠蘿采摘收集機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 采摘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)菠蘿采摘收集機(jī)升降機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮質(zhì)量小、強(qiáng)度高、升降平穩(wěn)且拆卸更換方便等要求。基于上述要求，選用工程上廣泛使用的X形剪式升降機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。剪式升降機(jī)構(gòu)的材料為APS-8-3030型工業(yè)鋁型材，長(zhǎng)度為620mm，其獨(dú)特的截面結(jié)構(gòu)不僅使其具有較高的抗彎強(qiáng)度，而且能減小自身重力。菠蘿采摘收集機(jī)升降機(jī)構(gòu)由水平放置的直線推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直線推桿電機(jī)的空載移動(dòng)速度v=9mm/s，最大推力F=3000N。

圖3 X形剪式升降機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 3D structure diagram of X-shaped scissor lifting mechanism

X形剪式升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示，其運(yùn)動(dòng)過程可以看作：直線推桿電機(jī)推動(dòng)滑塊4沿X方向移動(dòng)，使得構(gòu)件2和構(gòu)件3同時(shí)繞B點(diǎn)擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)構(gòu)件1沿Y方向移動(dòng)。因構(gòu)件2與構(gòu)件1的右側(cè)端點(diǎn)始終重合于A點(diǎn)，由X形剪式升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性可知，當(dāng)構(gòu)件1作平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，其上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性均相同，故可用A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性來描述構(gòu)件1的運(yùn)動(dòng)特性。

圖4 X形剪式升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.4 Movement diagram of X-shaped scissor lifting mechanism

1）位移分析。

如圖4所示，以C點(diǎn)為原點(diǎn)，DC為X軸建立直角坐標(biāo)系。構(gòu)建矢量三角形CAB，對(duì)剪式升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移分析，可得：

式中：lCB表示B點(diǎn)相對(duì)于C點(diǎn)的位移；lCA表示A點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)的位移；lCA表示A點(diǎn)相對(duì)于C點(diǎn)的位移。

由圖4中的幾何關(guān)系可得：

式中：lCB表示B點(diǎn)相對(duì)于C點(diǎn)位移的大??；lBA表示A點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)位移的大??；lCA表示A點(diǎn)相對(duì)于C點(diǎn)位移的大??；α表示X軸與構(gòu)件3之間的夾角；L表示構(gòu)件3的長(zhǎng)度。

2）速度分析。

構(gòu)件2作平面運(yùn)動(dòng)，由基點(diǎn)法［15］可得：

式中：vA表示A點(diǎn)的速度；vD表示D點(diǎn)的速度；vAD表示A點(diǎn)相對(duì)于D點(diǎn)的速度。

vA的大小未知，方向垂直于X軸；vD的大小為9 mm/s，方向垂直于Y軸；vAD的大小未知，方向垂直于構(gòu)件2。

根據(jù)速度投影定理可得：

由此解得：

由于vAD=LωAD，可得：

式中：vA表示A點(diǎn)速度的大?。籿D表示D點(diǎn)速度的大??；vAD表示A點(diǎn)相對(duì)于D點(diǎn)速度的大??；ωAD表示構(gòu)件2角速度的大小。

3）加速度分析。

構(gòu)件2作平面運(yùn)動(dòng)，由基點(diǎn)法可得：

式中：aA表示A點(diǎn)的加速度；aD表示D點(diǎn)的加速度；表示A點(diǎn)繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的法向加速度；表示A點(diǎn)繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的切向加速度。

aA的大小未知，方向垂直于X軸；由于vD為常量，則aD的大小為0 mm/s2；的大小為，方向沿構(gòu)件2方向；的大小未知，方向垂直于構(gòu)件2。

將各加速度沿平行于構(gòu)件2方向投影，可得：

則可得：

為更清楚地表示圖4中構(gòu)件2上A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性，利用SolidWorks軟件中的Motion模塊繪制A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性曲線，如圖5所示。由圖5可知，X形剪式升降機(jī)構(gòu)的工作過程較為穩(wěn)定，雖然其加速度曲線存在“尖點(diǎn)”，有一定的柔性沖擊，但沖擊極小，滿足工作要求。

圖5 X形剪式升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性曲線Fig.5 Movement characteristics curves of X-shaped scissor lifting mechanism

2.1.2 爪臂平移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)械爪沿X、Y方向的移動(dòng)由絲杠螺母機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其中主絲杠由人工手搖驅(qū)動(dòng)，副絲杠由微型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)采用環(huán)氧板。為節(jié)省空間，副絲杠與微型交流電機(jī)通過傳動(dòng)比為1∶1的傳動(dòng)鏈連接。爪臂平移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 爪臂平移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Structure diagram of claw arm translation mechanism

2.1.3 采摘機(jī)械爪設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的菠蘿采摘收集機(jī)的采摘方式為擰取式。安裝在爪臂平移機(jī)構(gòu)上的采摘機(jī)械爪采用開合式機(jī)械爪，同時(shí)將轉(zhuǎn)速為30 r/min的微型減速交流電機(jī)與采摘機(jī)械爪相連，通過微型減速交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)采摘機(jī)械爪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)采摘?jiǎng)幼鳌?/p>

在選取采摘機(jī)械爪時(shí)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低加工成本，選擇成品機(jī)械爪（質(zhì)量為186 g）。該機(jī)械爪的開合角度為0°～180°，可用于夾取形狀、大小不同的菠蘿果實(shí)。采摘機(jī)械爪與菠蘿果實(shí)接觸的部位呈柵欄狀，這既減小了機(jī)械爪的自重，又可與菠蘿果實(shí)外部紋理相配合以加大夾緊力。采摘機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖7所示。

圖7 采摘機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)及尺寸Fig.7 Structure and size of picking mechanical claw

2.2 收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于菠蘿的莖比較粗且其葉子大而密，為防止菠蘿的莖和葉子對(duì)菠蘿果實(shí)的收集造成影響，設(shè)計(jì)的收集槽必須高于菠蘿莖。在采摘收集菠蘿果實(shí)時(shí)，先利用采摘機(jī)械爪將菠蘿果實(shí)從其莖上擰斷，再通過各機(jī)構(gòu)間的相互配合運(yùn)動(dòng)將擰下的菠蘿果實(shí)抬高后放入收集槽中。為了實(shí)現(xiàn)上述過程，采用“凸輪機(jī)構(gòu)+曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”組合，通過嚴(yán)格的相位配合，保證采摘?jiǎng)幼骱褪占瘎?dòng)作互不干涉。選用51K60A-CF型小型齒輪減速電機(jī)作為收集系統(tǒng)的主電機(jī)，其轉(zhuǎn)速為10r/min，容許轉(zhuǎn)矩為19.6N?m；通過鏈傳動(dòng)將電機(jī)動(dòng)力傳遞給凸輪主軸。收集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8 收集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Structure diagram of collection system

2.2.2 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

以凸輪為定標(biāo)件，設(shè)計(jì)收集系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖9所示。

圖9 收集系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)Fig.9 Motion cycle of collection system

收集系統(tǒng)的凸輪選用平底擺動(dòng)凸輪［16］，其在工作過程中的壓力角始終為0°，極大地提高了傳動(dòng)效率。根據(jù)采摘設(shè)計(jì)要求，得到了平底擺動(dòng)凸輪的設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1），再結(jié)合擺桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可反推出該凸輪的輪廓曲線，如圖10所示。

表1 平底擺動(dòng)凸輪的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of flat-bottomed oscillating cam

圖10 平底擺動(dòng)凸輪的輪廓曲線Fig.10 Contour curve of flat-bottomed oscillating cam

利用SolidWorks軟件對(duì)平底擺動(dòng)凸輪的主軸進(jìn)行三維實(shí)體建模，定義主軸的材料屬性為：材料為45#鋼，密度ρ=7.8×103kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比λ=0.28，屈服強(qiáng)度σs≥355MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥600MPa，伸長(zhǎng)率δs=16%，斷面收縮率ψ=40%。鑒于凸輪主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中主要承受轉(zhuǎn)矩作用，對(duì)其施加扭矩載荷后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立如圖11所示的有限元模型。利用Simulation模塊對(duì)平底擺動(dòng)凸輪主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到主軸在受載時(shí)的應(yīng)力、位移、應(yīng)變分布規(guī)律［17］。為真實(shí)反映主軸的變形情況，將變形比例因子設(shè)為1，結(jié)果如圖12所示。

圖11 平底擺動(dòng)凸輪主軸有限元模型Fig.11 Finite element model of flat-bottomed oscillating cam spindle

圖12 平底擺動(dòng)凸輪主軸靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.12 Static analysis results of flat-bottomed oscillating cam spindle

由圖12可知，在加載扭矩載荷的情況下，平底擺動(dòng)凸輪主軸的最大應(yīng)力為75.44 MPa，遠(yuǎn)小于其屈服極限，滿足工作要求。同時(shí)，凸輪主軸的最大位移為0.36 mm，最大應(yīng)變?yōu)?.06×10-4，亦滿足工作要求［18-19］。

2.2.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是收集系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為了使收集槽和采摘機(jī)械爪實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)且互不干涉，令滑塊的行程為180 mm；考慮到系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)限制以及凸輪主軸與爪臂平移機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系，確定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的偏距e=415 mm；為了使收集槽在回程時(shí)能夠快速退回，令曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)Kc=1.2，由此可得其極位夾角θ為［14］：

利用Auto CAD軟件，按給定行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)原理如圖13所示。

圖13 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理Fig.13 Design principle of crank slider mechanism

根據(jù)分析可知，當(dāng)曲柄位于圖13所示的I2或I3處時(shí)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角最小。利用Auto CAD軟件中的測(cè)量工具測(cè)量曲柄和連桿的實(shí)際長(zhǎng)度，以對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角進(jìn)行校核。經(jīng)測(cè)量得：曲柄長(zhǎng)度r=89 mm，連桿長(zhǎng)度l=748 mm，計(jì)算可得曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角γmin=36°。由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的受力較小，該最小傳動(dòng)角能保證其傳力性能良好［14］，滿足工作要求。

2.2.4 收集槽運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

通過上述分析計(jì)算，得到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表2所示。

表2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of crank slider mechanism

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖14所示。鑒于收集槽固結(jié)在滑塊上，為了簡(jiǎn)化分析，將收集槽轉(zhuǎn)化為滑塊上的點(diǎn)K進(jìn)行研究。采用復(fù)數(shù)矢量法對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，以得到收集槽的運(yùn)動(dòng)特性。當(dāng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至如圖14所示位置時(shí)，以H點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，其中桿HI表示曲柄，桿IK表示連桿，曲柄方位角θ1和連桿方位角θ2均定義為從X軸開始沿順時(shí)針方向?yàn)檎?/p>

圖14 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.14 Motion diagram of crank slider mechanism

1）位移分析。

根據(jù)復(fù)數(shù)矢量法，得到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)位移的封閉矢量方程：

式中：lHI表示I點(diǎn)相對(duì)于H點(diǎn)的位移；lIK表示K點(diǎn)相對(duì)于I點(diǎn)的位移；le表示H點(diǎn)相對(duì)于K點(diǎn)的垂直位移；XK表示K點(diǎn)相對(duì)于H點(diǎn)的水平位移。

將式（4）改寫并表示為復(fù)數(shù)矢量形式：

式中：lHI表示曲柄的長(zhǎng)度；lIK表示連桿的長(zhǎng)度；XK表示K點(diǎn)相對(duì)于H點(diǎn)的水平位移的大小。

應(yīng)用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ將式（5）的實(shí)部和虛部分離，可得：

通過求解式（6）可得：

將式（8）及l(fā)HI=r=89mm，lIK=l=748mm，e=415mm代入式（7），解得：

2）速度分析。

連桿作平面運(yùn)動(dòng)，由基點(diǎn)法得：

式中：vK表示K點(diǎn)的速度；vI表示I點(diǎn)的速度；vKI表示K點(diǎn)相對(duì)于I點(diǎn)的速度。

vK的大小未知，方向垂直于Y軸；vI的大小為ωr，方向垂直于曲柄；vKI的大小未知，方向垂直于連桿。

將各速度沿平行于Y軸方向投影，可得：

由此可解得：

式中：vK表示K點(diǎn)速度的大??；vI表示I點(diǎn)速度的大??；vKI表示K點(diǎn)相對(duì)于I點(diǎn)的速度的大?。沪豄I表示連桿角速度的大小。

將各速度沿平行于連桿方向投影，可得：

3）加速度分析。

由基點(diǎn)法得出點(diǎn)K的加速度：

式中：aK表示K點(diǎn)的加速度；aI表示I點(diǎn)的加速度；表示K點(diǎn)繞I點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的法向加速度；表示K點(diǎn)繞I點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的切向加速度。

aK的大小未知，方向垂直于Y軸；aI的大小為ω2r，方向沿曲柄指向H；的大小為，方向沿連桿指向I；的大小未知，方向垂直于連桿。

將各加速度沿平行于連桿方向投影，可得：

解得：

式中：aK表示K點(diǎn)加速度的大??；aI表示I點(diǎn)加速度的大小。

將具體參數(shù)代入式（12）后可得：

為了更清楚地分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，利用MATLAB軟件繪制一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)收集槽的運(yùn)動(dòng)特性曲線［20］，如圖15所示。同時(shí)，借助計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，求解收集槽在各時(shí)刻的位移、速度和加速度，結(jié)果如表3所示。

圖15 收集槽的運(yùn)動(dòng)特性曲線Fig.15 Motion characteristics curves of collecting tank

表3 不同時(shí)刻下收集槽的位移、速度和加速度Table 3 Displacement,velocity and acceleration of collecting tank at different times

由圖15可以看出，半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)的收集槽可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，無劇烈振動(dòng)現(xiàn)象，能滿足工作要求。

3 菠蘿采摘收集試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)的樣機(jī)如圖16所示。為了驗(yàn)證該菠蘿采摘收集機(jī)的工作穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)行了菠蘿采摘收集試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬菠蘿的種植方式，進(jìn)行一系列重復(fù)隨機(jī)試驗(yàn)，采摘收集試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖17所示。設(shè)置以采摘收集5，10，15個(gè)菠蘿果實(shí)為目標(biāo)的3組試驗(yàn)，每組采摘收集試驗(yàn)均隨機(jī)重復(fù)5次，利用計(jì)時(shí)器記錄每次試驗(yàn)的采摘收集時(shí)間，并計(jì)算采摘收集效率和采摘收集效率方差，結(jié)果如表4所示。

圖16 半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)樣機(jī)Fig.16 Prototype of semi-automatic screw type pineapple picking-collecting machine

圖17 菠蘿采摘收集試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.17 Pineapple picking and collecting test site

由試驗(yàn)結(jié)果可知，每組采摘收集試驗(yàn)的最大時(shí)間差均不超過8 s，平均采摘收集效率可達(dá)17.99 s/株；部分菠蘿果實(shí)的采摘作業(yè)需執(zhí)行多次操作，平均采摘成功率為75.3%；在不同采摘規(guī)模下，采摘收集效率方差最大為0.070（s/株）2。結(jié)果表明該半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)操作簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定，可完成菠蘿果實(shí)的采摘、收集等基本功能。

4 結(jié) 論

1）針對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)菠蘿采摘作業(yè)中存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、采摘效率低、采摘成本高以及采摘機(jī)械化程度低等問題，設(shè)計(jì)了一種由太陽能供電的半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)，該采摘機(jī)將菠蘿的采摘和收集融為一體，可有效解決上述問題。

2）借助SolidWorks和MATLAB等軟件，建立了半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)總體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件的三維實(shí)體模型，并對(duì)剪式升降機(jī)構(gòu)、凸輪主軸和收集槽進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和靜力學(xué)分析，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，這可為今后相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一定指導(dǎo)。

3）菠蘿采摘收集試驗(yàn)結(jié)果表明，該半自動(dòng)擰取式菠蘿采摘收集機(jī)的操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，且具有小巧輕便、靈活性高等特點(diǎn)，可供小規(guī)模種植戶、地況復(fù)雜的丘陵山區(qū)等種植戶以及無法使用大型采摘機(jī)械大棚種植戶等使用。同時(shí)，該采摘收集機(jī)自帶收集槽，可使果農(nóng)不用背負(fù)沉重的籮筐，減輕了其負(fù)擔(dān)。此外，考慮到現(xiàn)階段我國(guó)絕大多數(shù)果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)水平較低，并不具備豐富的機(jī)電知識(shí)，故在設(shè)計(jì)時(shí)盡量降低了機(jī)器成本，簡(jiǎn)化了機(jī)器操作系統(tǒng)。

表4 菠蘿采摘收集試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of pineapple picking and collecting test