戴顯友，俞高紅

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州310018)

0 引言

果蔬的采摘作業(yè)屬于勞動密集型工作。目前人口老齡化問題日趨嚴(yán)重以及勞動力資源的日益短缺，導(dǎo)致勞動力成本價格逐漸上漲，并且難以獲得［1］。傳統(tǒng)的果蔬采摘作業(yè)是果蔬生產(chǎn)環(huán)節(jié)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，但也是勞動密集、耗時最長的一個環(huán)節(jié)［2］。而且，由于同一田地中的西蘭花植株無法在同一時間內(nèi)成熟，其采收過程均是分批次進(jìn)行。因此，西蘭花采收環(huán)節(jié)人工成本較高［3］。西蘭花采摘機(jī)械手的研究和開發(fā)對于提高西蘭花的產(chǎn)能至關(guān)重要。

1 果蔬采摘機(jī)器人的概述

截至目前，絕大部分的采摘機(jī)械手研究都將其結(jié)構(gòu)按照功能分為機(jī)械臂和末端執(zhí)行器兩部分。機(jī)械臂用以實現(xiàn)移動末端執(zhí)行器并接近目標(biāo)的功能，末端執(zhí)行器則主要實現(xiàn)夾緊目標(biāo)、切割的功能。按照各關(guān)節(jié)的運動形式和組合方式不同，可將機(jī)械手主要分為四種基本形式：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型［4］。末端執(zhí)行器按照結(jié)構(gòu)形式不同可分為純吸盤式、筒式、針式、多指式等［5］。

早期的研究中采用的果蔬采摘方式多為振搖式，該方式容易造成果實和植株受到損傷，也無法進(jìn)行果蔬識別、有選擇的采摘。隨著時代和科技的發(fā)展，采摘設(shè)備不斷更迭換代［6］。果蔬采摘機(jī)械手的研究將向更加自動化、智能化的方向發(fā)展。隨著越來越多的采摘機(jī)械手投入規(guī)模化生產(chǎn)，其成本也將進(jìn)一步降低，幫助此類機(jī)械更加廣泛地應(yīng)用到實際作業(yè)中去。

2 西蘭花采摘機(jī)械手的設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

本文所研究的西蘭花采摘機(jī)械手的應(yīng)用場景為采用壟作形式的西蘭花種植田，植株行距55 cm、株距45 cm、株高40 ～60 cm。采摘對象的最大尺寸如圖1 所示。本文中將對機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計，以實現(xiàn)切割、抓取、收集的采摘功能。所設(shè)計的西蘭花采摘機(jī)械手需滿足如下設(shè)計要求：需實現(xiàn)適應(yīng)大小不同的西蘭花采摘的功能，并盡可能減少對西蘭花的機(jī)械損傷；在保證基本功能的情況下，對自身結(jié)構(gòu)形式和重量進(jìn)行優(yōu)化，并盡量使其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，便于進(jìn)行田間作業(yè)；設(shè)計時需考慮到簡化機(jī)器操作，并降低機(jī)器總體的成本。

圖1 西蘭花的尺寸(單位：mm)

2.2 設(shè)計內(nèi)容

2.2.1 方案設(shè)計

由于選用電機(jī)驅(qū)動形式，故可采用絲杠-連桿機(jī)構(gòu)或齒輪機(jī)構(gòu)。若采用絲杠-連桿機(jī)構(gòu)，電機(jī)前段將與絲杠連接，然后推動一組連桿機(jī)構(gòu)來完成采摘過程。該機(jī)構(gòu)各零件制造精度相對較低，總質(zhì)量也較輕，但是連桿機(jī)構(gòu)工作空間較大，設(shè)計難度較高，零件的運動軌跡難于擬合。相比之下，齒輪機(jī)構(gòu)傳動效率高，結(jié)構(gòu)簡單，工作空間小。因此，末端執(zhí)行器的設(shè)計中擬采用齒輪機(jī)構(gòu)。由于兩指結(jié)構(gòu)用于采摘作業(yè)存在較大的不穩(wěn)定性，且切割后對于西蘭花的固定較為不利。同時，末端執(zhí)行器的關(guān)節(jié)數(shù)量的增加，意味著結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的增加，且保持各個指關(guān)節(jié)運動的同步性難度也隨之增加。綜合考慮之下，西蘭花采摘機(jī)械手的末端執(zhí)行器擬采用三指結(jié)構(gòu)。

根據(jù)西蘭花采摘機(jī)械手的工作特點，機(jī)械臂前段與末端執(zhí)行器連接，采摘過程中末端執(zhí)行器需要垂直下降至指定位置，以便包裹住西蘭花果實并進(jìn)行切割和抓取。因此，機(jī)械臂前段必須配備一個移動關(guān)節(jié)。此外，西蘭花采摘機(jī)械手在田間作業(yè)時，活動空間和占地面積應(yīng)盡量控制在較小的范圍內(nèi)。根據(jù)其工作特性，西蘭花采摘機(jī)械手將采用極坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，末端使用移動關(guān)節(jié)，一級和二級關(guān)節(jié)使用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。

根據(jù)分析結(jié)果，可繪制出機(jī)構(gòu)簡圖，具體如下：

如圖2 所示，末端執(zhí)行器主要由齒輪傳動機(jī)構(gòu)組成，步進(jìn)電機(jī)與機(jī)械臂末端連接。步進(jìn)電機(jī)軸與齒輪1 連接，帶動其順時針轉(zhuǎn)動。經(jīng)過惰輪2，使得齒輪3 也同樣做順時針轉(zhuǎn)動，并帶動錐齒輪4 順時針轉(zhuǎn)動。經(jīng)由錐齒輪5 和錐齒輪6 逆時針轉(zhuǎn)動，帶動錐齒輪7 順時針轉(zhuǎn)動。錐齒輪7 與齒輪8 連接，齒輪也做順時針轉(zhuǎn)動，同時帶動齒條9 向內(nèi)側(cè)移動。與齒條剛性連接的刀刃對西蘭花進(jìn)行切割。若步進(jìn)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動，則末端執(zhí)行器張開。

圖2 末端執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)簡圖

如圖3 所示，機(jī)械臂主要由帶傳動和雙曲柄機(jī)構(gòu)組成?？v置步進(jìn)電機(jī)帶動帶輪1 轉(zhuǎn)動，帶輪1 同時帶動帶輪2 做同向變速轉(zhuǎn)動，帶輪2 與帶輪1 的節(jié)圓直徑比為1.6，即傳動比為1.6。帶輪2 可帶動主軸3 及其連接的機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動。橫置步進(jìn)電機(jī)帶動曲柄4 轉(zhuǎn)動，經(jīng)由連桿5 帶動曲柄6 轉(zhuǎn)動。連桿5、連桿6等長平行，與軸3、連桿7 共同構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)，作用是保證連桿7 一直處于豎直狀態(tài)?；瑝K9 與一個電動推桿連接，帶動末端上下移動。機(jī)械臂末端將與末端執(zhí)行器相連?？梢姡摍C(jī)械臂本質(zhì)上是由兩個轉(zhuǎn)動副和一個移動副組成的RRP 三自由度機(jī)械臂。

圖3 機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)簡圖

2.2.2 驅(qū)動部分

(1)末端執(zhí)行器驅(qū)動電機(jī)

由實驗測得切割西蘭花需要大約10 N 的切割力，則末端執(zhí)行器切割刀末端承受10 N 的載荷，切割刀的運動傳遞擬采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，齒輪分度圓直徑為30 mm?？傻媚┒藞?zhí)行器單指承受0.3N·m，則輸入功率則需要至少0.9 N·m?？紤]到動力傳遞過程中的損耗，選用額定扭矩為1.2 N·m、額定功率為0.023 kW 的 57 步進(jìn)電機(jī)。

(2)電動推桿

末端執(zhí)行器總重約為4 kg，57 步進(jìn)電機(jī)的重量約為1 kg，西蘭花果實的重量為0.5 ～1.2 kg，取其最大值1.2 kg，電機(jī)支架和附屬零件的總重約為1 kg。綜上，電動推桿需要承受最大7.2 kg 的重力，即提供最大70.56 N 的力。故選擇最大推/拉力為100 N、速度為60 mm/s、最大行程為200 mm 的電動推桿。

(3)橫置步進(jìn)電機(jī)

橫置電機(jī)需要承受的載荷為末端執(zhí)行器、 西蘭花果實、機(jī)械臂一級和二級的總重量，約為20 kg。各部件整體的重心距離橫置電機(jī)輸出軸軸線的水平距離約為350 mm，可計算得出電機(jī)需要承受70 N·m的扭矩。考慮到采摘機(jī)械手后期需要增設(shè)附加功能和設(shè)備，電機(jī)需要承受額外的附加載荷，保守起見，選擇額定扭矩為8.5 N·m、 額定功率為0.178 kW 的86 步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動是可能出現(xiàn)抖動、輸出不穩(wěn)定的現(xiàn)象，將86 步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與二級行星減速器相連，減速比為20∶1。

(4)縱置步進(jìn)電機(jī)

縱置電機(jī)需要承受由轉(zhuǎn)臺傳動過程中產(chǎn)生的摩擦力矩，其載荷數(shù)值較小，故可選用額定扭矩為6 N·m、額定功率為 0.126 kW 的 86 步進(jìn)電機(jī)。同理，將86 步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與二級行星減速器相連，減速比為 16∶1。

2.2.3 傳動部分

末端執(zhí)行器進(jìn)行切割作業(yè)時，其體積和運動空間不能過大，否則會與周遭植株發(fā)生干涉，且末端執(zhí)行器上各構(gòu)件距離不大，故選用齒輪傳動。如圖4 所示，末端執(zhí)行器的內(nèi)部最大可包絡(luò)高220 mm、盤徑256 mm 的西蘭花果實，滿足設(shè)計需求。切割刀行程為130 mm，可保證對西蘭花果實順利進(jìn)行采摘時不會干涉到周遭植株。末端執(zhí)行器驅(qū)動電機(jī)默認(rèn)以200 r/min 的轉(zhuǎn)速運行，一次切割運動(即切割刀運動一個行程)所需花費的時間約為1.3 s。

機(jī)械臂各關(guān)節(jié)采用電機(jī)或電動推桿驅(qū)動，考慮到需要合理布置機(jī)械臂的重心位置，使其運行平穩(wěn)，電機(jī)位置需要與關(guān)節(jié)位置保持一段距離，故可采用帶傳動或采用傳動桿，較長距離的傳動采用帶傳動機(jī)構(gòu)，較短距離的傳動則可采用連桿機(jī)構(gòu)來保證可靠性。機(jī)械臂中的電動推桿、橫置步進(jìn)電機(jī)和縱置步進(jìn)電機(jī)均有程序控制，由相應(yīng)的程序決定其運動速度和方向，機(jī)械臂完成單個西蘭花果實采摘所需花費的時間大致為5～10 s。

2.2.4 三維設(shè)計

根據(jù)上述機(jī)構(gòu)簡圖，對西蘭花采摘機(jī)械手進(jìn)行三維模型設(shè)計，總裝配體如圖5 所示。

末端執(zhí)行器采用三指形式，切割刀與水平面呈15°傾角，以便于末端執(zhí)行器下行時撥開西蘭花的葉子，使其能夠更加順利地包裹住西蘭花果實。末端執(zhí)行器上端的輸入軸末端用梅花彈性聯(lián)軸器使其與機(jī)械臂末端的步進(jìn)電機(jī)連接。末端執(zhí)行器的三維模型如圖6 所示。

圖6 末端執(zhí)行器

西蘭花采摘機(jī)械手底座內(nèi)部為同步帶傳動機(jī)構(gòu)，其目的是將縱置步進(jìn)電機(jī)向后布置，使機(jī)械手的重心向后偏移，以提高機(jī)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，且通過選擇不同的螺栓孔位安裝縱置電機(jī)，從而改變帶傳動的中心距實現(xiàn)張緊功能，如圖7 所示。為將橫置電機(jī)下移，采用平行四邊形機(jī)構(gòu)傳遞電機(jī)動力，如圖8 所示。

圖7 縱置電機(jī)的傳動形式

圖8 橫置電機(jī)的傳動形式

3 結(jié)束語

本文完成了對西蘭花采摘機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，目的是解決西蘭花單株采摘的問題。主要完成的工作內(nèi)容和結(jié)論如下：確定了此次研究的目的和意義，總結(jié)并分析了國內(nèi)外采摘機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并利用“黑箱法”進(jìn)行功能求解后，最終確定總體設(shè)計方案，根據(jù)總體方案繪制出機(jī)構(gòu)簡圖和三維建模；完成了對驅(qū)動部分的選型計算，對傳動部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和校核計算；對西蘭花采摘機(jī)械手中的重要承重部件進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析，檢測各零件部件在最大載荷狀態(tài)下的受力情況、應(yīng)力分布和變形狀況。該研究可解決西蘭花成熟期因株而異的生長特點決定了其采摘作業(yè)無法采用大型機(jī)械進(jìn)行統(tǒng)一采摘的問題，同時可對人口老齡化等問題導(dǎo)致勞動力資源逐漸緊缺、 勞動力成本上升等問題起到緩解作用。