聶宇成，陳 勇

（南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037）

0 引言

茶葉質(zhì)地較嫩,極易破損,茶葉的品種、葉片完整性等決定了名優(yōu)綠茶的品質(zhì)[1]。傳統(tǒng)的茶葉新梢采摘均采用人工采摘,但人工采摘需要長(zhǎng)時(shí)間勞動(dòng),勞動(dòng)強(qiáng)度大且采摘效率較低[2]。近年來(lái),已有一些學(xué)者對(duì)名優(yōu)綠茶的機(jī)械化采摘進(jìn)行了一定的研究。南京農(nóng)機(jī)化研究所[3]設(shè)計(jì)了一種自走式智能田間采茶機(jī)器人,進(jìn)行茶葉新梢的智能化采摘。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)[4]對(duì)龍門(mén)式采茶機(jī)進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)出一種雙臂式茶葉采摘機(jī)器人。南京林業(yè)大學(xué)[5～8]通過(guò)光譜技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)等,研發(fā)了一種可以對(duì)茶葉新梢自主選擇的采茶機(jī)器人。此外,文獻(xiàn)檢索表明,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)采茶機(jī)器人的研究還停留在對(duì)茶葉新梢的識(shí)別上,還沒(méi)有研制出針對(duì)高檔名優(yōu)綠茶智能化采摘的采摘指。

目前采茶機(jī)器人對(duì)茶葉新梢的采摘僅采用刀片割斷,并不符合高檔名優(yōu)綠茶的采摘要求。針對(duì)現(xiàn)有采茶機(jī)器人對(duì)茶葉新梢的選擇性,采摘的茶葉葉片完整性[9]等方面存在的不足,本文設(shè)計(jì)了一款可以模仿人手“提手采”動(dòng)作的仿生采摘指結(jié)構(gòu)[10]。仿真采摘指作為采茶機(jī)器人的末端執(zhí)行器,通過(guò)對(duì)茶葉新梢嫩芽識(shí)別進(jìn)行定位,再驅(qū)動(dòng)仿生采摘指對(duì)茶葉新梢進(jìn)行采摘。茶葉新梢比較脆嫩,為保證茶葉品質(zhì),故對(duì)名優(yōu)綠茶新梢的形態(tài)特性以及力學(xué)特性進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量分析。根據(jù)茶葉新梢的形態(tài)特性設(shè)計(jì)出合適的采摘指結(jié)構(gòu),根據(jù)茶葉新梢的力學(xué)特性確定夾持力,并分析采摘指的受力情況,判斷采摘指的材料強(qiáng)度剛度是否滿(mǎn)足要求,因此利用ANSYS對(duì)采摘指的關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析。

1 新梢形態(tài)特性研究

考慮到高檔名優(yōu)綠茶的品質(zhì),確保葉片的完整性,因此需要對(duì)茶葉新梢的形態(tài)特性進(jìn)行測(cè)量,來(lái)確定仿生采摘指的結(jié)構(gòu)尺寸。為采摘高品質(zhì)的名優(yōu)綠茶,僅采摘茶葉新梢的一芽一葉,且茶葉新梢采用拉斷的方式進(jìn)行采摘,因此仿生采摘指需要保證采摘的拉斷點(diǎn)在圖1所示的第一節(jié)間距L1范圍內(nèi)。同時(shí),為保證采摘指不夾到茶葉的葉片,采摘指的夾指的閉合路徑必須在第一葉與第二葉之間的葉展角θ范圍內(nèi)。

圖1 新梢示意圖

1.1 新梢形態(tài)特性參數(shù)采集

針對(duì)以上要求,在茶園中多次隨機(jī)選取茶葉樣本進(jìn)行形態(tài)特性的參數(shù)測(cè)量,樣本具體情況如表1所示,共120個(gè)試驗(yàn)樣本。

表1 試驗(yàn)樣本的選取

對(duì)于茶葉新梢的形態(tài)測(cè)量主要是為了確定第一節(jié)間距L1的長(zhǎng)度以及葉展角θ的角度,因此采用刻度尺及量角器在茶園中進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)。

1.2 形態(tài)特性測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)形態(tài)特性測(cè)量結(jié)果,在120個(gè)測(cè)量樣本中,第一節(jié)間距L1、葉展角θ的各項(xiàng)參數(shù),如表2所示。

表2 形態(tài)特性參數(shù)表

由樣本數(shù)據(jù)的分析得出,樣本茶葉新梢的第一節(jié)間距L1長(zhǎng)度大多集中在8mm～12mm,其占比84.17%；葉展角θ大多集中在11°～17°,其占比85.00%。

因此,為保證只采摘茶葉新梢的一芽一葉,并保證葉片的完整性,故仿生采摘指的夾爪的夾持點(diǎn)的間距應(yīng)在8mm以?xún)?nèi),且要求采摘指張開(kāi)角度不大于17°。

2 新梢力學(xué)特性研究

根據(jù)茶葉新梢的形態(tài)特性可以確定仿生采摘指結(jié)構(gòu)尺寸,為確定仿生采摘指對(duì)茶葉新梢的最佳夾持力,因此需要對(duì)茶葉新梢的力學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量研究。茶葉新梢力學(xué)特性的測(cè)量主要分為新梢拉斷力測(cè)量以及新梢?jiàn)A斷力測(cè)量。拉斷力測(cè)量是為了測(cè)量茶葉新梢與莖稈之間通過(guò)提拉作用斷開(kāi)所需要的力。夾斷力測(cè)量是為了測(cè)量茶葉新梢由于夾爪的夾緊作用而斷開(kāi)時(shí)所需要的力,防止茶葉新梢被夾爪直接夾斷,因此夾爪產(chǎn)生夾緊力應(yīng)該小于將茶葉新梢直接夾斷所需的力。

2.1 新梢力學(xué)特性參數(shù)采集

新梢力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)量樣本采集與形態(tài)特性測(cè)量時(shí)樣本采集的地點(diǎn)與方式一致,即一共120個(gè)試驗(yàn)樣本。對(duì)新梢力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)量采用本課題組研制的測(cè)力裝置[11]。

2.2 力學(xué)特性測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)力學(xué)特性測(cè)量結(jié)果,在120個(gè)樣本中,新梢的拉斷力、夾斷力的各項(xiàng)參數(shù),如表3所示。

表3 力學(xué)特性參數(shù)表（單位：N）

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),樣本茶葉新梢拉斷力大多處于3N～7N范圍內(nèi),其占比86.17%；夾斷力大多處于4N～8N范圍內(nèi),其占比90.83%。

在仿生采摘指對(duì)茶葉新梢進(jìn)行采摘時(shí),為使夾爪與新梢間不打滑的拉斷力應(yīng)在3N～7N范圍內(nèi),新梢在夾持力4N～8N范圍內(nèi)可能會(huì)直接被夾斷。因此,綜合考慮茶葉新梢的拉斷力以及夾斷力,將仿生采摘指夾爪對(duì)茶葉新梢的夾持力設(shè)定為4N。

3 仿生采摘指有限元分析

針對(duì)高檔名優(yōu)綠茶,基于“提手采”的動(dòng)作要求,本文設(shè)計(jì)了一種仿生采摘指,該采摘指主要由一對(duì)上夾爪以及一對(duì)下夾爪組成,利用下夾爪夾持住莖稈,上夾爪夾持所需采摘的茶葉新梢,通過(guò)氣缸的提拉作用將上夾爪向上移動(dòng)完成茶葉新梢的采摘,上下夾爪的開(kāi)合同樣采用氣缸驅(qū)動(dòng)。根據(jù)對(duì)茶葉新梢形態(tài)特性的測(cè)量分析,設(shè)計(jì)了如圖2所示的仿生采摘指的三維模型。

圖2 仿生采摘指三維模型

為保證茶葉新梢葉片的完整性,采摘指的結(jié)構(gòu)不宜過(guò)大,因此需要對(duì)采摘指進(jìn)行有限元分析,判斷其強(qiáng)度剛度是否滿(mǎn)足要求。仿生采摘指的上下夾爪及其連接件受力情況相似,故只需對(duì)上夾爪及其連接件進(jìn)行有限元分析,其中主要受力零部件有上夾爪、上夾爪連桿以及連接兩者的銷(xiāo)軸,其材料均為鋁合金,抗拉強(qiáng)度約為265MPa,屈服強(qiáng)度約為110MPa。

3.1 上夾爪有限元分析

根據(jù)新梢力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)量結(jié)果,仿生采摘指的夾爪對(duì)茶葉新梢的夾持力設(shè)定為4N,為優(yōu)化夾爪結(jié)構(gòu),對(duì)上夾爪進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。將上夾爪模型導(dǎo)入ANSYS 15.0,進(jìn)行單元類(lèi)型以及材料參數(shù)的定義,單元類(lèi)型選擇Solid185,材料為鋁合金,彈性模量設(shè)置為70GPa,泊松比0.3,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共劃分了18976個(gè)單元。根據(jù)上夾爪的受力情況對(duì)上夾爪添加約束,進(jìn)行求解,得到上夾爪應(yīng)力云圖以及應(yīng)變?cè)茍D,如圖3、圖4所示。

圖3 上夾爪應(yīng)力分布圖

圖4 上夾爪應(yīng)變分布圖

從上夾爪的應(yīng)力應(yīng)變分布圖可以看出,上夾爪的最大應(yīng)力為83.4MPa,最大應(yīng)力位于上夾爪與上夾爪支座連接處。最大變形量為0.0176mm,最大變形位于上夾爪的夾持處。由此可見(jiàn),上夾爪的強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足要求。

3.2 上夾爪連桿有限元分析

上夾爪連桿與上夾爪通過(guò)銷(xiāo)軸連接,上夾爪連桿的另一端連接在里層套上,通過(guò)提拉氣缸完成茶葉新梢的向上拉斷。將上夾爪連桿模型導(dǎo)入ANSYS15.0,模型的單元類(lèi)型以及材料屬性與上夾爪相同,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分了4323個(gè)單元。根據(jù)上夾爪連桿的受力情況,進(jìn)行有限元分析,得到上夾爪連桿的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D,如圖5、圖6所示。

圖5 上夾爪連桿應(yīng)力分布圖

圖6 上夾爪連桿應(yīng)變分布圖

根據(jù)上夾爪連桿的應(yīng)力應(yīng)變分布圖,上夾爪連桿的最大應(yīng)力為7.32MPa,最大應(yīng)力位于與銷(xiāo)軸連接處的下表面。最大變形量為0.000842mm,最大變形同樣位于與銷(xiāo)軸連接處的下表面。因此,上夾爪連桿的強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足要求。

3.3 銷(xiāo)軸有限元分析

銷(xiāo)軸用于連接上夾爪以及上夾爪連桿,為保證連接的可靠性,銷(xiāo)軸兩端與上夾爪連桿采用過(guò)盈配合,銷(xiāo)軸中間部分與上夾爪采用間隙配合。同樣,將銷(xiāo)軸模型導(dǎo)入ANSYS15.0,進(jìn)行單元類(lèi)型及材料屬性的定義,完成模型的網(wǎng)格劃分,共劃分了11322個(gè)單元。根據(jù)銷(xiāo)軸的受力情況,對(duì)銷(xiāo)軸進(jìn)行有限元分析,得到如圖7、圖8所示的應(yīng)力應(yīng)變分布圖。

圖7 銷(xiāo)軸應(yīng)力分布圖

圖8 銷(xiāo)軸應(yīng)變分布圖

根據(jù)銷(xiāo)軸的應(yīng)力應(yīng)變分布圖可以得出,銷(xiāo)軸的最大應(yīng)力為1.45MPa,最大應(yīng)力位于銷(xiāo)軸與上夾爪連接處兩側(cè)。銷(xiāo)軸的最大變形量為0.0000193mm,最大變形位于銷(xiāo)軸與上夾爪連接處中心。由此可見(jiàn),銷(xiāo)軸的強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足要求。

以上對(duì)仿生采摘指的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析,得到零部件的應(yīng)力應(yīng)變分布圖。為減輕仿生采摘指重量,上夾爪、上夾爪連桿、銷(xiāo)軸等零部件均采用鋁合金材料,抗拉強(qiáng)度約為265MPa,屈服強(qiáng)度約為110MPa,根據(jù)分析結(jié)果,這些零部件的應(yīng)力應(yīng)變均在材料的承受范圍內(nèi),故仿生采摘指各關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)名優(yōu)綠茶新梢的形態(tài)特性的測(cè)量,采摘指的上下夾爪的夾持點(diǎn)的間距應(yīng)在8mm以?xún)?nèi),且要求采摘指張開(kāi)角度不大于17°,由此確定了仿生采摘指的結(jié)構(gòu)尺寸。通過(guò)對(duì)茶葉新梢力學(xué)特性的測(cè)量,確定了夾爪對(duì)茶葉新梢的夾持力為4N,并依此對(duì)采摘指的關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析。從分析結(jié)果可以得出,采摘指的關(guān)鍵零部件中,最大應(yīng)力位于上夾爪的夾持處,最大應(yīng)力為83.4MPa,最大應(yīng)變同樣位于該處,最大變形為0.0176mm,均在材料允許范圍內(nèi)。由此可見(jiàn),采摘指的剛度和強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了采摘指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。為后續(xù)對(duì)仿生采摘指結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改善,提高采摘成功率,以及進(jìn)行茶園現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等提供了有效依據(jù)。