潘肖楠，張玥，耿寶龍，王琨

（1.隴東學(xué)院；2.環(huán)縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，甘肅 慶陽 745000）

1 前言

我國作為全球最大的蘋果原產(chǎn)地，種植面積達(dá)210萬公頃，2022 年新季蘋果產(chǎn)量約3600 萬噸，占世界總產(chǎn)量的50%。蘋果富含維生素和礦物質(zhì)，而黃土高原借助海拔高、光照充足、晝夜溫差顯著等優(yōu)勢，尤其適合蘋果種植，蘋果產(chǎn)業(yè)作為富民產(chǎn)業(yè)，其高質(zhì)量發(fā)展已成為推進(jìn)區(qū)域鄉(xiāng)村振興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。近年來，城市化進(jìn)程加快，農(nóng)村人口外出遷移，造成農(nóng)村勞動力資源短缺，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及，越來越多的智能化機(jī)械應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。蘋果采摘機(jī)器人可以根據(jù)果實(shí)位置實(shí)時(shí)調(diào)整采摘角度，具有降低果實(shí)損傷率、提高采摘效率、節(jié)約人力成本等優(yōu)勢。趙雄設(shè)計(jì)了一款三自由度蘋果采摘機(jī)械臂，輕量化的設(shè)計(jì)方案在降低整機(jī)質(zhì)量的同時(shí)保證驅(qū)動力矩符合要求；朱容芳等人利用曲柄搖桿原理，通過調(diào)整機(jī)械爪帶動蘋果樹干左右搖晃，一定范圍內(nèi)可使蘋果脫落，適用于非商品果采摘場合；任曉智等提出一種機(jī)械臂夾剪蘋果采摘機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)蘋果的采摘及傳輸功能；孫浩等設(shè)計(jì)出一種六自由度的蘋果采摘機(jī)械臂，并建立軌跡規(guī)劃模型，通過運(yùn)動學(xué)仿真，論證其實(shí)際工作的可行性；高群設(shè)計(jì)出一種輪式電動5 軸蘋果采摘機(jī)，適應(yīng)于地面平坦的采摘環(huán)境。

基于以上情況，本文針對黃土高原地區(qū)果園地形，依托麥克納姆輪承重行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出一款蘋果采摘機(jī)器人，以滿足當(dāng)?shù)夭烧枨蟆?/p>

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理分析

考慮到果園環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化以及我國北方蘋果樹種植方式的特點(diǎn)，蘋果采摘工作具有復(fù)雜性和不確定性。為保證運(yùn)動平穩(wěn)可靠，本文設(shè)計(jì)出一個(gè)靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)的蘋果采摘系統(tǒng)，圖1 所示為蘋果采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型圖，機(jī)構(gòu)由麥克納姆輪承重行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動平臺、Stewart 六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)、采摘機(jī)械臂、視覺傳感器、末端執(zhí)行器等組成。

圖1 采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

采摘機(jī)器人采用無線信號控制，底部承重平臺上置有一個(gè)控電柜，內(nèi)部包含主控器、信號接收器、信號發(fā)射器等，在六自由度承重平臺下方焊接一圈圓形導(dǎo)軌，并在其上方安裝可繞導(dǎo)軌環(huán)形運(yùn)動的移動攝像頭，攝像頭可向上仰角20°，向下俯角60°，帶有三關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)可自由旋轉(zhuǎn)360°。

在機(jī)器人工作期間，可通過手機(jī)配合手柄控制車體運(yùn)動方向，末端執(zhí)行器上裝有顏色識別傳感器和微型超高清攝像頭，首先，通過攝像頭獲取蘋果位姿圖像，提取RGB 信息判斷采摘對象是否成熟；其次，利用紅外傳感器獲取蘋果是否在抓手可采摘范圍信息；最后，通過控制器控制電機(jī)，進(jìn)一步控制末端執(zhí)行器執(zhí)行抓取動作，執(zhí)行器由兩塊長度為137mm 的內(nèi)凹板做夾取手指，手指與果實(shí)的接觸部分使用軟硅膠墊來做防護(hù)，采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手爪的張開與閉合，利用步進(jìn)電機(jī)與直線模組的搭配實(shí)現(xiàn)高精度的進(jìn)給來對果實(shí)進(jìn)行抓取，該執(zhí)行器可抓取蘋果的最大直徑為186mm，最大負(fù)載為70N。

3 Stewart 六自由度平臺運(yùn)動分析

3.1 問題描述

六自由度平臺多用于飛行器、運(yùn)動模擬訓(xùn)練裝置等，是一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其通過改變六個(gè)伸縮動作來實(shí)現(xiàn)空間中的六自由度運(yùn)動。

本文設(shè)計(jì)的平臺由固定底座、運(yùn)動平臺、十字虎克鉸、電動缸以及氣動缸系統(tǒng)組成，現(xiàn)需模擬出六自由度運(yùn)動平臺的各個(gè)極限位置的運(yùn)動軌跡曲線，以便通過該軌跡曲線分析采摘機(jī)器人的工作適應(yīng)性。

其中，電動缸伸縮范圍為：175 ～700mm，不考慮物體之間的阻尼與摩擦等因素，模型材料統(tǒng)一設(shè)定為Steel，使用SolidWorks Motion 對該六自由度平臺進(jìn)行缸體動力學(xué)分析。

3.2 問題分析

平臺的長、寬均為1600mm，當(dāng)電動缸處于最低姿態(tài)時(shí)，整個(gè)平臺的高度為1100mm，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，確定以下步驟：

Step1：簡化三維模型，去掉所有軸承組件、定位螺栓組件，去除多余零部件；

Step2：使用SolidWorks 的動畫模塊做出平臺整體運(yùn)動效果；

Step3：將動畫數(shù)據(jù)導(dǎo)入SolidWorks Motion 中以確定馬達(dá)的驅(qū)動方式；

Step4：施加仿真條件，進(jìn)行計(jì)算；

Step5：對求解的結(jié)果進(jìn)行提取，得到相應(yīng)的軌跡追蹤線；

Step6：針對該計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

該平臺整體由電缸主驅(qū)動，氣缸進(jìn)行隨動，在實(shí)際工程問題中，隨動氣缸起到分擔(dān)支撐力的作用，故在本次分析中將該部件及其所帶附件去除。在多剛體運(yùn)動分析中，常選用數(shù)據(jù)點(diǎn)和振蕩馬達(dá)兩種方式進(jìn)行驅(qū)動。其中數(shù)據(jù)點(diǎn)驅(qū)動為間斷控制方式，是在給定電動缸位移范圍為0 ～500mm 和作用時(shí)間范圍0 ～2s 內(nèi)取數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到333 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析。而振蕩馬達(dá)屬于連續(xù)性控制方式，相較數(shù)據(jù)點(diǎn)方式更為穩(wěn)定。振蕩馬達(dá)的主要控制參數(shù)有兩個(gè)：運(yùn)動頻率和運(yùn)動幅值，通過計(jì)算可得振蕩馬達(dá)運(yùn)動的最大頻率為0.5Hz，最大振蕩幅值為300mm。雖然振蕩馬達(dá)的控制方式較平穩(wěn)，但只能得到豎直方向的最大值與最小值。因此，本文最終選擇了更直觀便捷的線段驅(qū)動方式，這種方式主要研究位移與時(shí)間的變量關(guān)系，使用的參數(shù)也可經(jīng)過模塊模擬驗(yàn)證。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動過程中，主要考慮：三對角方向最大值、豎直方向最大值、左右擺動值。本次分析的是平臺運(yùn)動極限位置的包絡(luò)曲線，故六個(gè)電動缸設(shè)置參數(shù)均為極限位置，得出一個(gè)電動缸的驅(qū)動參數(shù)即可。

3.3 Stewart 平臺剛體運(yùn)動仿真及分析

加載接觸、材料及重力后，首先需進(jìn)行計(jì)算，檢查是否發(fā)生運(yùn)動偏移，以確定模型的平穩(wěn)性，再設(shè)置實(shí)體接觸、重力等必要邊界條件，模型材料選擇Steel(Dry)，為減少M(fèi)otion 計(jì)算量，關(guān)閉實(shí)體接觸摩擦，馬達(dá)與零部件處于相對移動狀態(tài)，故運(yùn)動類型采用前設(shè)定好的線段驅(qū)動類別，打開運(yùn)動算例屬性中的精確接觸，以提高計(jì)算準(zhǔn)確度。

通過分析及計(jì)算，最終得到包絡(luò)曲線空間圖如圖2所示。

圖2 包絡(luò)曲線空間圖

通過分析Motion 仿真結(jié)果，得出以下結(jié)論：（1）線段方式的馬達(dá)驅(qū)動更具針對性，且能保證運(yùn)動的連續(xù)性；（2）模型簡化時(shí)考慮去除了結(jié)構(gòu)中一些次要因素，大大減少了計(jì)算量，但對計(jì)算結(jié)果未產(chǎn)生本質(zhì)影響；（3）為提高運(yùn)算速度，計(jì)算的迭代次數(shù)等需要修改配置。

4 主要部件的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度校核

4.1 Stewart 六自由度平臺瞬態(tài)結(jié)構(gòu)校核

六自由度運(yùn)動平臺由承載底盤、十字虎克鉸、電動缸、氣缸、頂部承接臺、多邊形承載架等組成，本小節(jié)主要對承載底盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。在Workbench 中進(jìn)行瞬態(tài)結(jié)構(gòu)校核，需先進(jìn)行模型簡化，并將其轉(zhuǎn)為X-T格式。

求解階段，首先刪除所有接觸關(guān)系，將結(jié)構(gòu)設(shè)定為幾個(gè)主要連接副，如圖3 為底部承載平臺接觸設(shè)計(jì)總圖。

圖3 底部承載平臺接觸設(shè)定總圖

此模型要求在Mechanical 中實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制與運(yùn)動，因此需給電缸一個(gè)位移分量，而Mechanical 中只有X軸可以實(shí)現(xiàn)位移，故在設(shè)定電缸與氣缸的平移運(yùn)動副時(shí)考慮將電缸及氣缸的行程推桿組成全局坐標(biāo)系，使得X軸正方向指向電缸桿的伸出方向，以避免后續(xù)求解過程中出現(xiàn)位移方向不合理的情況。

通過分析，求解部分收斂性能良好，在其求解完成總圖中，收斂力和標(biāo)準(zhǔn)力均符合要求。

由圖4 可知，在此設(shè)定狀態(tài)下，底部承載平臺模型在推程導(dǎo)桿伸展150mm 極限位置時(shí)最大變形量為0.55mm，但根據(jù)云圖數(shù)據(jù)分析，其在極限位置并未出現(xiàn)過大的位移偏量，故該模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，最大彈性應(yīng)變?yōu)?.422×10-9，馮·米賽斯最大應(yīng)力為0.000685MPa，該機(jī)構(gòu)校核強(qiáng)度符合要求。

圖4 總變形云圖

4.2 末端執(zhí)行器瞬態(tài)強(qiáng)度校核

由于該末端執(zhí)行器的夾持載荷是隨時(shí)間變化的，故對此采用瞬態(tài)結(jié)構(gòu)校核，用以確定在受到穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷、簡諧載荷下隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)力和應(yīng)變。由于該機(jī)械結(jié)構(gòu)中慣性力和阻尼無法忽略，故不能使用靜力學(xué)分析代替瞬態(tài)動力學(xué)分析。將模型進(jìn)行前處理后，轉(zhuǎn)為X-T 格式。

該執(zhí)行器主要使用手板、主驅(qū)動齒條、從動齒輪、直線模組滾珠絲杠以及定位連桿來進(jìn)行驅(qū)動抓取，故簡化后只需保留以上部件，且零部件應(yīng)保存為Parasolid格式以便在ANSYS Workbench 中調(diào)用。

通過參數(shù)設(shè)定與求解，得到在250 步迭代完成后，力開始收斂，由圖5 可知，最大變形區(qū)域發(fā)生在二指根部接觸孔上，所以應(yīng)在孔周邊區(qū)域增加強(qiáng)度，選用高強(qiáng)度的硬質(zhì)合金可避免此問題，通過分析，接觸狀態(tài)下的許用應(yīng)力及接觸面效果良好，可證明該結(jié)構(gòu)齒輪齒條設(shè)計(jì)合理。

圖5 總變形云圖

5 結(jié)語

本文首先對蘋果采摘機(jī)器人六自由度平臺進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，驗(yàn)證了模型設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，其次對行走機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度校核，結(jié)果分析表明，機(jī)械結(jié)構(gòu)合理有效。本文設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人對提高自動化程度，降低勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)線下果園實(shí)地采摘具有指導(dǎo)意義。