許 威， 趙春光， 張紀(jì)元

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028)

21 世紀(jì)以來，隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展提高，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)設(shè)施也在不斷更新，農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究也在不斷創(chuàng)新，由于大部分勞動力都從事于工業(yè)方面的發(fā)展，造成了農(nóng)業(yè)方面的勞動力緊缺，再者急速加劇的人口老齡化問題，導(dǎo)致越來越少的人從事于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由此看來農(nóng)業(yè)發(fā)展越來越趨向于自動化、機械化發(fā)展，進而取代人類手工生產(chǎn)[4-6]。 因此對應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的機器手臂開展研究勢在必行。 研究表明，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的使用過程，一方面不僅可以使生產(chǎn)效率得到巨大提高，另一方面能夠合理地分配勞動力[1-3]，改善了整體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。 從世界各國對農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，不同的國家對采摘機器人都有著獨特的研究方向及發(fā)展方式，各式各樣的機械手層出不窮，并在對農(nóng)作物的收獲和育苗中起到重要作用， 進一步豐富了農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展[7-8]。

近年來隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的成熟，更多自動化、先進的設(shè)備應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，采摘機器人相關(guān)領(lǐng)域也逐漸服務(wù)于農(nóng)民，并得到很好的應(yīng)用。 研究發(fā)現(xiàn)，按是否可以獨立自主行走進行分類，現(xiàn)有的并實踐應(yīng)用于采摘的機械手分為兩種，一種可以在行走中進行采摘工作，另一種只能達到采摘的要求，主要以水果、苗木等分布比較分散、質(zhì)量比較輕的個體為操作目標(biāo)[9-12]。 西班牙曾研發(fā)了一款柑橘采摘設(shè)備，主要應(yīng)用于柑橘的采摘，因其具有獨立的光學(xué)視覺系統(tǒng)，可以對采摘后的柑橘進行下一步處理，更好地對柑橘大小做出選擇，以達到分類的目的[13-15]。 英國奧克杜公司研制了柔軟手臂機械手，通過調(diào)節(jié)材料內(nèi)部的氣壓變化來抓取經(jīng)過視覺系統(tǒng)識別的東西[16-18]。 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)者研制了荔枝采摘的機械手，其機械手末端執(zhí)行器以實現(xiàn)自動導(dǎo)航，精準(zhǔn)實現(xiàn)對果實的剪切為收獲目的[19]。 錢少明、楊慶華等學(xué)者開發(fā)了一款采摘黃瓜的機械手，末端執(zhí)行器可快速識別黃瓜的成熟度，進行路徑規(guī)劃來對成熟黃瓜采摘[20-21]。

由于現(xiàn)有的采摘機械手仍存在許多不足，根據(jù)現(xiàn)有狀況，本文將提出一種新型剪切式的蘋果采摘機械手，提高蘋果采摘效率，提升果農(nóng)的收入。

1 剪切式蘋果采摘機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

1.1 機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

剪切式蘋果采摘機械手主要由剪切執(zhí)行機構(gòu)1、動力機械臂組2 和支撐底座3 三大部分組成，如圖1所示。

圖1 蘋果采摘機械手總體設(shè)計方案圖

1.1.1 剪切執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

剪切執(zhí)行機構(gòu)主要是執(zhí)行對蘋果果梗的剪切動作，實現(xiàn)果實的采摘。

剪切執(zhí)行機構(gòu)主要由動剪切板電缸1、動剪切板2、靜剪切板3、靜剪切板電缸4、接果器5 組成，如圖2 所示。

圖2 剪切執(zhí)行機構(gòu)

為了便于蘋果果實的采摘，動剪切板2 上設(shè)計有三角形的外切刃，靜剪切板3 上設(shè)計有“X”型剪切槽，槽內(nèi)設(shè)計有槽形內(nèi)剪切刃。

剪切執(zhí)行機構(gòu)采摘蘋果時，剪切執(zhí)行機構(gòu)在動力機械臂組的作用下移動至蘋果果實的正面，使果梗位于靜剪切板寬度范圍內(nèi)。 然后，靜剪切板向前移動果梗沿著“X”型剪切槽側(cè)邊進入到環(huán)形內(nèi)剪切刃中實現(xiàn)果梗的定位，如圖3(a)所示。 最后，動剪切板向前移動與環(huán)形內(nèi)剪切刃構(gòu)成剪切封閉多邊形鎖定果梗位置，如圖3(b)所示，動剪切板繼續(xù)前移直至果梗被剪斷，蘋果掉入到接果器中完成蘋果采摘。

圖3 剪切執(zhí)行機構(gòu)工作原理示意圖

1.1.2 動力機械臂組設(shè)計

動力機械臂組主要是根據(jù)蘋果的位置來調(diào)整剪切執(zhí)行結(jié)構(gòu)的位置，使得果梗能夠順利地進入到靜剪切板的“X”型剪切槽中，動力機械臂組如圖4(a)所示。

圖4 動力機械臂組

為了使剪切執(zhí)行機構(gòu)與地面保持平行或小角度傾斜，本文選擇串聯(lián)平行四邊形機構(gòu)作為動力機械臂組的主要結(jié)構(gòu)。 同時，兩個平行四邊形機構(gòu)串聯(lián)也可在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)剪切執(zhí)行機構(gòu)的位置，能夠滿足在采摘果園復(fù)雜環(huán)境中的使用要求。

1.1.3 主要設(shè)計參數(shù)

(1)剪切執(zhí)行機構(gòu)總長度600 mm，靜剪切板最大移動距離200 mm，剪切槽寬度6 mm；

(2)動力機械臂組兩個平行四邊形機構(gòu)尺寸一樣，最大長度均為1 000 mm，上方平行四邊形機構(gòu)轉(zhuǎn)動速度18 °/s，下方平行四邊形機構(gòu)轉(zhuǎn)動速度10 °/s。

2 剪切式蘋果采摘機械手的運動性能分析

2.1 作業(yè)環(huán)境分析

國內(nèi)多數(shù)的蘋果種植園果樹種植縱向間距約為3 m，橫向間距約為3.5 m。 蘋果樹樹高約為2.9 m，樹冠直徑約為2～2.5 m，主干高度約在0.8 ～1 m，蘋果在樹冠上的分布縱深約為0～0.4 m，蘋果分布空間示意圖如圖5 所示。

圖5 蘋果分布空間示意圖(m)

2.2 工作空間分析

根據(jù)采摘機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和蘋果分布空間尺寸，利用圖譜法對采摘機械手的工作空間進行分析，如圖6 所示。 經(jīng)過分析采摘過程中機械手只需移動五次就可以將一顆蘋果樹上的蘋果全部采摘，符合設(shè)計要求。

圖6 機械手采摘范圍示意圖(mm)

2.3 運動性能分析

為了分析采摘機械手運動過程中的穩(wěn)定性，利用SolidWorks Motion 對機械手采摘過程進行模擬，各關(guān)節(jié)參數(shù)設(shè)置如表1 所示，采摘機械手運動軌跡示意圖如圖7 所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

圖7 機械手運動軌跡示意圖

圖8 為剪切執(zhí)行機構(gòu)最前點線性位移曲線，由分析結(jié)果可知:各軸協(xié)同動作，5s 后剪切執(zhí)行機構(gòu)最前點準(zhǔn)確到達采摘目標(biāo)位置，各條曲線平滑連續(xù)，符合設(shè)計要求。

圖8 剪切執(zhí)行機構(gòu)最前點位移曲線

圖9 和圖10 分別為剪切執(zhí)行結(jié)構(gòu)最前點線速度和加速度分析曲線，由分析結(jié)果可知:剪切執(zhí)行結(jié)構(gòu)最前點的速度和加速度曲線平穩(wěn)光滑，沒有突變，說明剪切執(zhí)行機構(gòu)在工作過程中運動平穩(wěn)性較好。

圖9 剪切執(zhí)行機構(gòu)最前點線速度曲線

圖10 剪切執(zhí)行機構(gòu)最前點加速度曲線

3 剪切式蘋果采摘機械手的剪切執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)化

3.1 剪切刃受力情況分析

利用SolidWorks Motion 對動、靜剪切板剪切蘋果果梗的受力情況進行分析，研究切削刃角度的大小對剪切蘋果果梗時剪切刃所受反作用力的影響。動、靜剪切板剪切蘋果果梗過程如圖11 所示。

圖11 動、靜剪切板剪切蘋果果梗示意圖

設(shè)置剪切刃的角度分別為5°、10°、20°、30°、40°和50°，對動、靜剪切板剪切蘋果果梗過程進行模擬。得到不同剪切刃角度時，剪切刃所受的最大反作用力如圖12 所示。 從圖12 可以看出:剪切刃所受的反作用力的最大值隨著剪切刃角度的減小而減小，且隨剪切刃角度的減小，最大反作用力下降的趨勢變緩。

圖12 剪切刃角度與所受最大反作用力關(guān)系曲線

剪切刃角度越小，剪切刃越鋒利，剪切刃所受的最大反作用力越小，越有利于蘋果的采摘。 但是，剪切刃不能無限制地變小，剪切刃角度減小會降低剪切刃的耐磨性和強度，降低剪切刃的使用壽命，因此剪切刃的角度應(yīng)結(jié)合力學(xué)強度要求設(shè)置在一個合理的范圍。

3.2 剪切刃變形情況分析

研究當(dāng)剪切刃角度分別為5°、10°、20°、30°、40°和50°時，剪切過程中動剪切板剪切刃的變形情況。設(shè)置剪切力為30 N，得到不同剪切刃角度時，動剪切板剪切刃的變形情況，如圖13 所示。

圖13 剪切刃角度與最大靜態(tài)變形關(guān)系曲線

從圖13 可以看出:剪切刃剪果梗處的變形量的最大值隨著剪切刃角度的變小而增大，呈負相關(guān)關(guān)系。 當(dāng)剪切刃角度減小到10°以下時，剪切刃的變形量隨著剪切刃角度的減小而急劇增加。 當(dāng)剪切刃從10°減小到5°時，剪切刃的最大變形量增加近7 倍。

綜上所述，結(jié)合剪切刃的受力情況和變形情況的分析結(jié)果，綜合考慮蘋果果梗的力學(xué)強度、剪切刃的使用壽命等，最終確定剪切刃的角度為10°。

4 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有蘋果采摘機械手存在的問題，提出了一種剪切式蘋果采摘機械手，通過對剪切式采摘機械手作業(yè)環(huán)境進行分析，確定了蘋果果實的空間分布規(guī)律與范圍，利用圖譜法對剪切式采摘機械手的工作空間進行了研究。 分析了剪切執(zhí)行機構(gòu)最前點的位移曲線、線速度曲線和加速度曲線，驗證了剪切執(zhí)行機構(gòu)在采摘過程中的運動平穩(wěn)性。 通過對剪切執(zhí)行機構(gòu)剪切刃的受力情況和變形情況進行分析，最終確定剪切刃的角度為10°。