菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、    菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)    劉玉杰郭安福 姜濤摘要 由于菠蘿樹(shù)和果實(shí)的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的菠蘿采摘都還采用效率低、對(duì)手的傷害程度較大的純手工采摘方式。 首先設(shè)計(jì)了菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，主要包括車身部分、收納部分、控制部分、輸送部分、采摘部分等。其次，采用三維數(shù)字化軟件solidworks對(duì)菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)進(jìn)行三維建模。最后，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)將有效地解決菠蘿采摘難的問(wèn)題，促進(jìn)菠蘿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。關(guān)鍵詞 菠蘿采摘；機(jī)械手；仿真分析中圖分類號(hào) s225.93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a 文章編號(hào) 0517-6611（2018）1

2、4-0194-04structural design of semiautomatic pineapple picking machineliu yujie，guo anfu，jiang tao （school of mechanical and automotive engineering， liaocheng university， liaocheng， shandong 252059）abstract due to the specificity in pineapples shape， manual picking method， which has low efficiency an

3、d a great harm in hand， is commonly adopted in china. in order to improve efficiency in picking， the semiautomatic picking machine of the pineapple is firstly proposed in this paper， including the main body part， receiving part， control part， transmission part and picking part. and then， the pineapp

4、le semiautomatic picking machine is modeled in the solidworks. finally， corresponding simulation analysis is conducted on motion characteristics of the manipulator. these challenges in picking pineapples will be effectively solved by this picking machine and it is a motivator in the development of p

5、ineapple industry.key words pineapple picking； manipulator； simulation analysis果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)、最費(fèi)力的環(huán)節(jié)。采摘季節(jié)性強(qiáng)，勞動(dòng)力密集，價(jià)格昂貴。因此，確保及時(shí)收獲水果，降低收獲成本是提高農(nóng)業(yè)收入的重要途徑。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘自動(dòng)化程度仍很低。目前，國(guó)內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上是人工完成的，其費(fèi)用占成本的50%70%，而且時(shí)間比較集中1。由于菠蘿種植空間均勻，行距大，非常適合機(jī)械采摘。另外，菠蘿本身具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，菠蘿葉含有豐富的纖維，是一種具有優(yōu)良天然殺菌性能的紡織材料2-3?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)還發(fā)現(xiàn)

6、，菠蘿葉提取物中的一些酚類物質(zhì)具有降血酯的活性，在心血管藥物的開(kāi)發(fā)中具有較高的研究?jī)r(jià)值4-5；同時(shí)，葉渣和莖稈還可用于飼料、有機(jī)肥和沼氣的生產(chǎn)。因此在研究如何實(shí)現(xiàn)果實(shí)機(jī)械采摘時(shí)，必須考慮如何保護(hù)植株，不破壞植株的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值。自1983年第1臺(tái)番茄收獲機(jī)器人在美國(guó)問(wèn)世以來(lái)，采摘機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)得到了迅速的發(fā)展。近年來(lái)，日本在收獲機(jī)器人研究方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但對(duì)收獲機(jī)器人的研究還處于起步階段，技術(shù)還不成熟，還沒(méi)有真正商業(yè)化6。我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期，上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所曹其新和劉成良等完成了智能聯(lián)合收割機(jī)樣機(jī)的研制開(kāi)發(fā)工作。2001年，張瑞合等利用雙目立體視覺(jué)

7、技術(shù)對(duì)番茄果實(shí)在采收過(guò)程中的精確定位進(jìn)行了研究7。然而，果蔬采摘機(jī)器人的智能化水平仍然非常有限，離實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化還有一定的距離。存在的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：一是采摘機(jī)器人的效率低，主要表現(xiàn)在對(duì)水果的識(shí)別率和采摘率較低，且損傷率較高。二是采摘機(jī)器人制造成本高，利用率低。這主要是由于水果生產(chǎn)的隨機(jī)性造成的。2014年，辛寶英等8研究出一種菠蘿采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)，但其機(jī)械手切割頸部的結(jié)構(gòu)不是很完善，采摘效率低。筆者根據(jù)菠蘿的實(shí)際種植環(huán)境及其生長(zhǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一類具有較高實(shí)用價(jià)值的菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)，并采用三維數(shù)字化軟件對(duì)菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)進(jìn)行三維建模。同時(shí)，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析。1 菠蘿的物理特性

8、分析菠蘿果實(shí)的相關(guān)參數(shù)8：菠蘿果實(shí)呈橢圓球狀，縱向直徑較長(zhǎng)（2026 cm），橫向直徑較短（約為1824 cm），果實(shí)平均質(zhì)量為1.28 kg/個(gè)。資料顯示，菠蘿植株高為0.71.0 m，與果實(shí)連接處的果柄直徑為36 cm。隨機(jī)選取10個(gè)菠蘿進(jìn)行菠蘿果實(shí)直徑、果柄直徑和質(zhì)量的測(cè)定，結(jié)果如表1所示。2 設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)2.1 設(shè)計(jì)原理 針對(duì)菠蘿采摘作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)，以人工進(jìn)行采摘，勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高還易使人受傷等問(wèn)題，同時(shí)又結(jié)合菠蘿種植間距均勻、行距較大，十分適合機(jī)器采摘條件，設(shè)計(jì)了一種菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)。該設(shè)計(jì)將人工采摘過(guò)程替換為人工控制采摘。由圖1中所建坐標(biāo)可知，駕駛員可經(jīng)控制臺(tái)中控制車身單元已確定

9、菠蘿果實(shí)x坐標(biāo)方向的位置，再經(jīng)控制臺(tái)中控制機(jī)械手單元，在第1控制鍵控制下，機(jī)械手整體部分在輸送導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，已確定菠蘿果實(shí)y軸方向所在的位置，再經(jīng)第2控制鍵控制下，使主液壓桿伸出（此時(shí)的機(jī)械手處于張開(kāi)的狀態(tài)），已確定菠蘿果實(shí)z軸方向所在的坐標(biāo)。將菠蘿果實(shí)在空間完全定位后，操縱第3控制鍵進(jìn)行菠蘿果實(shí)的采摘。最后，在控制機(jī)械手單元操縱下將菠蘿果實(shí)放入收納箱中。如此循環(huán)，進(jìn)行菠蘿果實(shí)的采摘。菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)優(yōu)點(diǎn)：采摘機(jī)機(jī)身較窄，可方便在菠蘿種植間隙中行駛，防止了采摘機(jī)對(duì)菠蘿溝沿與菠蘿植株的破壞。采摘機(jī)的機(jī)械手是從菠蘿上方進(jìn)行定位采摘，因而保證了采摘過(guò)程中菠蘿果實(shí)與植株的枝葉不受損傷。采摘機(jī)輸送導(dǎo)軌的長(zhǎng)

10、度足以對(duì)采摘機(jī)兩側(cè)的菠蘿在y軸方向上的坐標(biāo)進(jìn)行定位并施行采摘，提高了采摘效率。采摘機(jī)在采摘過(guò)程中，機(jī)械手以鋸齒輪對(duì)菠蘿果實(shí)頸部進(jìn)行切斷，保證了果實(shí)頸部可一次性切斷，使采摘過(guò)程可順利完成。2.2 總體設(shè)計(jì) 菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)主要由菠蘿采摘機(jī)械手、輸送導(dǎo)軌、控制臺(tái)、收納箱、車身等幾部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。車身是整個(gè)機(jī)構(gòu)的支撐體，采摘機(jī)械手、輸送導(dǎo)軌、收納箱都固定在其上?？刂婆_(tái)位于駕駛座前方，方便駕駛員對(duì)整個(gè)機(jī)體進(jìn)行控制。收納箱安裝在采摘機(jī)前部，機(jī)械手下方，并可進(jìn)行拆卸，方便果實(shí)的收取。輸送導(dǎo)軌安裝在采摘機(jī)前部向上伸出的支撐體上，為機(jī)械手的采摘運(yùn)行預(yù)留有足夠的高度。采摘機(jī)械手以主液壓桿為連接固定

11、在輸送導(dǎo)軌的滑塊上。駕駛員經(jīng)控制臺(tái)利用電控系統(tǒng)控制機(jī)械手的動(dòng)作，利用液壓動(dòng)力裝置，使機(jī)械手固定住菠蘿，再用鋸齒輪將果實(shí)頸部切斷，最后經(jīng)輸送導(dǎo)軌送到收納箱中，完成菠蘿的采摘。其主要技術(shù)參數(shù)如下：車身尺寸2 500 mm×700 mm×1 970 mm，輸送導(dǎo)軌高度1 965 mm，采摘幅寬1 600 mm，主液壓桿行程380 mm，副液壓桿行程64.2 mm，機(jī)械手開(kāi)度180 mm（理論），鋸齒輪轉(zhuǎn)速240 r/min。3 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 菠蘿采摘機(jī)械手3.1.1 工作原理。采摘原理示意如圖2所示。采摘機(jī)械手由輸送導(dǎo)軌的滑塊11固定主液壓缸10，由主液壓桿支撐軸固定

12、固定架9、13，由固定架固定副液壓桿。副液壓桿支撐軸通過(guò)鉸鏈e、f分別連接連桿3、4，連桿3、4通過(guò)鉸鏈a、b連接夾具1、2，同時(shí)，夾具通過(guò)鉸鏈c、d連接在固定架9、13上。當(dāng)固定架9、13定準(zhǔn)位后，兩個(gè)副液壓桿5、6的支撐軸在液壓力的作用下向兩側(cè)伸出，帶動(dòng)連桿3、4，進(jìn)而使夾具1、2繞鉸鏈c、d旋轉(zhuǎn)合并，夾具1、2下端設(shè)置有鋒利的鋸齒輪，待夾具固定住菠蘿果實(shí)后，鋸齒輪在電控裝置控制下開(kāi)始旋轉(zhuǎn)并向外沖出切斷菠蘿頸部，并套住菠蘿果實(shí)12，完成采摘。3.1.2 總體設(shè)計(jì)及各部件特點(diǎn)。菠蘿采摘機(jī)械手由夾具、鋸齒輪、拉桿、副液壓桿、固定架、主液壓桿等組成。夾具是一種固定裝置，兩片呈圓弧狀，與菠蘿外形相

13、似，起固定、抓緊菠蘿的作用。夾具僅設(shè)計(jì)具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，可以保證抓緊菠蘿的精確度，同時(shí)，夾具還采用具有圓孔的弧形結(jié)構(gòu)，可以減輕夾具的質(zhì)量。為了保證菠蘿頂部不受損傷，夾具上部預(yù)留有足夠的空間。鋸齒輪是一種電控裝置，固定在夾具下端的鋸齒輪槽中，在夾具上一邊一個(gè)，其有兩種運(yùn)動(dòng)，一種是直線運(yùn)動(dòng)，在水平方向上，另一種是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)夾具即將加緊菠蘿時(shí)，由電控系統(tǒng)控制使其在槽中旋轉(zhuǎn)的同時(shí)從槽中沖出，并將果實(shí)頸部切斷。因?yàn)閮蓚€(gè)鋸齒輪預(yù)留有安全的距離，因而兩鋸齒輪不會(huì)打齒。為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，采用市場(chǎng)上的輪轂鋸齒輪，直徑為60 mm。拉桿是純機(jī)械結(jié)構(gòu)，其形狀呈“s”型，在副液壓桿支撐軸的帶動(dòng)下與剪刀的運(yùn)

14、動(dòng)方式類似進(jìn)行張開(kāi)與合并，進(jìn)而帶動(dòng)夾具松開(kāi)或夾緊。副液壓桿固定在固定架上，在液壓力的作用下使副液壓桿支撐軸伸縮，進(jìn)而帶動(dòng)拉桿；固定架是菠蘿采摘機(jī)械手的整體支架，起固定作用；主液壓桿固定在輸送導(dǎo)軌的滑塊上，在液壓力的作用下，帶動(dòng)菠蘿采摘機(jī)械手上下移動(dòng)，以精確調(diào)整采摘適宜的高度。菠蘿采摘機(jī)械手二維機(jī)構(gòu)如圖3所示。3.2 輸送導(dǎo)軌 輸送導(dǎo)軌主要由滑塊、導(dǎo)軌、伺服電機(jī)組成。滑塊下端在主液壓桿連接下固定有機(jī)械手，經(jīng)電控系統(tǒng)控制伺服電機(jī)動(dòng)作，進(jìn)而使滑塊在導(dǎo)軌上做水平運(yùn)動(dòng)。該輸送導(dǎo)軌市場(chǎng)中已存在，導(dǎo)軌長(zhǎng)度可自行定制，控制精度高，并且在滑塊停止后具有鎖死的功能。輸送導(dǎo)軌實(shí)物圖如圖4所示。3.3 控制臺(tái) 控制臺(tái)

15、是整個(gè)菠蘿采摘機(jī)的總控制部位。包括控制機(jī)械手單元與控制車身單元。控制機(jī)械手單元有3個(gè)控制鍵組成，分別控制機(jī)械手整體在導(dǎo)軌上的水平運(yùn)動(dòng)、機(jī)械手整體豎直運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手抓緊菠蘿并實(shí)施采摘?jiǎng)幼鳌？刂茩C(jī)械手單元利用電控系統(tǒng)，使機(jī)械手執(zhí)行動(dòng)作，最后將采摘的果實(shí)放入收納箱；控制車身單元與一般車輛功能類似，控制車身的行駛與轉(zhuǎn)向?？刂婆_(tái)局部簡(jiǎn)略圖如圖5所示。3.4 車身 車身是菠蘿采摘機(jī)的支撐體，并與正常車輛具有相同的功能，進(jìn)行行駛與轉(zhuǎn)向，根據(jù)菠蘿正常種植間距，設(shè)置車身長(zhǎng)2 500 mm、寬700 mm。4 采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特性分析4.1 采摘機(jī)械手極限位置分析 如圖1所示，當(dāng)副液壓缸處于伸出狀態(tài)極限位置，機(jī)械手的

16、夾具1、2處于最大開(kāi)度；當(dāng)副液壓缸收縮到極限位置時(shí)，夾具1、2處于閉合狀態(tài)的極限位置。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，副液壓缸支撐軸的行程設(shè)計(jì)為64.2 mm，使夾具預(yù)留有足夠的開(kāi)度夾緊菠蘿。4.2 鋸齒輪刃口運(yùn)動(dòng)特性分析 線性驅(qū)動(dòng)初始設(shè)置如圖6所示?；趕olidworks中的motion分析，在虛擬三維模型中， 當(dāng)夾具處于線性開(kāi)度最大值時(shí)，線性驅(qū)動(dòng)設(shè)置為64.2 mm，如圖6所示線性驅(qū)動(dòng)初始設(shè)置，可以得到鋸齒輪刃口在果柄徑向方向上的線性位移曲線圖。鋸齒輪刃口線性位移如圖7所示。由圖7可知，鋸齒輪刃口在果柄徑向方向上的線性位移為90 mm（541-451）。根據(jù)表1可知，果柄的平均直徑為43.8 mm，則當(dāng)

17、鋸齒輪刃口在果柄徑向方向上的線性位移為68.1 mm（90-43.2÷2）時(shí)，鋸齒輪刃口開(kāi)始與果柄接觸；當(dāng)鋸齒輪刃口移至472.9 mm（541-68.1）時(shí)，刃口開(kāi)始與果柄接觸。由圖7可知，當(dāng)刃口開(kāi)始與果柄接觸時(shí)，即是3.82 s。5 結(jié)論由于菠蘿樹(shù)、菠蘿果實(shí)和采摘的特殊性，考慮到菠蘿葉中的菠蘿纖維擁有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，若是采用全自動(dòng)機(jī)械化采摘，雖然提高了采摘效率，但同時(shí)也傷害了植株，破壞了菠蘿葉子，將嚴(yán)重影響菠蘿的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，要既經(jīng)濟(jì)有效地采摘菠蘿，同時(shí)又完全脫離人工還是有一定的難度。對(duì)此，該研究設(shè)計(jì)了菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，對(duì)菠蘿采摘機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)及工作原理作了介紹，運(yùn)用

18、solidworks軟件，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬建模，并運(yùn)用motion對(duì)菠蘿采摘機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)整體方案合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，生產(chǎn)成本和運(yùn)行成本低，因機(jī)械手從菠蘿上方采摘，保證了采摘過(guò)程中果實(shí)與植株不受損傷，為菠蘿采摘機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與推廣使用奠定了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1鄭子彥，張萬(wàn)昌，邰慶國(guó).基于dem與數(shù)學(xué)化河道提取流域河網(wǎng)的不同方案比較研究j.資源科學(xué)，2009，31（10）：1730-1739.2 郁崇文，張?jiān)?菠蘿葉纖維的性能研究j.中國(guó)紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，23（6）：17-20.3 劉恩平，郭安平，郭運(yùn)玲，等.菠蘿葉纖維的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀及前景j.紡織導(dǎo)報(bào)，2006（2）：32-