獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　摘要：設(shè)計(jì)一種針對(duì)早期獼猴桃果實(shí)較硬時(shí)采摘的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分析獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)、抓取、采摘等方面的性能和技術(shù)指標(biāo)。獼猴桃在采摘時(shí)被紙袋包裹，在保證夾取果實(shí)而不被壓壞的最小壓力下減少果實(shí)的磨損，該機(jī)械采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)加拉扯共同作用，可實(shí)現(xiàn)獼猴桃采摘的徹底性。

　　關(guān)鍵詞：獼猴桃;機(jī)械手;末端執(zhí)行機(jī)構(gòu);設(shè)計(jì)

　　隨著科技的發(fā)展，機(jī)械采摘方面也在不斷發(fā)展，水果采摘機(jī)械手也在廣泛使用中，不同呆蔬的生長(zhǎng)特點(diǎn)和采摘要求不同，采摘的方式也不同，在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上也存在差異[1。1�，F(xiàn)階段獼猴桃多采用棚架式結(jié)構(gòu)栽培，生長(zhǎng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，果實(shí)垂直于藤蔓上面，底部空間較大，不受枝干、樹葉、果實(shí)等干擾，有利于采摘?jiǎng)幼鞯膶?shí)施臥_5]。采摘末端執(zhí)行器從果實(shí)兩側(cè)抓取，左右翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)果柄分離，但是并沒有利用好下方空間，也沒有考慮對(duì)相鄰果實(shí)的影響;劉繼展等嘲對(duì)番茄果柄折斷特性進(jìn)行了研究，為果實(shí)采摘提供了依據(jù);凌行方L73研究的“一種果品采摘機(jī)械手”采用鉗刀剪切進(jìn)行果實(shí)摘取，但存在實(shí)際操作困難，刀片容易損傷果實(shí)表皮的問題。

　　從目前對(duì)獼猴桃采摘機(jī)器人的研究來看，果柄分離裝置主要有2種：①采用切斷方式，即利用切刀將獼猴桃果柄直接切斷，這種方式需要對(duì)切斷點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，同時(shí)機(jī)械手腕還需要有足夠靈活的自由度進(jìn)行調(diào)節(jié)，該方法能夠提高采摘的效率，但采摘風(fēng)險(xiǎn)大，控制不精準(zhǔn);②利用機(jī)械手的連桿機(jī)構(gòu)控制機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，通過扭力實(shí)現(xiàn)果柄分離，避免了剪切時(shí)錯(cuò)位對(duì)果實(shí)的影響，機(jī)械式結(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單。為了實(shí)現(xiàn)獼猴桃在采摘過程中減小果實(shí)損傷，以及提高抓取的穩(wěn)定性，本研究設(shè)計(jì)的獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種能夠適應(yīng)獼猴桃生長(zhǎng)環(huán)境、枝條結(jié)構(gòu)進(jìn)行抓取和采摘的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)充分利用棚架底部的富余空間，采用鉗式組合、四指抓取，在機(jī)械手指表面貼附有壓力傳感器，從下方接近果實(shí)，四指包絡(luò)抓取果實(shí)中部。通過末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，使獼猴桃果實(shí)與果柄快速分離。

　　1獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

　　1.1設(shè)計(jì)要求

　　本裝置針對(duì)獼猴桃進(jìn)行采摘，普通果實(shí)的大小一般為長(zhǎng)6cm，寬3cm[8]，在采摘過程中，針對(duì)果實(shí)規(guī)格的差異，要保證有足夠大的力夾緊果實(shí)以及在抓取過程中不至于從旁邊漏出，要求機(jī)械手指同步運(yùn)動(dòng)，采用四指抓取;在果柄分離時(shí)需要保證抓取的力不能太小，保證在旋轉(zhuǎn)過程中果實(shí)不隨手指相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)夾取力不能過大而損傷果實(shí)，采用上下抓取方式，結(jié)果表明果實(shí)近似球形，球度為o.84，果實(shí)損傷壓力不宜大于15N(對(duì)應(yīng)弧形壓頭的壓強(qiáng)為18.75kPa)，果實(shí)采摘過程中最大壓力6.35N，對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)為12.53kPa，才能保證獼猴桃果實(shí)的無(wú)損采摘[911…。另外，采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)還需滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、操作方便等要求n1_”]。

　　1.2末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)的獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)由夾持裝置、自由伸縮裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、傳感器及控制裝置和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。獼猴桃機(jī)械采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持裝置設(shè)計(jì)需要有效地夾住獼猴桃的外圍，并盡量保證受力均勻且不至于滑落。夾取裝置的運(yùn)動(dòng)主要通過絲杠電機(jī)提供動(dòng)力，其前端的工作手指分別安裝在由2根桿件鉸接與固定的四角裝置上，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)耳片的上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指的張開與收緊。四角裝置的直徑為60mm，抓取手指帶有一定的弧度，能更好地與獼猴桃外表面貼合，同時(shí)手指的內(nèi)側(cè)貼有壓力傳感器，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)電機(jī)停止工作，以防止抓取壓力過大壓傷果實(shí)。

　　針對(duì)以上2種獼猴桃采摘果柄分離方式存在的弊端，在原有的通過機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，利用扭力實(shí)現(xiàn)果柄分離的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。果柄分離裝置是將驅(qū)動(dòng)手指的電機(jī)嵌入一殼體中，與此構(gòu)成一個(gè)整體，再通過伺服電機(jī)帶動(dòng)殼體旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)夾持裝置整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)獼猴桃果實(shí)與果柄相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使果柄分離。其次，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)變的較細(xì)長(zhǎng)，整體結(jié)構(gòu)的最大寬度為9.75cm，更好地適應(yīng)了獼猴桃果實(shí)生長(zhǎng)密集特性下的采摘。

　　1.3獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

　　獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采摘流程。工作時(shí)，通過采摘手末端的圖像識(shí)別技術(shù)確定獼猴桃果實(shí)所在位置，絲杠電機(jī)7通過旋轉(zhuǎn)使連接件6做上下運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)采摘手指l的張開，接觸獼猴桃果實(shí)后絲杠電機(jī)開始反向旋轉(zhuǎn)，手指開始夾緊果實(shí)。為了實(shí)現(xiàn)獼猴桃果實(shí)采摘過程中減少磨損，在4個(gè)手指的內(nèi)表面貼附貼片式壓力傳感器，控制夾持裝置夾取獼猴桃時(shí)的壓力，避免獼猴桃在采摘過程中對(duì)其外表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成刮傷和夾傷，當(dāng)夾取壓力達(dá)到設(shè)定的壓力值時(shí)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，不再繼續(xù)夾緊果實(shí)。此時(shí)旋轉(zhuǎn)電機(jī)8開始運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)7安裝在電機(jī)殼3中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)夾持裝置做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)8旋轉(zhuǎn)一定角度后果柄已基本分離，再由機(jī)械臂向下拉扯，從而實(shí)現(xiàn)采摘的徹底性。

　　2獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

　　2.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的理論分析

　　獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)四指的運(yùn)動(dòng)依靠絲杠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連接件6上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)四指的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手指中的各桿件繞著各鉸接點(diǎn)做不完整圓周運(yùn)動(dòng)。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)手指內(nèi)表面貼附壓力傳感器，保證抓取時(shí)有足夠的抓取力，在抓取和扭轉(zhuǎn)時(shí)不至于產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，而且壓力小于果實(shí)破壞時(shí)最小壓力，若沒有這個(gè)條件將很難保證獼猴桃果實(shí)采摘時(shí)的精度。

　　3獼猴桃采摘機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端執(zhí)

　　行機(jī)械的受力分析普通獼猴桃的單果質(zhì)量在80～100g，手指的加載力為7N，對(duì)果實(shí)進(jìn)行抓取受力模擬仿真分析。獼猴桃果實(shí)表面所受到的最大壓力小于不受損時(shí)的壓力12.53kPa，四指抓取滿足無(wú)損采摘的要求。

　　4結(jié)論

　　本研究設(shè)計(jì)的～種針對(duì)獼猴桃采摘的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用四指抓取減少了夾取過程中果實(shí)側(cè)漏、滑落的情況，通過在機(jī)械手指的內(nèi)表面貼附壓力傳感器，減少了果實(shí)在采摘過程中的磨損。對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，降低了控制模塊的復(fù)雜性，使制作成本也大幅度降低。采用旋轉(zhuǎn)加拉扯共同作用，旋轉(zhuǎn)使得果柄與果實(shí)的連接處出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形而松動(dòng)，加之向下拉扯力的作用使果柄與果實(shí)分離，從而有效地實(shí)現(xiàn)了獼猴桃采摘的徹底性，也為其他水果的機(jī)械采摘提供了參考依據(jù)。本設(shè)計(jì)仍存在一些不足之處，由于獼猴桃為藤蔓植物，在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到果實(shí)在采摘時(shí)的柔性變形，如果從農(nóng)藝方面人手，改變枝條在棚架上的狀態(tài)，可以很好地解決這個(gè)問題。

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　　農(nóng)藝師論文投稿刊物：《當(dāng)代農(nóng)機(jī)》扎根農(nóng)村，面向農(nóng)業(yè)，立足農(nóng)機(jī)，服務(wù)農(nóng)民，以介紹農(nóng)機(jī)法規(guī)、培訓(xùn)技術(shù)人才、傳遞科技信息、交流致富經(jīng)驗(yàn)為宗旨，以廣大的拖拉機(jī)和農(nóng)用運(yùn)輸車駕駛員、農(nóng)機(jī)具操作手、農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)企業(yè)和基層農(nóng)機(jī)工作者為最佳讀者群，以圍繞農(nóng)機(jī)管理、經(jīng)營(yíng)、使用提供信息、傳授技術(shù)、交流經(jīng)驗(yàn)、普及知識(shí)為主要內(nèi)容。

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