基于凸輪傳動(dòng)的便攜式櫻桃采摘器設(shè)計(jì)

林潘忠

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035）

櫻桃采摘是一個(gè)非常費(fèi)時(shí)耗力的過程，在國(guó)內(nèi)至今無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采摘，其原因有以下兩點(diǎn)：一是因?yàn)闄烟覙潴w本身復(fù)雜，較難適合機(jī)械化作業(yè)；二是為了使果實(shí)保存較久，一般將櫻桃果柄一起摘下，這就需要人工慢慢采摘。國(guó)外也開發(fā)了大型櫻桃采摘機(jī)械[1]，其樹型一般要做特定形式的修剪，只適合于大規(guī)模、規(guī)范化果園，在我國(guó)并不適用。

目前國(guó)內(nèi)研究較多的櫻桃采摘機(jī)構(gòu)大多圍繞機(jī)器視覺來進(jìn)行相關(guān)研究。張麗[2]等結(jié)合圖像處理技術(shù)和模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一款櫻桃采摘機(jī)器人，利用PC上位機(jī)對(duì)櫻桃圖像進(jìn)行采集處理識(shí)別成熟的櫻桃。張起榮[3]等基于視覺識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式的櫻桃采摘機(jī)器人，通過分段路徑規(guī)劃對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，對(duì)櫻桃球模型進(jìn)行重建，用最小二乘法求出櫻桃質(zhì)心位置，實(shí)現(xiàn)櫻桃的定位。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水果采摘自動(dòng)化取得了一系列的成果[4-6]，但總體來講機(jī)器視覺用于櫻桃采摘機(jī)械需要復(fù)雜的識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備的要求較高，成本高。另一方面，櫻桃果柄與果樹之間連接緊密，人工采摘櫻桃是采用“扭”的方式將果柄摘下，機(jī)械結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)這一動(dòng)作，造成果實(shí)采摘破碎率高。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種便攜機(jī)械式的要采摘機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條、凸輪和不完全齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用不完全齒輪的空轉(zhuǎn)與嚙合完成櫻桃定位、夾緊和采摘的過程，可模仿人工采摘的過程，確保櫻桃果實(shí)的完整性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由手持部分、伸縮桿、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)，不完全齒輪機(jī)構(gòu)、夾持手、采摘頭等組成。采摘時(shí)，人通過控制后端的手柄，實(shí)現(xiàn)鋼索的前后運(yùn)動(dòng)，鋼索帶動(dòng)拉壓塊，從而帶動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，不完全齒輪與凸輪機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)成為一體，不完全齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)夾頭實(shí)現(xiàn)采摘的動(dòng)作。本機(jī)構(gòu)采用不完全齒輪與齒條框的配合作為動(dòng)力，利用凸輪使從動(dòng)件獲得模仿人工采摘的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠。

圖1 采摘機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了模擬人工一只手扶住樹枝的動(dòng)作，我們選擇凸輪作為執(zhí)行原動(dòng)件，如圖2所示，凸輪與齒輪同軸，拉桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)齒條、使齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的曲線變化帶動(dòng)擺桿來完成樹枝的夾持；當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過一定角度后進(jìn)入休止?fàn)顟B(tài)，不再繼續(xù)夾緊樹枝。兩夾持臂用鋼片制作，具有一定的彈性，使夾持時(shí)能自適應(yīng)不同粗細(xì)的樹枝。

采摘果實(shí)的動(dòng)作我們利用不完全齒輪的特性來實(shí)現(xiàn)，夾桿夾緊樹枝后，凸輪進(jìn)入休止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)齒輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不完全齒輪與齒條框進(jìn)入嚙合狀態(tài)，齒條框向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)采摘頭推向櫻桃柄與樹枝連接處，將櫻桃從樹枝上頂下。

2.2 凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪機(jī)構(gòu)主要用來實(shí)現(xiàn)夾桿的穩(wěn)定夾緊等功能，根據(jù)不完全齒輪的設(shè)計(jì)，8個(gè)齒的角度θ=83.68°，所以凸輪需要在90°范圍內(nèi)完成所需行程的變化。

通過運(yùn)動(dòng)仿真，當(dāng)不完全齒輪由初始位置轉(zhuǎn)過21.5°時(shí)，開始與齒條嚙合，而凸輪的從動(dòng)件又分上升階段與休止階段，所以設(shè)定凸輪推程角為30°，為了使運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，采用等加速等減速的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)解析法設(shè)計(jì)凸輪，設(shè)定凸輪的基圓半徑r0=7.4mm，推程為1.1mm，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如表1所示，最終得到完整的凸輪輪廓線如圖3所示。

表1 從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖3 凸輪結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊與使用精巧等方面，本文巧妙運(yùn)用了放大機(jī)構(gòu)。通過圖中數(shù)據(jù)可知，將抓手的運(yùn)動(dòng)近似的看成直線，凸輪行程S=1.1mm，通過擺桿與彎夾桿的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，可使距離放大為14mm，便于櫻桃的采摘。

圖4 凸輪與擺桿行程放大圖

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

如圖5所示，手持部分的基本形狀類似于剪刀手把，固定手柄與伸縮桿連接，活動(dòng)手把與固定手柄間用鉸鏈連接，活動(dòng)手把與內(nèi)部的鋼索連接，拉桿與操控箱內(nèi)的齒條相接，齒條與齒輪嚙合。當(dāng)活動(dòng)手把閉合時(shí)，會(huì)帶動(dòng)鋼索松開、拉緊，當(dāng)鋼索拉緊時(shí)，拉動(dòng)與之連接的拉桿，拉桿帶動(dòng)齒條，齒輪帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證裝置的可靠性，在理論分析與計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作了櫻桃采摘機(jī)構(gòu)實(shí)物，并對(duì)所制作的實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。為驗(yàn)證該采摘裝置的使用效果，使用本裝置在櫻桃園中與采摘人員同時(shí)采摘，對(duì)采摘效果進(jìn)行比較。本次實(shí)驗(yàn)采摘單棵果樹，以單位時(shí)間內(nèi)采果數(shù)量作為參考依據(jù)，并且實(shí)時(shí)記錄兩組的采摘情況，結(jié)果如表2所示。

表2 本裝置與人工采摘效果對(duì)比

通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，本采摘裝置在5分鐘左右采摘267顆櫻桃，平均速度約為54個(gè)/min；而傳統(tǒng)人工采摘平均速度約為46個(gè)/min。本采摘裝置的的主要優(yōu)勢(shì)在于省力快捷，不僅定位方便，整個(gè)采摘過程輕松不費(fèi)力。人工采摘伴隨著勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)時(shí)間的增加，采摘效率將進(jìn)一步降低。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種雙齒輪聯(lián)動(dòng)櫻桃采摘器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)櫻桃的高效率采摘，降低櫻桃采摘工的勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘難度，達(dá)到省時(shí)省力的效果。采摘器可模擬人工采摘櫻桃的過程，在采摘過程中不損傷櫻桃，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。