香蕉果串采收柔性?shī)A持裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊松夏，朱立學(xué)，張日紅，田旭峰

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510225）

0 前言

香蕉是世界四大水果之一，國(guó)內(nèi)香蕉的種植面積和產(chǎn)量逐年上升，香蕉產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊。但是在香蕉生產(chǎn)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)的香蕉采收仍然為人工采收，一般都是由2～3人一起完成香蕉串采收，1人負(fù)責(zé)背負(fù)或者抱合香蕉果串，1人負(fù)責(zé)砍斷果柄。人工采收方式勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作效率低，并且容易對(duì)香蕉造成損傷，大大降低香蕉的儲(chǔ)存時(shí)間和質(zhì)量，嚴(yán)重影響香蕉的收獲質(zhì)量，降低了香蕉的價(jià)值[1,2]。因此，高效低損的香蕉機(jī)械采收裝備成為研究熱點(diǎn)。

近年來(lái)，香蕉采收裝備主要集中在兩個(gè)方向：輕簡(jiǎn)型輔助人工采收裝備和智能采收機(jī)械手[3-5]。輕簡(jiǎn)型輔助人工采收裝備需要人工操作，輔助人工進(jìn)行香蕉果串剪切作業(yè)以及香蕉果串接收作業(yè)，雖然一定程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但仍需要人工作業(yè)，且設(shè)備的柔性化程度低，香蕉機(jī)械損傷率較高。智能采收機(jī)械手智能化程度高，作業(yè)精準(zhǔn)率高，不需要人工輔助即可完成香蕉果串的剪切作業(yè)，具有較好的應(yīng)用前景。但是香蕉果串質(zhì)量較大，機(jī)械手剪切后的夾持和轉(zhuǎn)移作業(yè)不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化柔性作業(yè)，限制了采收機(jī)械手的推廣使用。因此，本文針對(duì)采收中的香蕉果串夾持裝置開(kāi)展研究，旨在設(shè)計(jì)自動(dòng)化采收柔性?shī)A裝置，與智能機(jī)械手進(jìn)行協(xié)同采收作業(yè)，提高香蕉采收自動(dòng)化水平。

1 柔性?shī)A持裝置總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)要求

香蕉果串生長(zhǎng)具有以下特點(diǎn)：香蕉果皮比較嬌嫩，容易受到機(jī)械損傷；香蕉果串單串重量普遍較大，且重量差別較大；香蕉果串生長(zhǎng)位置不固定，生長(zhǎng)姿態(tài)呈下垂?fàn)顟B(tài)；香蕉串長(zhǎng)度和直徑尺寸不一。香蕉生長(zhǎng)主要農(nóng)藝參數(shù)如表1所示[6]。

根據(jù)香蕉果串的以上特點(diǎn)，香蕉果串采收夾持裝置應(yīng)具備以下兩項(xiàng)基本功能：

1）夾持裝置應(yīng)具有位置自動(dòng)調(diào)整功能，根據(jù)香蕉果串的生長(zhǎng)高度、果串長(zhǎng)度、果串直徑和果串姿態(tài)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

表1 香蕉生長(zhǎng)主要農(nóng)藝參數(shù)表

2）夾持裝置應(yīng)具有柔性?shī)A持功能，夾持力可以自適應(yīng)調(diào)整，避免對(duì)香蕉果實(shí)造成機(jī)械損傷，在保證不損傷香蕉果實(shí)前提下防止香蕉果串滑落。

1.2 柔性?shī)A持裝置工作原理

香蕉果串機(jī)械化采收柔性?shī)A持裝置主要由夾持定位裝置和柔性?shī)A持爪兩大部分構(gòu)成。夾持定位裝置具有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和電動(dòng)三軸滑動(dòng)模組，可以實(shí)現(xiàn)在立體空間內(nèi)X、Y、Z三個(gè)方向的平移，以及沿Z軸方向的（垂直于地面方向）的旋轉(zhuǎn)，根據(jù)香蕉果串的生長(zhǎng)位置對(duì)夾持裝置進(jìn)行位置調(diào)整。柔性?shī)A持爪安裝在三軸滑動(dòng)模組上，柔性?shī)A持爪具有多對(duì)可以張開(kāi)和閉合的夾爪，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同直徑香蕉果串的夾持，并可針對(duì)不同重量的果串對(duì)夾持力進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。香蕉果串采收柔性?shī)A持裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

香蕉果串夾持過(guò)程如下：在上位采收機(jī)械手完成香蕉果串定位之后，首先通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和三軸滑動(dòng)模組初步調(diào)整夾持爪的位置，將夾持爪調(diào)整至香蕉果串的生長(zhǎng)位置，同時(shí)夾持爪的爪臂打開(kāi)；然后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和三軸滑動(dòng)模組對(duì)夾持爪的位置進(jìn)行精確調(diào)整，使夾持爪可以完全夾住香蕉果串；然后，夾持爪閉合夾緊香蕉果串，并根據(jù)反饋的夾緊力對(duì)夾緊力進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)柔性?shī)A持；最后，在上位采收機(jī)械手完成香蕉果串切割后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和三軸滑動(dòng)模組將香蕉果串搬運(yùn)至擺放位置，并在搬運(yùn)過(guò)程中夾持爪對(duì)夾持力進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，防止香蕉果串滑落。夾持定位裝置和柔性?shī)A持爪的這一系列動(dòng)作由自動(dòng)控制系統(tǒng)完成，并與上位采收機(jī)械手進(jìn)行協(xié)同工作。

圖1 香蕉果串采收柔性?shī)A持裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 夾持定位裝置設(shè)計(jì)

2.1 夾持定位裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持爪定位裝置由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和三軸滑動(dòng)模組組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示?；_(tái)分為X、Y、Z三個(gè)方向，夾持爪直接安裝在Z軸的滑塊上，Z軸安裝在Y軸的滑塊上，Y軸安裝在X軸的滑塊上，以此方式組成滾珠絲桿線軌直線導(dǎo)軌滑臺(tái)模組，實(shí)現(xiàn)夾持爪在三維空間里的運(yùn)動(dòng)。每一軸向的模組電機(jī)工作，帶動(dòng)滑臺(tái)上的滑塊，滑塊上的滑臺(tái)也隨之移動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)XYZ三個(gè)軸向的移動(dòng)。

根據(jù)香蕉果串和香蕉樹(shù)的相關(guān)物理參數(shù)，香蕉串切割高度為 2 200～3 000 mm，X、Y 軸方向的滑臺(tái)伸出量400～700 mm。為了提高定位裝置的工作范圍，X、Y軸方向的滑臺(tái)伸出量為1 000 mm，Z方向上的滑臺(tái)長(zhǎng)度為 2 800 mm。

圖2 夾持爪定位裝置示意圖

2.2 滑臺(tái)模組動(dòng)力計(jì)算

以Z軸模組負(fù)載工況（已夾持香蕉果串）下的動(dòng)力計(jì)算為例。夾持爪直接安裝在Z軸上，因此，Z軸的受力為香蕉果串和夾持爪所受的重力。設(shè)夾持爪重力為M爪，香蕉果串重量為M蕉，香蕉與夾持臂靜摩擦系數(shù)為μ0，l為絲杠螺距，ΖηΖ為絲桿進(jìn)給的效率，n為模組電機(jī)轉(zhuǎn)速。

Z軸上所受的重力：

摩擦力：

Z軸工作時(shí)所需推力：

Z軸模組電機(jī)扭矩：

Z軸模組電機(jī)功率：

3 柔性?shī)A持爪設(shè)計(jì)

3.1 柔性?shī)A持爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持爪由安裝底座、夾持爪臂、銷軸和電動(dòng)推桿組成，夾持爪結(jié)構(gòu)示意圖如3所示。電動(dòng)推桿通電進(jìn)行收縮運(yùn)行，夾持爪臂圍繞銷軸向外轉(zhuǎn)動(dòng)，夾持爪張開(kāi)，將香蕉果串抱合。電動(dòng)推桿通電進(jìn)行伸長(zhǎng)運(yùn)行，夾持爪臂圍繞銷軸向內(nèi)夾緊，夾緊香蕉果串后電動(dòng)推桿鎖死夾持狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)香蕉果串的夾持。

圖3 夾持爪結(jié)構(gòu)示意圖

夾持爪的尺寸方面，為適應(yīng)不同直徑果串的夾持，需要根據(jù)香蕉果串的生長(zhǎng)農(nóng)藝尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)夾持爪的結(jié)構(gòu)尺寸。把香蕉果串在豎直方向上的橫截面模擬成一規(guī)則的圓形，以最大香蕉串直徑參數(shù)700 mm為設(shè)計(jì)參考，對(duì)夾持爪開(kāi)合狀態(tài)進(jìn)行放樣，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出夾持爪主要尺寸。夾持爪開(kāi)合放樣示意圖如圖4所示。

圖4 夾持爪開(kāi)合放樣示意圖

3.2 夾緊力計(jì)算

夾持爪為杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，夾持力計(jì)算參照杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器夾持力計(jì)算方式[7]。設(shè)Fp電動(dòng)推桿單向推力，a為推力作用點(diǎn)與銷軸之間的距離，b為近似夾持作用點(diǎn)與銷軸之間的距離，α為推力Fp在垂直夾持爪臂方向的分力與電動(dòng)推桿之間的夾角。

單根夾持爪臂夾持力：

只有夾持力所產(chǎn)生的摩擦力大于等于香蕉果串的重力才可以保證夾緊。設(shè)香蕉果串與夾持臂之間的靜摩擦系數(shù)為μ0，夾持力需滿足以下條件。

3.3 柔性?shī)A持爪的柔性設(shè)計(jì)

為防止夾持爪在夾緊香蕉果串過(guò)程中對(duì)香蕉果實(shí)造成機(jī)械損傷，需要進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)。柔性設(shè)計(jì)主要集中在夾緊力的設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)基于力饋的電動(dòng)推桿限電流控制方法，控制流程圖如圖5所示。在夾持爪臂內(nèi)側(cè)安裝壓力傳感器，夾持臂夾緊過(guò)程中夾持力逐漸增大，壓力傳感器將壓力信號(hào)傳遞給電動(dòng)推桿控制器，當(dāng)夾緊力所產(chǎn)生的摩擦力足以克服香蕉果串重力后，限電流控制器控制電動(dòng)推桿停止動(dòng)作，并且?jiàn)A持爪鎖定夾緊狀態(tài)。在完成果柄切割后，夾持爪夾持香蕉果串移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中，壓力傳感器監(jiān)測(cè)夾緊狀態(tài)，若發(fā)生夾緊力減小，電動(dòng)推桿立即解除鎖定并由限電流控制器自適應(yīng)調(diào)整夾緊力，繼續(xù)控制夾持器夾緊，維持香蕉果串的夾緊狀態(tài)。

圖5 控制流程圖

此外，為防止硬質(zhì)夾持爪臂對(duì)香蕉果實(shí)造成損傷，在夾持爪臂覆蓋一層丁二烯橡膠保護(hù)層，橡膠保護(hù)層通過(guò)滴加強(qiáng)力膠水在夾持爪爪尖，使橡膠保護(hù)層固定在爪尖上。

4 結(jié)論

香蕉果串夾持是實(shí)現(xiàn)香蕉果串固定的有效措施，可以較好地與機(jī)械手協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)香蕉果串的自動(dòng)化采收。本研究基于香蕉種植和生長(zhǎng)特性，對(duì)人工采摘作業(yè)過(guò)程進(jìn)行仿真，提出了一種模擬人工抱合動(dòng)作的香蕉果串夾持裝置設(shè)計(jì)方案，將香蕉果串柔性?shī)A持裝置分為夾持定位裝置和柔性?shī)A持爪2部分，對(duì)各部分的工作原理、結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，并通過(guò)設(shè)計(jì)基于力饋的電動(dòng)推桿限電流控制方法實(shí)現(xiàn)夾持爪的柔性?shī)A持和夾持力自適應(yīng)調(diào)整。夾持定位裝置調(diào)整柔性?shī)A持爪的位置對(duì)香蕉果串定位，由柔性?shī)A持爪自動(dòng)夾緊香蕉果串，從而與采收機(jī)械手實(shí)現(xiàn)協(xié)同采收作業(yè)，減輕了人工采摘的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低采收機(jī)械損傷。