多功能蘋果采摘包裝機的設(shè)計與仿真

左 斌， 張永康， 郭南初

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇蘇州215104）

0 引 言

中國是世界上蘋果產(chǎn)量第一大國，其產(chǎn)量占世界蘋果總產(chǎn)量的60%，也是世界蘋果消費大國，每年蘋果需求量達到了世界總量的50%［1-5］。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù)顯示，最近10 年來蘋果的種植產(chǎn)量和種植面積每年都在穩(wěn)步增長，截止到2018 年年底，共有3 923 萬t的蘋果產(chǎn)量，隨著蘋果產(chǎn)量的增加卻給采摘帶來了一系列的問題［6-8］。

目前，國內(nèi)蘋果的采摘多采用人工進行，在采摘過程中存在勞動量大、人力成本高、耗時長，采摘效率低等問題［9-11］。國外早已從手工方式轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械化、智能化的機器人采摘。Brown 等［12］初次提出了以機器人技術(shù)為主的半自動化果蔬采摘技術(shù)，Kondo［13］等開發(fā)了番茄采摘機器手，Muscato 等［14］成功研發(fā)了柑橘采摘機器人。本文設(shè)計了一種新型的力度可控的多功能蘋果采摘包裝機，可實現(xiàn)不同大小的蘋果采摘并實現(xiàn)自動包裝，大大降低采摘成本、人工勞動強度，節(jié)約了采摘時間。

1 蘋果采摘包裝機整體設(shè)計結(jié)構(gòu)與原理

蘋果采摘器主要由機械采摘頭、手持伸縮桿、控制系統(tǒng)、包裝裝置和行走小車組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蘋果采摘包裝機整體結(jié)構(gòu)

蘋果采摘器的功能如下：采摘時，行走小車在控制系統(tǒng)作用下開至果園處，手持式伸縮桿將機械采摘頭送至蘋果附近，按下控制系統(tǒng)面板上的采摘鍵，機械采摘頭抓取蘋果；通過采摘頭上的壓力傳感器控制抓取力大小，當抓取力達到設(shè)定值時，采摘頭中的電動機會按照設(shè)定參數(shù)進行旋轉(zhuǎn)擰斷蘋果根蒂；隨后采摘頭會自動松開采摘的蘋果，掉落的蘋果通過輸送軟管緩慢進入包裝裝置；包裝裝置在控制系統(tǒng)的作用下對蘋果進行封裝，最終完成從蘋果采摘到包裝的一體化采摘作業(yè)。該裝置能滿足不同高度的果樹及不同大小的蘋果采摘作業(yè)。

1.1 機械采摘頭

目前國內(nèi)現(xiàn)有的采摘頭大多只能實現(xiàn)簡易的拉拽或旋轉(zhuǎn)功能，而水果采摘的力度和時間均需通過人力控制，效率較低［15］。本文中所提供的是一種自動化程度較高的機械采摘頭，可以提高采摘效率，結(jié)構(gòu)如圖2所示，由三爪、壓力傳感器、連桿、抓取電動機和旋轉(zhuǎn)電動機等部分組成。三爪外端裝有橡膠套防止蘋果損傷，三爪通過連桿連接在采摘頭上，實現(xiàn)張開與閉合動作。抓取電動機則通過驅(qū)動滑塊上下移動來控制三爪的抓取動作，旋轉(zhuǎn)電動機固聯(lián)在支撐桿上起到擰斷蘋果根蒂的作用。三爪上配有壓力傳感器，利用傳感器特性控制抓取電動機在采摘水果時力的大小。以上結(jié)構(gòu)中的壓力傳感器的型號為HX711，量程為0.5 ～5 kg，兩種小型的電動機均為直流電動機，型號為25GA370，空載最高轉(zhuǎn)速為2 000 r／min，電壓為12 V，空載電流為100 mA。

圖2 采摘機械手結(jié)構(gòu)

1.2 自動包裝裝置

自動包裝裝置主要由自動包裝機、自動碼箱機構(gòu)和行走小車組成，如圖3 所示。

圖3 自動包裝裝置結(jié)構(gòu)

包裝機用來包裝水果，它是自動包裝裝置的核心機構(gòu)；碼箱機構(gòu)是對水果進行自動裝箱處理；小車是在包裝裝置的最下端，用來運送包裝裝置。

488 Effects of stromal cell-derived factor 1 of spinal dorsal horn on central sensitivity and allodynia in rats with persistent pain evoked by skin/muscle incision and retraction

自動包裝機結(jié)構(gòu)如圖4 所示，由導(dǎo)向輪、合攏密封器、驅(qū)動輪和切斷密封器組成。

圖4 包裝機結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向輪固定在包裝裝置的上部，包裝時兩個導(dǎo)向輪以相反方向轉(zhuǎn)動，引導(dǎo)包裝膜向前運動；合攏密封器分別固定在包裝機正面的左右兩側(cè)，通過直流電動機帶動兩個合攏密封器實現(xiàn)相向運動完成包裝膜的密封；驅(qū)動輪安裝在合攏密封器的下部，密封的包裝膜在驅(qū)動輪的牽引下繼續(xù)向下運動一個水果的包裝長度；切斷密封器上配有電加熱絲，通過電動機轉(zhuǎn)動使得兩個密封器相向運動完成包裝膜的切斷。

自動碼箱機構(gòu)如圖5 所示，由水果箱、絲母座、絲桿、軸承座、固定架等組成。

圖5 碼箱機構(gòu)

水果箱設(shè)計成與水平面傾斜20°，由此可利用引力使蘋果始終處于最低處。蘋果包裝完成后自動落入最低處，當箱子最底部排滿蘋果后，絲杠會驅(qū)動絲母座帶動水果箱移動大于一個蘋果的直徑距離，進行第2排的水果裝箱，依此反復(fù)直至整個水果箱碼箱完成，按下出箱鍵，碼好的整箱水果從包裝機內(nèi)推出，完成操作。

行走小車如圖6 所示，由底盤、動力輪、履帶輪和履帶組成，底盤是由多根型材組合而成，動力輪分別通過推力軸承連接在左右兩側(cè)的型材上，履帶式運載底座確保在較為惡劣的環(huán)境下也能順利作業(yè)，小車可以實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)、前后移動等動作。

圖6 行走小車

1.3 控制系統(tǒng)

采摘器的控制系統(tǒng)由機械采摘手張、合和自動包裝控制組成。以壓力傳感器為信號，通過單片機STC89C52RC-40I控制直流電動機來驅(qū)動機械手張、合動作。自動包裝裝置入口設(shè)有紅外探測儀，當水果落下，探測儀感知后，輸出信號，包裝機開始運作，控制系統(tǒng)流程如圖7 所示，通過伸縮桿將機械手送到水果附近，機械手自動抓取水果，當抓取力達到預(yù)設(shè)值抓取動作完成，機械手開始旋轉(zhuǎn)擰下水果，隨后機械手自動張開，水果落入輸送管道進入包裝系統(tǒng)，包裝后水果落入自動碼箱機構(gòu)，進行自動碼箱?？刂齐娐穼嵨锶鐖D8所示，包括電源、運行電動機、通信輸出線、壓力傳感器開關(guān)和顯示屏控制等組成。

2 采摘機械手相關(guān)計算

2.1 運動學(xué)分析

采摘機械手是蘋果采摘器最為核心的部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅影響采摘的動作，而且影響采摘的效率，有必要對其進行運動學(xué)分析，以驗證其動作的可靠性以及運行的靈活性。

圖7 控制系統(tǒng)流程圖

圖8 操作控制面板

采摘機械手的抓取動力源是由抓取電動機驅(qū)動滑塊實現(xiàn)機械爪頭的張開和閉合，其機構(gòu)簡圖如圖9所示。

圖9 采摘機械手機構(gòu)簡圖

根據(jù)下式

可以計算出采摘機械手的機構(gòu)自由度為1，而該抓取動作是由一個電動機作為原動件的，該采摘機械手的運動是確定的，符合運動學(xué)原理。式中：F為機構(gòu)的自由度；n為活動構(gòu)件的數(shù)目；Pl為低副的數(shù)目；Ph為高副的數(shù)目。

根據(jù)機構(gòu)簡圖繪制出采摘機械手的封閉矢量圖，如圖10 所示。該機構(gòu)的矢量方程為：

式中：l1、l2分別為采摘頭旋轉(zhuǎn)點到固定鉸鏈、滑塊的長度；h為固定鉸鏈到滑塊的偏心距；S 為滑塊移動的距離。

圖10 采摘機械手矢量圖

矢量方程在x、y上投影關(guān)系如下：

式中：θ1、θ2分別為l1、l2與水平面的夾角；ω1、ω2分別為l1、l2對應(yīng)的角速度；a1、a2分別為l1、l2對應(yīng)的角加速度。

2.2 受力分析

機械采摘頭共有3 個均勻?qū)ΨQ分布的爪片，采摘蘋果時，機械采摘頭的多個爪片共同配合夾持水果，爪片在夾持和松開水果時相互間均保持120°的幾何對稱關(guān)系且動作一致。因此不考慮微觀上的影響，3 個爪片受力相同。如圖11 所示，以1 個爪片夾持蘋果時的情形作為研究對象進行分析。F1為第一個爪片作

圖11 蘋果受力分析圖

用于蘋果的夾持力，F(xiàn)1f為第一個爪片作用于蘋果的摩擦力，θ為夾持爪片與蘋果中心的夾角，將F1和F1f分解成水平和豎直方向上的分力如下：

同理，由式（8）可得F2、F2f、F3和F3f在水平和豎直方向上的分力，因此可以列出蘋果在夾持時的平衡方程：

考慮到3 個爪片對蘋果的夾持力相等，式（9）可以簡化為：

如果取摩擦系數(shù)μ為已知值，可以由式（10）進一步求解，得：

由（11）可知，夾持力F1的大小取決于水果的重量、爪片的材質(zhì)和水果的大小，水果越重，所需的夾持力就越大；爪片材質(zhì)越粗糙，所需的夾持力就越小。

3 采摘機械手仿真分析

3.1 運動學(xué)仿真

為了驗證采摘機械手的運動特性，對其進行運動學(xué)仿真。利用Solidworks［16］建立采摘機械手的三維模型，并在其motion環(huán)境下設(shè)置運動副的類型和加載電動機驅(qū)動進行運動學(xué)仿真。

圖12 所示為采摘機械爪片的角速度曲線圖，在整個抓取過程中，角速度每秒變化只有±0.4°，運動平穩(wěn)性好，可以完成相應(yīng)動作。隨著爪片的閉合，角速度的變化逐步變小。

圖12 采摘機械爪片的角速度

圖13 所示為采摘機械爪片的角加速度曲線圖，在整個抓取過程中，角加速度的變化為0.34°／s，故在采摘過程中無劇烈振動。

圖13 采摘機械爪片的角加速度

3.2 力學(xué)分析

由前面分析可知，該采摘頭的3 個爪片之間的受力基本一致，故只對其中一個爪片進行ANSYS有限元仿真分析。采摘過程不允許采摘頭出現(xiàn)塑性變形，必須保證受力過程中處于它的彈性范圍內(nèi)。采摘頭的材料選擇PE，其密度為950 kg／m3，彈性模量為0.8 GPa，抗拉強度為30 MPa，抗壓強度為20 MPa，網(wǎng)格劃分單元采用6 面體Hex Dominant，如圖14 所示。

圖14 采摘機械爪片網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分完成后，添加左側(cè)和底部兩個圓柱孔為固定約束，加載抓取水果時傳感器設(shè)定的最大壓力為60 N［17］，通過有限元計算出采摘頭的應(yīng)變分布如圖15 所示，最大的變形出現(xiàn)在爪片的頭部上，變形量為0.194 mm，滿足結(jié)構(gòu)的基本要求。

圖15 采摘機械爪片應(yīng)變分布圖

采摘機械爪片的應(yīng)力分布圖如圖16 所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底部凸耳與主體連接處，其值為3.25 MPa，低于其抗拉和抗壓強度值，故該采摘機械爪片的設(shè)計符合強度要求。

圖16 采摘機械爪片應(yīng)力分布圖

4 實 驗

根據(jù)蘋果采摘包裝機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動分析，制作的蘋果采摘器實物樣機如圖17 所示，實驗在室外進行，經(jīng)過多次不同高度的采摘試驗，均能完成水果采摘和包裝。該裝置采用單片機控制機械手抓取水果，掉落的水果經(jīng)管道到達包裝機處，包裝機在傳感器的控制下完成水果的包裝，整個過程自動化程度高，采摘效率高，3 s左右即可完成水果的自動采摘和包裝，且適用于多種采摘場地。

圖17 蘋果采摘器實物圖

5 結(jié) 語

本文提供了一種集采摘和包裝于一體的多功能采摘器，可應(yīng)用于多種水果的采摘。通過分析，該采摘器的結(jié)構(gòu)合理，強度滿足要求，經(jīng)試驗采摘效率也明顯高于人工采摘。其設(shè)計特點主要有：自適應(yīng)機械手，可以自動抓取且力度可控；自動化包裝機及碼箱于一體，實現(xiàn)了從采摘到包裝的自動化過程；模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)巧妙、簡易，裝拆便捷，可配置不同類型的采摘頭，適用于不同種類水果的采摘。該裝置具有良好的應(yīng)用前景和推廣價值，目前該項項裝置已經(jīng)申請國家發(fā)明專利（ZL201820866606.7、ZL201820816431.9）。