沙果采摘機升降裝置設計及仿真

畢可喬 ， 孫立鵬 ， 王 慧 ， 張曉龍

（1.黑龍江農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯市潛興農(nóng)業(yè)機械研發(fā)有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

0 引言

我國的水果生產(chǎn)量一直居世界前列[1]。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2019年我國果園種植面積共計1.841 5億畝。因此，水果采摘工作量巨大，在采摘過程中還要注意果實采摘的質(zhì)量，質(zhì)量的好壞直接影響著產(chǎn)品的價格、儲存、運輸?shù)群罄m(xù)工作[2]。針對上述問題，國內(nèi)外相關專家學者研發(fā)出多種水果采摘機械[3-4]。Abundant公司推出一款新型吸氣式蘋果采摘機器人（通過樹上抽真空的方式來采摘蘋果）。該機器人通過視覺傳感技術來辨別樹上果實的成熟度，采摘過程不會傷害果樹、果枝、果實。英國奧克杜（Ocadu）公司研發(fā)的一款柔軟手臂機器人，通過改變材料內(nèi)部的壓力來采摘東西，機器人的手臂、手指、手掌可以通過調(diào)節(jié)本身的結(jié)構(gòu)形狀來配合物體的形狀，能在保護對象結(jié)構(gòu)的同時，將實物摘下。華南農(nóng)業(yè)大學研發(fā)了一種新型荔枝采摘機器人，該機器人采用雙立體的視覺對果實進行準確定位，用夾指夾緊枝條，再用剪切的方式切斷果枝，該機器適用于多種采摘對象，通用性強[5]。

沙果是水果產(chǎn)業(yè)中重要的水果之一，是一種營養(yǎng)價值很高的水果。沙果的果實較小，果皮較薄，采摘過程中，果皮易破損，影響售賣價格[6]。本研究結(jié)合上述水果采摘機械研究現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)沙果采摘機械發(fā)展情況，提出一種自走式沙果采摘機。升降臺是該機關鍵裝置，影響著整機的采摘效率，因此，本研究重點對其升降裝置進行理論分析及有限元仿真，保證其工作可靠，提高采摘效率，降低收獲成本，對沙果采摘機械的發(fā)展有重要理論意義。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

自走式沙果采摘機由采摘系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。其中采摘系統(tǒng)包含采摘機械手、果實收集箱等，動力系統(tǒng)包括電源（太陽能板、蓄電池等）、行走裝置和折疊式升降裝置。該機采用太陽能與蓄電池混合提供動力，解決了單一方式供能時間短的問題，打破對傳統(tǒng)能源的依賴。該機器通過視覺傳感技術，利用攝像頭采集信息反饋到控制系統(tǒng)，判別沙果的成熟度，使用機械手對滿足要求的沙果進行采摘。當采摘機靠近果樹時，通過電機輸出的動力，在腰部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)固定，折疊式升降裝置升高，使底部行走機構(gòu)帶動機械手調(diào)整高度接近果實，由控制系統(tǒng)發(fā)出指令調(diào)節(jié)氣壓缸，實現(xiàn)機械手的俯仰動作。機械手張開手指，將樹枝包圍，利用氣流的吸氣作用，果實被吸附在橡膠吸嘴上，機械手閉合，反方向移動到收集箱位置，機械手打開并旋轉(zhuǎn)90°將沙果放入果實收集箱內(nèi)，結(jié)束一次采摘。

2 升降裝置仿真分析

2.1 理論分析

折疊式升降裝置的結(jié)構(gòu)簡圖與整體受力分析分別如圖1、圖2所示，ae單桿受力如圖3所示，d、f兩點為在頂板與底板固定點，a、c為左右移動點，推桿推力為f（取f＝0.45），桿長為l＝0.5 m，重量忽略不計；α為各桿與平面的夾角（α＝45°）；θ為底桿與y方向的角度（θ＝60°）；γ與β分別取30°與60°；G為頂板上載荷重量（G＝50 kg×9.8 N/kg＝490 N）；P為線矩（P＝0.25 m）；o、i分別為ae、ec桿對稱點；對各個機構(gòu)力列出方程求解，計算出各絞點力的大小[7]。

圖1 升降裝置結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 整體受力分析

圖3 ae單桿受力分析圖

各絞點力分析方程：

則：

ae桿受力分析：

整理得：

2.2 仿真模型的建立

利用Creo 5.0建立三維模型，對升降裝置的零件進行繪制并完成裝配，如圖4所示。

圖4 升降裝置三維模型

建立基準點，單擊裝配圖中升降裝置的末端一點；進入Creo 5.0功能板中Simulate模塊，單擊選項板中“材料”，雙擊選擇“steel”材料，參考選擇“分量”，選擇要分配材料的零件，屬性材料選擇剛剛添加的“steel”材料方向“無”，點擊“確定”，完成升降臺材料的分配[8]。升降裝置材料屬性如表1所示。

表1 升降裝置材料屬性表

施加約束：升降裝置與底盤固定，在“約束”選擇功能區(qū)單擊“位移約束”，將升降裝置底部4個支撐點添加位移約束，將其平移的3個自由度固定，單擊“確定”完成約束的建立。

創(chuàng)建載荷：在“載荷”模塊選擇單擊“力與力矩”，由2.1理論分析可知，在a點X、Y方向添加-77.96 N、173.24 N的力；在b點X、Y方向添加-169.00 N、287.73 N的力；在c點X、Y方向添加-77.96 N、173.24 N的力；在d點X、Y方向添加-77.96 N、71.76 N的力；在e點X、Y方向添加-77.96 N、456.73 N的力；在f點X、Y方向添加-110.25 N、245.00 N的力；在o點X、Y方向添加-77.96 N、456.73 N的力；在i點X、Y方向添加-77.96 N、456.73 N的力；單擊“確定”完成載荷施加。

網(wǎng)格劃分：在Creo Simulate的集成模式下點擊“精細模型”下“Auto GEM”命令將自動完成網(wǎng)格劃分，通過Auto GEM摘要可觀察到升降裝置被劃分為4 974個網(wǎng)格元素、1 632個節(jié)點。至此完成升降裝置模型的前處理，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 升降裝置網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 靜態(tài)分析

定義靜態(tài)分析：在“分析”選擇功能區(qū)單擊“分析和設計研究”，彈出響應對話框，單擊“文件”選擇“新建靜態(tài)分析”，輸入新建名稱，確定約束欄相關內(nèi)容，選擇“單通道自適應”的收斂方式，其他選項默認設置，單擊確定完成靜態(tài)分析定義[9]。

執(zhí)行靜態(tài)分析：在“分析和設計研究”對話框要保證定義分析被選中，在選擇菜單欄單擊“開始運行”或選擇“運行（R）”→“開始”命令，開始執(zhí)行靜態(tài)分析，在執(zhí)行分析過程中，可通過選擇“信息（I）”→“狀態(tài)”進行查看分析進度[10]。

結(jié)果分析：完成上述設置與處理后，在“分析和設計研究”對話框查看設計，打開“結(jié)果窗口定義”，顯示類型“條紋”，顯示量“位移”，顯示分量“模”，靜態(tài)分析結(jié)果如圖6所示。分析結(jié)果圖顯示，當升降裝置達到最高點、收集箱達到最大容量時，此時的最大形變發(fā)生在a點，變形量為0.166 639 mm（可忽略不計）；最大應力出現(xiàn)在i點附近，最大剪應力為13.003 5 MPa，遠小于材料屈服強度240 MPa。由仿真結(jié)果可知，該升降裝置滿足設計要求。

圖6 升降裝置靜態(tài)分析結(jié)果

3 結(jié)論

綜合考慮沙果機械采摘工作條件的需要，利用Creo Parametric 5.0軟件對折疊式升降裝置進行三維建模，并對其進行理論分析和靜態(tài)分析，分析結(jié)果顯示當升降裝置達到最高點時，升降裝置的最大形變發(fā)生在右上絞點，變形量為0.166 639 mm（可忽略不計）；最大應力出現(xiàn)在中心絞點附近，最大剪應力為13.003 5 MPa，遠小于材料屈服強度240 MPa，滿足設計要求。