剪切式油茶花采摘末端執行器設計與實驗

呂 輝,李立君,趙 青,吳澤超,郭 鑫

(中南林業科技大學 機電工程學院,長沙 410004)

0 引言

油茶是我國特有的木本油料作物之一[1],其籽榨取的茶油營養豐富,是一種優質、保健、適宜人體吸收的高級植物食用油,也是一種重要的醫藥、化工等工業的原材料[2-3]。目前,油茶種植一直存在著“花而不實”的現象,導致油茶果的坐果率低,產量更低。人工授粉是提高油茶產量的重要方法,需要收集不同樹上的花粉來實現異花授粉[4],因此對油茶花粉的需求量大。目前,已有利用吸風機將油茶花粉從柱頭上吸取下來的方法,但油茶花內部花蜜多,粘度較大,花粉從柱頭所吸取量少,大部分花粉仍然附著在柱頭上。傳統花粉采集方式為整朵采摘,集中處理脫粉,脫粉率較高,但勞動成本昂貴。因此,設計了一種油茶花采摘執行器來進行油茶花的整朵采摘。

目前,我國農業應用的果蔬采摘末端執行器正處于研究試驗階段。盧偉等[5]研制了褐菇無損采摘柔性手爪,用于實現褐菇自動化無損采摘;穆龍濤[6]等研發了一種采摘獼猴桃的末端執行器,可實現高效率采摘;陳燕等[7]等制造了一種夾剪一體的荔枝采摘末端執行器,用于采摘荔枝。

國外有很多學者致力于末端執行器的研究。美國研究者Naveen Kumar Uppalapati[8]等人研制了一種具有紅外反射傳感系統的柔性手爪,并應用于漿果的采摘;University of Malta設計了一種可以抓取任意形狀、大小和質量的多功能機器人夾持器[9]。

雖然末端執行器的研究都取得了較大的進步,但還不能直接應用于整花采摘,故通過分析油茶花的特性設計了一款油茶花采集執行器,并制作樣機進行試驗驗證。

1 油茶花末端執行器設計

在進行末端執行器設計前,需要對油茶花進行特性分析,以確保設計的理論可行性。

1.1 油茶花生物學特性

油茶果樹屬于花果同期,通常情況下是先將油茶果采摘后再進行采授粉。油茶花開放分為蕾裂、初開、瓣立、瓣倒、柱萎5個時期,采取的花苞應選擇前3個時期,采取的花粉此時正處于活性最高的時刻[10]。

油茶花是孕育種子與果實的繁殖器官。常見的油茶每天的開花時間集中于上午9:00點到下午2:00;晚上6:00以后花瓣便開始閉合,到第2天早晨又逐漸開放,早上9:00左右恢復到原來盛開的狀態;持續3到4天后花瓣將不再閉合,到達第6～7天左右花瓣便開始枯萎脫落。花粉的活性從開花時就具有,一天中從早上7:00開始油茶花粉的活性不斷增強,在上午9:00到下午4:00時間段內活性達到最高,也是收集花粉和采集花朵的最佳時間[11]。油茶花開花如圖1所示。

圖1 油茶花圖Fig.1 Camellia flower illustration

1.2 油茶花力學特性

油茶花分散生長于油茶樹上,花蕾呈圓錐狀,依附于枝梢上。油茶花蕾周圍有茂密枝葉,且樹枝具有很好的韌性,若使用剪切方式采摘則需要較大的剪切力,才能將花蕾摘下。

選擇10棵油茶果樹為測試對象,每棵樹選擇10朵油茶花作為1組,利用游標卡尺測量油茶花的直徑和油茶花花莖的直徑;測量完成后,利用三量JDI17推拉力計(見圖2)進行剪切力測試。

圖2 三量(sanliang)數顯推拉力計Fig.2 Three-quantity (sanliang) digital push-pull gauge

花柄的剪切力測量方法如圖3所示。

1.刀具 2.機架 3.花莖圖3 花柄剪切力測試Fig.3 Flower handle shear force test

將推拉力計轉換為推力模式,在刀具的上方施加壓力,使得刀具勻速向下運動;接觸到花莖時,增大壓力,使得刀具能夠緩慢將花莖切斷,并記錄每一次試驗的最大壓力,與初始壓力。

刀具開始運動時需要對刀具施加一個力F0,當切削結束后還得到一個Fmax,則花莖的切削力為F為

F=Fmax-F0

(1)

通過現場取樣與花莖剪切力試驗,將每組所得到的參數取平均值,得到油茶花的平均直徑、油茶花莖的平均直徑及花莖的平均剪切力,如表1所示。

表1 油茶花特性表

由表1可知:油茶花的平均直徑為18.23mm,油茶花花莖平均直徑最大為1.92mm,花莖剪切力平均大小為14.24N。

1.3 整體機構及工作原理

人工采摘油茶花時,需要夾住油茶花朵,然后將油茶花從端部枝莖處掰落下來;當用力或者油茶花受力方向不正確時,花蕊將與花瓣分離,花蕊掉落到自然環境中,降低了采摘效率。為此,根據油茶花采摘的人工采摘方式設計了一種油茶花采摘末端執行器,由犁狀刀爪、C型連桿、同步環構成剪切模塊;運輸管、機架連接桶構成氣力輸送模塊;電推桿、靜平臺、支撐桿、支撐環構成動力輸出模塊。末端執行器的整體結構如圖4所示。

1.犁狀刀爪 2.C型連桿 3.同步圓環 4.電推桿 5.靜平臺 6.鏈接桶 7.運輸管 8.支撐桿 9.支撐環 10.機架Fig.4 末端執行器整體結構Fig.4 The overall structure of the end effector

采摘時,電推桿推動同步環沿機架外壁做往復運動,同步環通過C型連桿推動犁狀刀爪閉合剪切花柄;剪斷花柄后,電推桿復位,犁狀刀爪打開,油茶花脫落,掉落進機架內部中;通過風機工作,使得運輸管內部產生負壓,油茶花被運輸到收集裝置中。

2 主要結構及參數計算

2.1 驅動力學模型

刀爪驅動機構工作過程由圖5所示。其中,o點固定在機架上保持位置不變,A點沿著機架外壁直線運動。

圖5 刀爪工作過程Fig.5 Claw work process

圖5中,A1B1=A2B2=68mm,B1O=B2O=28mm,滑塊的垂直位移A1A2=27.32mm,B1C1=B2C2=70mm。為了避免在運動過程中出現死角,所以在下極限位置時B1O與A1B1略大于90°,近似為垂直;當運動到上極限位置時(即為B2C2位置),花莖被切斷。

當機構運動到下極限位置時,在ΔA1B1O中,∠B1A1O=22.4°,∠B1OA1=67.6°,B1O與A1B1垂直,∠OB1A1=90°;當機構運動到上極限位置時,在ΔA2B2O中,∠B2A2O=18.1°,∠B2OA2=131.2°,∠OB2A2=30.7°。機構運動時,只受到1個向上的電推桿的推力,當達到上極限位置時花莖被剪斷,其受力分析如圖6所示。

圖6 刀爪受力分析圖Fig.6 Claw force analysis diagram

由圖6可以繪制出刀爪部分的受力矢量圖,如圖7所示。

圖7 刀爪受力矢量圖Fig.7 Claw force vector illustration

由圖7得到如下數學關系,即

(2)

(3)

由公式(3)得到關于FC的表達式

(4)

根據已知的各連桿之間的角度可知

(5)

(6)

將公式(6)與公式(5)代入公式(4)中可得

(7)

根據上述公式,可以求得在80N電推桿合力的作用下刀爪驅動力約為72.1N。

2.2 剪切力學模型

因為刀爪在剪切閉合時對犁狀刀爪是同步環同步推進的,故在工作時根據圖8的刀爪俯視圖將犁狀刀爪部位進行簡化,得到剪切力學模型,如圖9所示。末端執行器工作時,通過驅動裝置將力傳遞到刀爪上得到力Fi,將Fi分解到刀片處,得到剪切力Fxi與Fyi。對花莖的剪切力記為FK1與FK2,在不考慮內力的情況下,Fi分解到兩側刀具的力相等且等于枝莖的剪切力。

圖8 刀爪俯視圖Fig.8 Claw top view

圖9 刀爪剪力學模型Fig.9 Claw Shear Mechanics Model

由模型得到各力的關系式為

(8)

(9)

FK1—左側花莖剪切力(N);

FK2—右側花莖剪切力(N)。

其中,Fi為FC在刀爪上的表現形式,兩者大小相等。刀爪所傳遞到的力FC代入到公式(9)中,得到兩側剪切力FK1=FK2=62.5N。

根據試驗測量得到油茶花的花莖最大剪切力為14.24N,經過計算得到剪切力為62.5N>14.24N,所以能夠通過該刀爪成功將花莖剪斷,采下花朵。

2.3 ANSYS花莖剪切特性分析

通過理論計算分析可知,設計的刀爪可以將花莖成功剪斷。刀爪刀口的形狀分為弧形刀,考慮到剪切過程中刀爪末端的刀片屬于輕薄件,刀具在剪斷過程中可能出現大形變,會造成夾莖、切割不徹底的狀況。因此,利用ANSYS軟件對刀具剪切時進行Explict Dynamics分析,觀察刀具的形變情況[12]。

2.3.1 材料選擇

刀爪的切割對象為花莖,屬于木材類,其硬度遠遠低于金屬,是構造不均勻的各項異性材料,所以刀具材料選擇碳素結構鋼Q235A即可[13-15]。

2.3.2 試驗模型建立

根據刀爪的受力特點,切斷方式為雙刀對切,力的大小相等、方向相向。花莖主要由皮和芯組成,將花莖的架構用圓柱實體進行代替[16-17]。因為ANSYS的三維建模能力較差,選用Inventor建立三維模型,再將建立好的三維模型導入ANSYS軟件中進行網格劃分,得刀具的試驗模型簡圖,如圖10所示。

圖10 刀具模型簡圖Fig.10 Tool model sketch

模型網格的數量、仿真時間與計算機的性能有關。為了提高切斷過程的精準性,只對花莖枝條進行網格細化。實際采摘時,剪刀將花莖的枝條剪斷,模擬實際剪切過程。仿真剪切時,需要將刀具切斷樹枝實現剪切。因為剪切過程中刀爪所提供的剪切力是大小不變的,所以在刀具上均施加作用于表面的恒力F,使得刀具緩慢切斷花莖。

2.3.3 數據分析

將建立好的模型分別進行Explict Dynamics分析,得到切斷仿真結果,如圖11所示。

圖11 彎刀切割效果圖Fig.11 Scimitar cutting renderings

圖11可以表現出刀具形狀在切斷過程中的變形情況,通過該切斷效果可以得知:采用該刀具模型進行切斷時花莖會被切斷,但切斷過程也會出現微小變形。刀具變形是發生在切削面的法線方向,模型中花莖是沿著刀具法向方向建立,故建立花莖的坐標系,求解刀具在沿著花莖軸向的定性形變,如圖12所示。

圖12 彎刀刀具定性變形圖Fig.12 Qualitative deformation diagram of machete tool

由圖12可知:切斷過程中的最大形變量約為0.257mm,最小變形量約為0.199mm,上下兩刀的變形方向一致,形變量幾乎相同,不會產生太大的變形。所以,切斷時刀具之間會出現微小間隙,不會出現夾莖及切斷不徹底的情況。

3 樣機試驗

3.1 試驗條件與過程

為檢驗設計的末端執行器能夠實現采摘性能,設計了對于油茶花的采摘試驗。試驗地點選擇望城油茶果試驗基地,品種選擇“三華”品種的油茶。隨機選擇10棵油茶樹,每棵油茶樹標記10朵油茶花作為1組,使用末端執行器進行采摘,記錄每棵樹的單朵平均采摘時間,采摘結束后計算采摘效率;通過3D打印技術加工出手爪樣機,配合控制機構進行采摘試驗,觀察并記錄采摘工作過程,如圖13所示。

圖13 手爪采摘過程圖Fig.13 Claw picking process diagram

3.2 試驗結果與分析

采摘方式采取就近原則,采完第1朵后采距離第1朵最近的1朵,直至采完小組中標記的所有油茶花。采摘情況如表2所示。

表2 采摘情況

由表2可知:在該末端執行器的采摘下,采摘效率為2.05s/朵。該末端執行器為人工手持,所以總體時間主要受試實驗員熟練度影響。剪斷油茶花莖后,油茶花被收集到收集器中,如圖14所示。

圖14 油茶花收集圖Fig.14 Camellia flower collection

試驗表明:油茶花在采摘后能夠通過中間的管道順利收集到收集箱中,所設計的剪切式油茶花采摘末端執行器能夠完成采花工作,達到了設計預期要求。

4 結論

針對油茶花的無損采摘,設計了一種單一動力源驅動的油茶花采摘末端執行器。分析了油茶花花莖的生物學特性與力學特性,進行了采摘機構的受力分析。采用三電推桿作為刀爪的切割源動力,能夠有效將油茶花花莖剪斷,實現剪切方式采摘,避免采摘過程中對周圍花朵枝葉的影響。考慮薄刀片受力會產生變形從而影響正常采摘,經過ANSYS有限元分析,選用的刀具應在保證正常剪切時不會出現夾莖與切割不徹底的情況。試驗表明:利用該執行器采摘油茶花效率達到2.05s/朵,能夠實現油茶花的機械采摘。