基于慧魚模型水果采摘機的機械臂設計

龐培釗，丁 頌，孫立巍，王 銘，郭 爽

(長春師范大學 工程學院，吉林 長春 130032)

近年來，隨著果品質量和機械化生產水平的不斷提高和發展。果品產業已經成為繼糧食、蔬菜之后的第三大農業種植產業。水果采摘作業作為水果生產鏈中耗時最多，費力最多的一個環節，占到整個水果生產過程的30%～50%[1]。目前我國的水果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。使用水果采摘輔助設備可以提高采摘效率，降低損傷率，節省人工成本，提高果農的經濟效益。為提高采摘效率，國內已出現許多半自動化輔助采摘設備[2]。本文針對水果采摘作業問題進行研究，設計了水果采摘機的機械臂，能夠有效地解決水果采摘效率低，損傷嚴重的問題。

1 機械臂設計方案

1.1 機械臂的整體結構設計

在將采摘器準確送到采摘對象位置的過程中，機械臂需要求平穩無晃動，快速準確定位，為后續的采摘工作奠定基礎[3]。機械臂的運動過程是一次采摘作業中用時最多的環節，機械臂的自由度越高，結構越復雜，控制系統越難控制，成本也越高[4]。因此在設計機械臂時除考慮本身的強度、剛度等，還應考慮在能將采摘器避開樹枝、未成熟果實等送到采摘對象位置的同時，盡量減少機械臂的自由度。設計機械臂分為主支架、旋轉臂、傳動系統和控制單元，如圖1所示。

1.2 機械臂主支架結構設計

機械臂主支架是旋轉臂帶動采摘器在采摘作業運動過程中的載體，對整個機械臂起到支承的作用。為減少設備的整體空間及自重，主支架采用兩節式設計，每一節主支架選用4根長度為20 cm的鋁合金型材。兩節機械臂主支架中心位置均選用傳動精度高的絲杠作為傳動件。第二節主支架與第一節主支架中間的絲杠、旋轉臂底端與第二節主支架中的絲杠通過螺母連接，組合成具有自鎖功能的絲杠螺母機構。

1.3 機械臂旋轉臂結構設計

為保證采摘過程中整個裝置平穩，旋轉臂選用質量輕，且有較高強度的氣動裝置作為傳動件。在氣泵電機帶動，兩側導軌支撐與導向作用下，實現旋轉臂20～25 cm的伸縮運動，兩側導軌在采摘作業運動過程中形成力偶，平衡旋轉臂運動過程中產生的彎矩。旋轉臂底端蝸輪與第二節主支架上的隨旋轉臂移動的蝸桿配合，組合成具有自鎖功能的蝸輪蝸桿機構，防止工作過程中掉電帶來的安全隱患。

1.4 傳動系統及運動原理分析

主支架底端和旋轉臂底端通過9 V直流電機與蝸桿相聯，帶動蝸輪轉動，主支架底端蝸輪蝸桿機構控制機械臂整體，在Z軸方向的轉動，旋轉臂底端蝸輪蝸桿機構控制旋轉臂在Y軸方向的轉動。主支架中絲杠與9 V直流電機通過齒輪聯接，降低了絲杠轉動速度，增大了絲杠扭矩，保證結構穩定，便于控制旋轉臂在Z軸方向的升降運動。旋轉臂中的氣動機構，在氣泵電機的驅動下，通過氣壓傳動，控制旋轉臂在X軸方向的伸縮運動。多種運動相互配合，實現機械臂在避開樹枝、未成熟果實等后，將采摘器送到采摘對象位置停止，并完成采摘過程。

2 基于慧魚模型水果采摘機的機械臂試驗與分析

基于慧魚模型水果采摘機的機械臂如圖2所示[5]。為優化機械臂主支架中傳動件、齒輪齒條機構、絲杠螺母機構和旋轉臂作旋轉運動時的傳動方式。驗證旋轉臂旋轉過程中提供電能的9 V直流電機能否滿足最低設計要求。

基于慧魚模型進行試驗，實驗數據如表1～表3所示。

表1 主支架傳動件比較

表2 旋轉臂的傳動方式比較

經過對比齒輪齒條機構和絲杠螺母機構、蝸桿傳動與齒輪傳動，絲杠螺母機構和蝸桿傳動因傳動效率低，更易于控制，自鎖功能防止工作過程中掉電后的安全隱患，傳動精度高，能準確定位。故設計選擇以絲杠螺母機構作為主支架的傳動機構，以蝸桿傳動作為旋轉臂運動過程中的傳動機構更佳。

表3 9 V直流電機在采摘過程中的試驗參數

旋轉臂在9 V直流電機的驅動下，旋轉過90°角所需要的時間、瞬時峰值電流、瞬時峰值電壓，如表3 所示，結合采摘機慧魚模型相關參數理論計算如下：

旋轉臂自重184 g，位于旋轉臂末端的采摘器重157 g。將旋轉臂看作質地均勻的桿，采摘器看作質點。G1=m1g=1.57 N,G2=m2g=1.84 N，Mmax=FL=G1L1+G2L2=0.62 N·m，故該9 V直流電機需要至少提供0.62 N·m的扭矩才能滿足旋轉臂伸長到最大位置時能正常工作。9 V直流電機的最小啟動扭矩：Tmin=9 550P/n，轉速：n=0.25 r/1.8 s=8.33 r/min，Pmin=UI=0.81 W,Tmin=9 550P/n=0.93 N·m，該9 V直流電機能提供的最大扭矩為0.93 N·m，Tmin>Mmax，故該9 V直流電機能滿足旋轉臂在運動過程的要求。

3 水果采摘機的機械臂控制單元設計

水果采摘機的機械臂整個控制單元包括機械臂整體的旋轉和升降，旋轉臂的旋轉和伸縮，根據采摘對象的位置和操作人員的操作，利用的ROBO控制，實現水果采摘機的機械臂的控制，控制程序如圖3所示。

選中采摘對象后，按下控制開關I1，在電機M1的驅動下，機械臂帶動采摘器旋轉到與采摘對象同一豎直平面，按下停止開關I5，M1停止轉動。按下控制開關I2，在電機M2的驅動下，采摘器升降到與采摘對象同一高度，按下停止開關I5，M2停止轉動。按下控制開關I3，電機M3驅動下，通過氣壓傳動控制旋轉臂伸縮，采摘器到達采摘對象正下方，按下停止開關I9，M3停止轉動。按下控制開關I4，電機M4驅動下，旋轉臂向上旋轉，直至采摘器中的光敏傳感器檢測到果實，M4停止轉動，再次按下I4，旋轉臂向下旋轉，按下I5，M4停止轉動。操作人員根據采摘對象與機械臂的相對位置，選擇適當的控制開關，即可實現采摘機機械臂定位過程。

4 結束語

本文針對目前我國水果采摘過程耗時長，勞動力需求大，果實損傷嚴重，現有輔助采摘設備采摘效率低等問題，基于慧魚模型設計了一種水果采摘機機械臂，要實現機械臂對采摘對象精確、快速定位，應以絲杠螺母結構和恒功率控制作為升降方式，以蝸輪蝸桿傳動作為旋轉方式，以氣壓傳動作為伸縮方式為最佳。本文為半自動化水果采摘機機械臂的設計提供了理論支持，并為傳動方式以及參數設計方面進行了實驗對比和驗證。