基于連桿機構采摘機械手的設計

李俊良　張天周　朱天奇　崔冰艷

摘 要：為提高蘋果采摘作業效率，降低勞動強度與采摘過程中蘋果的損壞率，根據連桿機構的運動特點，研制末端執行器為半圓形結構的新型采摘機械手。該采摘機械手具有四自由度，在作業中可以完成整機360°旋轉、機械臂仰俯、末端執行器旋轉和閉合抓取動作。連桿機構的創新性優化使得機構更為簡單輕便，并可在其他領域進行創新性設計與應用。

關鍵詞：連桿機構 采摘機械手 機構創新設計

中圖分類號：S372 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0114-02

果實采摘是勞動密集型作業，果樹種植園中果實采摘作業過程會消耗大量體力并且耗費大量時間，工作強度極大并且季節性強[1]。目前人工收獲過程中主要是人工進行彎腰采摘或者借助梯子登高進行采摘，這樣的方式不僅受天氣的制約并且還具有一定危險性[2]。因此，研制一款基于連桿機構的采摘機械手，降低在采摘時對果實的傷害，降低人工采摘和水果采摘器采摘的費時、費力的特性，提高采摘效率，保證果實新鮮程度，進而使果園增多收益，具有很好的農業發展前景。

1 采摘機械手的設計

如圖1所示，應用Solidworks軟件構建基于連桿機構采摘機械手的三維模型，進行電機選型以及分析機械臂部分的運動軌跡，利用裝配系統對各個構件進行裝配從而裝配成機械手，進一步完成機械手的參數化設計，進行機械手運動分析。

1.1 機械手半圓形末端執行器的設計

如圖2所示該半圓形機械手主要由半圓開合機構1、連桿6、和齒輪傳動器2等幾大部分組成，在設計的齒輪傳動結構中，電機齒輪與頂部傳動齒輪嚙合，實現動力的傳輸，頂部齒輪的兩個方向分別鉸接半圓形機械手，當電機轉動時，通過齒輪嚙合傳動帶動兩個半圓形機械手爪部的閉合，進而實現切割果柄采摘果實的功能。末端執行器通過電機驅動軸與機械手臂部分結合，通過電機驅動軸的轉動可調節末端執行器工作的角度，根據果實果柄生長方向的不同可選取不同的角度進行采摘。采摘過程中通過半圓形末端執行器開合動作，將目標果實覆蓋的同時切斷果柄，完成采摘作業。

末端執行器兩側是半圓結構，兩個半圓形結構可以保證其合攏后的半球狀包圍空間稍大于果實尺寸，從而機械手弧形刀片可以實現對果柄的切割打斷，同時保證果實劃入設定的滑道緩沖裝置中。

1.2 刀片與刀槽嚙合切割果柄的實現

如圖3和圖4所示弧形刀片焊接于左側半圓形機械手圓弧內側，并在半圓形機械手右側圓弧內側設置刀槽，刀片切割果柄后進入刀槽，設置刀槽的目的在于為刀片切割提供充足切割空間以便于能夠完全將果柄切斷，半圓形機械手圓形內側貼有海綿層，作為保護層來避免果實與半圓形爪部的直接接觸。

半圓形機械手的閉合將目標果實包圍其中，末端執行器下一步的任務就是要將果柄割斷。通常果柄相對于末端執行器的方位有較大的隨機性，半圓形弧形刀片與刀槽的嚙合可將刀片與刀槽之間任意相位置的果柄切斷。果實被包圍在了合攏半圓形機械手的內部，果實順著滑道下滑至緩沖機構。

1.3 機械手臂的設計

如圖3所示連桿機構機械手臂，考慮到果樹枝葉較為繁多，該設計結構簡單、觸及范圍大、并且靈活輕便。通過伺服電機1的工作來實現機械手底座的旋轉功能，可以實現360°旋轉。通過伺服電機7的工作來控制連桿的擺動，實現整個機械手在前后空間的姿態調節。伺服電機5連接末端執行器的電機驅動軸，通過電機的工作實現對末端執行器采摘姿態的角度調節。

機械手臂作為實現采摘機器人靈活度的重要構件，機械臂的結構與功能對整個采摘機器人的性能起著至關重要的作用[3]。我們重點鉆研了機械臂在運動時手部的位姿和機械手的參考點在不同位置所能夠到達的點的范圍，在設計中通過考慮機械臂各桿件的尺寸、運動副類型和桿間的相互關系來確定末端執行器所能實現的動作。通過Solidworks軟件進行仿真模擬，獲取在采摘作業時采摘機械手能夠到達的作業范圍。

2 結語

機械手的多個部位采用創新性設計，將采摘機械手爪部設計為半圓形，可以在采摘過程中將果柄剪斷并且有效保護果實。根據連桿機構的運動特點對機械手臂進行設計，使得整個機械手結構簡單輕巧，相關優化結構可在其他果蔬采摘工作中進行改進與應用。

參考文獻

[1] 陳川雄，張學明，汪小志.蘋果采摘六自由度機械手設計[J].農機化研究，2016（7）：65-69.

[2] 丁詳青，馬莉.采摘機器人機械手結構設計與分析[J].機床與液壓，2017（23）：40-42.

[3] 周巍，趙言正.七自由度機械臂結構設計與工作空間分析[J].機電一體化，2012（2）：13-16.