椰果采摘裝置改良設(shè)計(jì)

張梓謙 程清偉 卓有成 宋宇航

華南理工大學(xué)廣州學(xué)院

一、研究背景及意義

目前，國(guó)內(nèi)椰子產(chǎn)量主要看海南，海南就文昌市而言，已經(jīng)擁有海南省最大的椰子種植面積，然而盡管政府大力宣傳，但進(jìn)行采摘的方式非常有限，年產(chǎn)12億的海南，基本都是使用人工采摘，危險(xiǎn)，不安全，工人勞動(dòng)強(qiáng)度偏高。

學(xué)術(shù)研究方面，海南大學(xué)研發(fā)出了液壓機(jī)械臂采摘機(jī)，通過(guò)液壓伸縮機(jī)械臂控制切割刀的方式來(lái)采摘椰果；印度Akshay Prasad Dubey設(shè)計(jì)了一款椰子樹(shù)攀爬收獲機(jī)器人，該機(jī)器人由上下兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)組成，交替抱樹(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上下攀升；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院研制了一種爬樹(shù)修剪機(jī)器人，如圖1所示。

但是在以上的機(jī)器當(dāng)中，都存在著一些如機(jī)器過(guò)于龐大或者未能解決夾緊樹(shù)干的問(wèn)題，因此，結(jié)合人們對(duì)此的需求，本論文設(shè)計(jì)一款椰果采摘車來(lái)避免人力勞動(dòng)強(qiáng)度大具有重大意義。

圖1 一種爬樹(shù)修剪機(jī)器人

二、椰果采摘車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置主要由兩部分組成，一是機(jī)械部分，二是電子控制部分。該裝置四個(gè)三相無(wú)刷直流電機(jī)與車輪一體的輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，四個(gè)電機(jī)輪保證了足夠的爬升動(dòng)力利用四個(gè)機(jī)械手進(jìn)行椰果采摘。

椰果采摘車的工作原理：內(nèi)環(huán)臂、外環(huán)臂、伸縮機(jī)構(gòu)，內(nèi)環(huán)臂呈筒狀且用于套設(shè)在樹(shù)干的外周，外環(huán)臂包括兩個(gè)以上的圓弧狀的外環(huán)板，外環(huán)板沿內(nèi)環(huán)臂的中心軸周向環(huán)繞設(shè)置，各個(gè)外環(huán)板分別通過(guò)伸縮機(jī)構(gòu)連接于內(nèi)環(huán)臂的外部，且伸縮機(jī)構(gòu)能夠伸縮使外環(huán)板沿內(nèi)環(huán)臂徑向移動(dòng)可伸縮外板的設(shè)計(jì)使得本裝置適用于爬行各種直徑大小不同的椰子樹(shù)，在爬行過(guò)程中根據(jù)壓力傳感器檢測(cè)的壓力值可以隨時(shí)調(diào)整外板伸縮量，以保證輪胎對(duì)樹(shù)干的正壓力達(dá)到所需值。利用四組氣壓桿卡住樹(shù)干的方式來(lái)達(dá)到在任意高度停留采摘的目的。彈簧氣缸的應(yīng)用，一方面可以調(diào)節(jié)外板伸縮量，另一方面可以起到一定的避震作用，減小爬行過(guò)程中的產(chǎn)生的震動(dòng)。椰果采摘車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定地攀爬采摘椰果。

椰果采摘車整體結(jié)構(gòu)主要由爬行系統(tǒng)和椰果采摘系統(tǒng)組成，椰果采摘車裝置圖如圖2所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

三、對(duì)卡槽式可拆卸內(nèi)板的要求及其對(duì)采摘裝置的要求

內(nèi)板采用兩個(gè)半圓弧形板組成，兩者通過(guò)卡槽方式配合，既方便拆卸、組合，又可以承受彈簧氣缸提供的較大的徑向拉力。圓弧型內(nèi)板的直徑大于椰子樹(shù)的最大直徑，適合攀爬直徑大小不一的椰子樹(shù)，可拆卸內(nèi)板部分有限元分析如圖三所示。圓弧型的設(shè)計(jì)使得裝置整體更加美觀，結(jié)構(gòu)更加緊湊。通過(guò)對(duì)裝置受力較大得零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分及靜應(yīng)力仿真分析，經(jīng)驗(yàn)證，本裝置滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

采摘裝置主要由機(jī)械手，機(jī)械爪和機(jī)械臂組成。機(jī)械爪采用氣缸驅(qū)動(dòng)，能夠根據(jù)單片機(jī)的控制自由調(diào)節(jié)機(jī)械爪地張開(kāi)角度，實(shí)現(xiàn)了采摘各種大小地椰果的功能。氣動(dòng)機(jī)械式傳動(dòng)的機(jī)械爪降低了控制難度，簡(jiǎn)化了采摘方式。機(jī)械臂設(shè)計(jì)共有四個(gè)自由度，整個(gè)裝置共有四個(gè)機(jī)械臂，均勻分布在四周，能夠無(wú)死角地對(duì)椰果進(jìn)行采摘。

圖3 有限元網(wǎng)格劃分

四、椰果采摘電控控制

電子控制部分原理：首先控制部分必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到電機(jī)轉(zhuǎn)子目前的位置，然后按照定子繞線決定開(kāi)啟或關(guān)閉換流器中功率晶體管的順序，如inverter中的ah、bh、ch以及al、bl、cl，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)針/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到hallsensor感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置是，控制部又在開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決定電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管或只開(kāi)下臂功率晶體管：要電子轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)則功率晶體管開(kāi)啟順序相反。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)控制部會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令command與hall-sensor信號(hào)變化的速度加以對(duì)比在來(lái)決定下一組開(kāi)關(guān)導(dǎo)通以及導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短。速度不夠則開(kāi)長(zhǎng)，速度過(guò)頭則減短，次部分工作就有pwm來(lái)完成。

五、創(chuàng)新應(yīng)用

椰子樹(shù)采摘首先需要的是攀爬到一定高度進(jìn)行對(duì)應(yīng)的采摘工作，故椰果采摘車作為一個(gè)智能化機(jī)器，使用期間能夠讓機(jī)器以一定的速度與負(fù)載，通過(guò)遙控控制機(jī)器上升到椰果采摘范圍，并在爬樹(shù)期間能夠?qū)?shù)干大小進(jìn)行監(jiān)控來(lái)讓椰果采摘車進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)，適應(yīng)樹(shù)干大小。

因此，該機(jī)器能解決目前椰果采摘中存在的效率低下，成本較高及危險(xiǎn)系數(shù)比較大等的問(wèn)題。近年來(lái)科技發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)林業(yè)正朝著機(jī)械化，自動(dòng)化方向快速發(fā)展，但是椰果采摘相關(guān)人士一直擔(dān)憂如何解決椰果采摘的問(wèn)題，那么椰果采摘車將發(fā)揮它該有的作用。