基于UG的蘋果采摘機械臂與末端執行器的結構設計

朱容芳，朱煜華

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004;2.四川農業大學 動物醫學院,四川 雅安 611130)

0 引言

蘋果作為最為常見的水果之一，資料顯示2012年，我國蘋果種植面積就達到230萬hm2，產量達3800萬t，且近幾年中國在蘋果生產、出口和消費上遙遙領先其它國家[1]，水果種植業的迅速發展提升了果園收獲機械的市場需求，針對商品果采摘我國目前存在的相對較多的是機械手“一對一”模式，運用振搖法進行非商品果的采摘，極大提高了采摘效率。

1 工作原理

蘋果采摘機械臂與末端執行器的機構包括動力機、曲軸、搖桿、可伸縮式機械臂、機械爪。機器工作時，通過機械臂的伸縮調整機械爪與樹干的距離，距離合適后，張開機械爪抓住樹干，由于大多果園中果樹整齊種植，因此兩側的機械爪都可以抓住樹干，然后，原動機帶動曲軸開始轉動，再通過搖桿將動力傳遞給末端執行機構，使蘋果樹左右搖晃產生慣性力，以此對蘋果的果柄加以力的作用，當慣性力大于果柄與樹枝連接的結合力，或者蘋果與果柄的結合力時，蘋果就會被搖晃下來，而后收集起來即可完成蘋果的采摘，結構設計圖如圖1所示。

2 結構設計

2.1 曲軸搖桿的設計與分析

機械爪抓取樹干的部位離地越高，全振幅越大，阻力矩越小，取蘋果樹直徑為100 mm，正常土壤環境下，采用振動臺進行試驗，得到最佳夾取位置為h=750 mm，振動最大幅角為3°，可得全振幅S≈80 mm，曲柄半徑r與全振幅S之間的關系為S=2r，故，曲軸半徑為40 mm，設計曲軸結構如圖2。

1.曲軸；2.搖桿；3.伸縮機械臂；4.機械爪；5.原動機

圖2 曲軸設計圖

2.2 機械爪的設計與分析

機械爪計算夾緊力可按照公式：F≥K1K2K3mg 進行計算。其中F為夾緊力N；K1為安全系數；K2為工作情況系數；K3為方位系數m被抓取物件的質量。

分析后取K1=1.6、K2=0、K3=1.25，估算蘋果樹的平均重量為150 kg，計算得F≥2940 N。

考慮到夾取的是蘋果樹干，相對于夾取果實來說較為簡易，查閱資料可知在相同的夾緊力情況下，圓弧形狀的曲線型手指對樹干造成的損傷要遠遠小于直線型手指帶來的損傷[3]。故確定，采用回轉式的二指夾取夾持機構，夾持手指采用圓弧形式。

據統計，果園栽培壯年結果蘋果樹的主干直徑平均在90～180 mm之間。因此機械手指的設計夾持直徑范圍為80～200 mm,夾持的縱向寬度為80 mm。

固定進給螺旋桿(簡稱進給螺桿)的設計中進給螺桿所受軸向力為F,其大小就是與螺旋滑塊之間的摩擦力，可通過F=μmg來計算，螺旋滑塊與進給螺桿的材料都為鋼，查閱資料得μ為0.1,螺旋滑塊質量為0.5 kg則F=0.49 N。

進給螺桿參數的詳細設計：

(1)進給螺桿公稱直徑d=14 mm，小徑d2=12.06 mm，螺距P=2 mm；(2)螺紋導程Ph=6 mm;(3)旋合長度L=100 mm;(4)旋合圈數m=8;(5)螺紋工作高度H=1 mm;(6)螺紋表面工作壓強q=0.0015 MPa。

校核工作壓強q<[P]，因此符合強度要求。圖3為進給螺桿的位移形變圖。可以看出形變最大的位置在螺紋處，最大變形量為6.047 7×10-6m，查閱資料取螺桿許可撓度[y]=0.000 5L,L=0.13 m；[y]=6.5×10-5m>6.047 7×10-6m,故強度符合要求。機械爪的設計圖如圖4所示。

圖3 位移形變圖

圖4 機械爪的設計圖

機械爪的工作原理主要是由夾持手指、進給螺旋桿、夾持連桿、螺旋滑塊、橡膠墊等組成，螺旋滑塊與進給螺旋桿之間通過螺紋配合連接，夾持連桿一端鉸連在螺旋滑塊上，另一端鉸連在夾持架上，橡膠墊安置在夾持架上。機構初始處于閉合夾緊狀態，當進給螺旋桿開始轉動時，配合在其上面的螺旋滑塊會向后端移動，同時，鉸接于其上的夾持連桿向左右兩端展開，夾持手指也會以一定角度打開，使機械爪張開。同時機械爪夾緊樹干時，夾持架表面的彈性橡膠墊便會起到保護、防松與緩震的作用。

2.3 機械伸縮臂的設計

伸縮機構采用單級液壓缸伸縮系統，設計機構圖如圖5所示。本伸縮機械臂初始長度為1.5 m，最大伸長長度可達2.5 m，能夠滿足大部分果園的采摘工作。

設計液壓缸內徑D1為100 mm，活塞桿直徑D2為80 mm，工作壓力平均約為p1為2 MPa,機械效率δ=0.98。

當無桿腔進壓力油時，可承受的最大負載

當有桿腔進壓力油時，可承受的最大負荷

在進行了機械的設計后，利用UG軟件對其進行虛擬裝配得出，整組工作機的裝配如圖6所示

圖5 液壓伸縮臂的設計

圖6 整體裝配圖

3 總結

以蘋果的采摘收獲為研究對象，進行分析設計，研究現有技術，提出一種高效蘋果采摘機械的設計方案；對蘋果采摘機械臂與末端執行器的具體結構進行設計，設計的主要內容包括高效的蘋果采摘動力機構、采摘機械爪、液壓伸縮臂等。應用UG軟件對本產品進行了建模與運動仿真，驗證了設計的可行性。

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