百香果采摘末端執行機構的總體結構設計與分析*

黃才貴，辛華健

（1.南寧學院，廣西 南寧 530200；2.廣西工業職業技術學院，廣西 南寧 530001）

0 引言

熱帶和亞熱帶地區富產百香果，我國百香果種植主要分布在南方，如廣東、廣西、云南、福建、臺灣等地區，這些地區氣候偏暖和。百香果成熟后發出10多種水果香味，果汁酸甜爽口、口感濃郁，氣味芳香，所以可以稱之為飲料之王[1-4]。同時，百香果富含氨基酸、維生素等營養成分[5]。隨著百香果的市場需求不斷加大，在廣西南寧、玉林、百色等地均有大量種植，種植的主要是紫百香果。近幾年，百香果作為南方部分地區脫貧致富的農作物，市場前景好[6-7]。當大量采摘百香果時，人工分級就變得復雜，消耗大量的人力物力。因此，如何發揮廣西省百香果的資源優勢和產量優勢，擴大百香果的銷售，已成為目前面臨的一個重大問題。

近年來，盡管我國農業機械化發展較快，但整體水平還比較落后，特別是在水果采摘的機械化裝備上。目前，百香果采摘主要還是以人工為主，其勞動強度大、效率低、人工成本高且安全性低。目前也出現一些水果采摘的機器人或者裝置，但大多還是處于研究試驗階段，還不能百分百做到柔性采摘，在采摘過程中容易出現擠破果實的現象，采摘技術還不夠成熟。關于百香果采摘的裝置或者機械手，目前尚未發現。基于此，筆者設計了一種結構簡單合理且輕便的百香果采摘末端執行機構。

1 總體結構方案設計及原理

1.1 總體結構方案

百香果采摘末端執行機構的總體設計圖如圖1所示，包括驅動部分、盤座部分、拉繩、關節一、關節二、關節三，其結構連接關系為：拉繩下端固定在驅動部分上，拉繩依次穿過盤座部分、關節一、關節二，拉繩上端固定在關節三上，關節一底部鉸接于盤座部分上，關節二底部鉸接于關節一上端，關節三底部鉸接于關節二上端。

圖1 總體設計圖

1.2 工作原理及優點

機械手中的彈簧A、彈簧B、彈簧C、彈簧D的彈力大小對比為：彈簧B<彈簧C<彈簧D<彈簧A。彈簧B、彈簧C、彈簧D彈力依次增大，因為彈力越小使得變形量越大，則收縮越快，使得關節一、關節二、關節三依次向內收縮包絡夾持果實。彈簧A彈力最大，目的是等關節一、關節二、關節三對果實夾持完了之后，再克服壓力球的力，當達到或大于壓力球的力時，則會在彈簧A大變形之后快速驅動拉繩而帶動活動盤以上的部件和果實快速旋轉，將果實旋轉摘下。

工作時，拉動驅動桿，通過拉桿帶動彈簧A再帶動拉繩，拉繩驅動關節一、關節二和關節三往內轉動包絡夾持果實，繼續拉動驅動桿，則滑塊克服壓力球的作用，在拉繩的驅動下活動盤被快速拉動旋轉，進而帶動三個關節以及被包絡的果實快速旋轉，將果實摘下，松開驅動桿后，在扭簧的驅動下活動盤回位，關節一、關節二和關節三張開，即可拿出果實。

機構具備的優點為：其中的關節一、關節二、關節三處采用三級的彈簧設計，實現三個關節的逐步按順序夾持的動作，采摘時可以保證一定的柔性夾持，盡可能避免百香果由于壓力過大受損。此外，固定座上設置的壓力球，可以在果實被機械手包絡之后，繼續拉動驅動桿使得活動盤旋轉，從而讓果實被快速摘下，結構設計合理適用。

2 各關鍵部件的結構設計

2.1 三指柔性關節的設計

三指柔性關節的結構如圖2所示，關節一上固定設置有套環A，關節二上固定設置有套環B，關節三上固定設置有套環C，套環A、套環B、套環C上設置有孔洞，拉繩依次穿過套環A、套環B、套環C上的孔洞，拉繩上端與套環C固定連接。

圖2 三指柔性關節的結構

2.2 驅動部分設計

驅動部分結構如圖3所示，包括驅動桿、拉桿、連接盤A、彈簧A、連接盤B，拉桿的材質為橡膠，其結構連接關系為：拉桿下端固定連接驅動桿上端，拉桿上端固定連接連接盤A，連接盤A和連接盤B之間連接設置有彈簧A，彈簧A下端固定連接連接盤A，彈簧A上端固定連接連接盤B，拉繩的下端固定連接在連接盤B上。關節一和活動盤之間設置有彈簧B，關節一和關節二之間設置有彈簧C，關節二和關節三之間設置有彈簧D，其結構連接關系為：彈簧B下端固定連接活動盤，彈簧B上端固定連接關節一；彈簧C下端固定連接關節一，彈簧C上端固定連接關節二；彈簧D下端固定連接關節二，彈簧D上端固定連接關節三。

圖3 驅動部分結構

2.3 盤座部分設計

盤座部分結構圖如圖4所示，包括固定盤、活動盤、固定座，其結構連接關系為：固定座固定同軸安裝在固定盤上，活動盤同軸安裝在固定座上。固定盤外圈處設置有套管B，套管B穿過固定盤，活動盤外圈處設置有套管A，套管A穿過活動盤，套管B和套管A上設置有通孔，拉繩穿過套管B和套管A上的通孔。活動盤和固定座之間設置有扭簧，扭簧上端固定連接活動盤，扭簧下端固定連接固定座。

固定盤上設置有滑槽，滑槽內設置有壓力球和彈簧，彈簧一端固定連接滑槽，彈簧另一端固定連接壓力球。活動盤下部設置有滑塊，滑塊頂部固定連接在活動盤下部，滑塊底部滑動安裝在固定座的滑槽內。

如圖5所示，壓力球中設置有限壓結構，包括凹槽、壓力珠、彈簧E，其結構連接關系為：彈簧E設置在凹槽內一側的孔洞里，彈簧E一端固定連接孔洞底部，彈簧E另一端固定連接壓力珠。活動盤和固定座之間設置有扭簧，扭簧上端固定連接活動盤，扭簧下端固定連接固定座。

3 結構的力學分析與有限元仿真

在工作過程中，需要驅動拉繩拉動套環進而驅動關節的動作，此時需要考慮套環的剛度和強度、變形等是否符合要求，變形過大或者過小、剛度和強度不夠都會影響關節驅動動作和后續的夾緊動作，因此，需要對套環和關節的連接進行有限元分析。對其有限元分析的基本思路如下。

1）首先，利用三維數字設計軟件將三維數字模型建立好，再將模型導入到有限元分析軟件中，進行網格劃分，繪制出關節三維數字模型如圖6所示。

圖6 關節三維數字模型

2）接著進行模型的前置處理，在有限元分析軟件中建立力學關系，對于靜態的力學分析采用靜力結構分析，導入到有限元分析軟件的運動動力學分析模塊，然后進行網格劃分，選擇的網格劃分方式為自動劃分，得到的劃分結果如圖7所示。

圖7 網格劃分結果

3）然后設置模型的材料屬性，賦予材料特性，主要包括材料的類型、名稱、彈性模量、泊松比、質量密度、抗拉強度、屈服強度等等，添加材料屬性；設置材料屬性：設置關節的材料為ABS材質，材料庫中添加ABS材料，并將材料性能賦予到材料中，各項參數如表1所示[8]。

表1 ABS材質部分屬性

4）對模型的受力點進行約束和載荷的施加，設置好約束類型，添加合適的載荷，如圖8所示，施加的載荷在套環處。

圖8 約束和載荷的施加

5）最后，進行后處理分析，結算之后查看總變形云圖和等效應力云圖，分析云圖的最大值，并對比分析是否符合設計要求，再求解，得到結果如圖9所示為總變形云圖，如圖10所示為等效應力云圖。

圖9 總變形云圖

圖10 等效應力云圖

由有限元分析結果可知，最大變形量為0.022 1 mm，變形量極小，符合要求；最大應力點為5.003 MPa，遠小于屈服強度，符合設計要求。

4 結語

通過對其手指關節外形及內部傳動結構的設計，實現一定柔性的果實采摘，保證采摘果實的完好性以及采摘的有效性和穩定性。最后，經過有限元分析，說明了設計的結果符合要求，這為之后百香果采摘機械化提供一定的技術基礎和參考。