香蕉采摘機器人結構設計*

梁漢文 ，何萬濤 ，郭延艷 ，田學軍

（嶺南師范學院，廣東 湛江 524048）

香蕉是世界四大水果之一，產量和種植面積逐年增加。在香蕉生產鏈中，除了采摘環節，其他運輸、分揀、清潔、包裝、殺菌等環節都有一定程度的機械化，因此，要想提高中國整個香蕉產業鏈的機械化水平，提高香蕉采摘過程的機械化程度是主要環節[1-3]。國外發展香蕉采摘技術的目的是在提高香蕉質量和采摘效率的同時減少安全事故的發生，使香蕉采摘過程自動化、高效化、安全化。目前國內和國際上有兩種機械收獲香蕉的方法：砍蕉輔助裝置法和機械化采摘法[4-5]，但當前我國許多地區的香蕉采摘工作仍然依靠手工完成，這需要消耗大量的人力資源，工人的勞動量非常大，而且效率低下，容易傷害到采摘工人[6]。因此，實現香蕉的機械化采摘，研制先進的香蕉采摘機械，對于提高采摘效率、減少勞動量、降低采摘成本具有重要意義[7]。

1 香蕉采摘機械手設計方案

1.1 整體方案設計

一般香蕉果串的重量在25 kg~35 kg之間，果莖直徑在50 mm~100 mm之間，故本文以香蕉果串的重量和果莖直徑最大值為樣本來設計香蕉采摘機械手[8]。香蕉采摘機器人的整體結構主要有夾持機構、切割機構、果篼機構和臂機構，其整體結構如圖1所示。

圖1 香蕉采摘機器人整體結構

1.2 主要結構設計

1.2.1 夾具機構設計

夾具機構選擇使用螺旋夾具來執行夾持動作，螺旋夾具結構相對簡單，易于制造，并且使用電動機提供推力，驅動機構夾緊或松開。傳動電機和夾持機構固定在板上，選用1045鋼材料減輕重量和沖擊，并確保恒定的剛度，夾具機構的結構如圖2所示。

圖2 夾具機構

以理想閉合狀態和最大打開狀態為研究狀態，夾具機構模型圖如圖3所示，香蕉的果柄直徑取100 mm。當兩個夾具打開到最大時，兩個夾具與夾具安裝中心之間的距離被認為是香蕉莖徑的2倍，即200 mm。如果觸碰撐桿以最大值打開，而卡爪閉合，則前部必須位于卡爪的中心。因此，初步取觸碰撐桿后退的距離為1倍的香蕉果柄直徑，即100 mm。取連接桿BA的長度為60 mm、O'O為20.5 mm，曲柄的長度O'A=130 mm，根據相似三角形定理得AC=148.1 mm。由于到點D不能遠離支撐固定桿MN，因此連接桿取較小值，即AC=140 mm。此時，O'E=123.85 mm。連接桿AB與前支撐夾具的桿件MN理想的情況下相接觸，這樣就可在支撐桿上直接安裝外物擋住連接桿的前進，讓觸碰撐桿處于死點平衡靜止的位置。考慮桿件外形尺寸，AB與支撐桿MN的最小距離為20/2+20/2=20 mm，O'距離MN的最小距離為O'G=O'E+20=143.85 mm。由于D不能遠離支撐夾具MN，接近這一點有利于降低夾具桿的強度要求，因而O'G取稍大值，即O'G＝155 mm，則HG=AE×O'G/O'E=49.4 mm（AE=AB-O'O=39.5 mm），HJ=HG+O'O=69.9 mm。所以支撐桿MN的最小長度為2×HJ+20+20=179.8 mm，約等于180 mm。一般認為，杠桿在打開時不應與兩側的支架接觸，并且它們之間應該留有一定的距離，故支撐夾具的桿件MN的外形尺寸長度取265 mm。

圖3 夾具機構模型圖

1.2.2 切割機構的設計

切割機構可以采用電機作為動力源，直接驅動碳鋼鋸片進行切割操作，這樣更易于控制。接下來可以選擇電機，并通過按下開關的方式讓鋸片對香蕉莖進行切割。電機被固定在1045鋼板上，切割機構示意圖如圖4所示。

圖4 切割機構

2 關鍵零部件選型

2.1 電機的計算與選型

減速電機具有節省空間、易于安裝、能耗低、性能優異等優點，特別是機械效率高，因此各機構傾向于選擇直流減速電機[9-12]。查閱資料可知，切割香蕉果莖需要的最小力F≈20 N，由于刀片的直徑D1≈180 mm，根據如圖5所示的鋸片分析圖可知，切割香蕉果莖的最小轉矩為M=FD1=3.6 N·m。

圖5 鋸片分析圖

選擇JGA12-N20-50K型號的電機，額定轉速為240 r/min，輸出功率為0.15 W。根據功率和轉速的關系，可以求出轉矩：

式中，n為額定轉速；T為電機轉矩；P為輸出功率。

解得轉矩T=5.97 N·m。由于T>M，所以選擇此款直流減速電機合適，電機參數如表1所示。

2.2 確定液壓泵的型號

選擇液壓泵時，需確定其在整個液壓系統中的最大供油量和最大壓力。由于最大額定工作壓力為1.17 MPa的輕載拉桿式液壓桿和徑向活塞液壓馬達的工作壓力相比較小，因此，整個液壓系統所需的最大工作壓力可以用徑向活塞液壓馬達的工作壓力來代替。從分析看來，所需的工作壓力為P1=16 MPa。有必要考慮管道系統中油的壓力損失，根據經驗數據，管道相對簡單的閥門和液壓系統的速度調節通常是∑ΔP1=0.2 MPa~0.5 MPa，這里取0.5 MPa。所以液壓泵的最高工作壓力為：

液壓泵的最大供油量取決于同時運行的每個驅動器所需流量和回路系統泄漏率之和的最大值，從工作流中可以看出，每個正在執行的組件不是同時運行的，而是獨立運行的；此外，夾具和切割機構中的三個液壓桿相對較小，會對流量產生影響；徑向活塞液壓馬達的排量也很小，但油壓上升桿的選擇大、行程大，導致油壓上升桿所需的流量增加。由此可得，液壓桿桿徑D2=90 mm，計算出活塞桿桿徑d=55 mm，若液壓桿運動速度V=100 mm/s，則升降液壓桿所需流量為：

K是一個校正系數，一般用于校正液壓系統泄漏等因素，通過查閱資料可了解到K的取值范圍為1.1~1.3，這里取K=1.3，則液壓泵的最大供油量應滿足：

整個香蕉采摘裝置的液壓泵的動力源和重量非常重要，本研究選擇一個電池驅動的液壓泵，其結構相對緊湊堅固，重量相對較輕，便于攜帶，故不考慮以傳統柴油機為動力源[13]。最適合移動工作設備的液壓泵參數如表2所示。

表2 液壓泵參數表

3 有限元分析

3.1 夾持爪的有限元分析

夾持爪是抓取香蕉果莖的零件，所用材料同樣為經過調質處理的1045鋼，其受力情況簡化圖如圖6所示。

圖6 夾持爪受力分析圖

夾持爪受到的摩擦力可以簡化為如圖6紫色箭頭位置沿著夾持爪向下的力，此力使夾持爪變形，夾持爪受力彎曲的有限元分析如圖7所示。

圖7 夾持爪受力彎曲圖

由圖7可知，夾持爪受到的最大應力為54.97 MPa，而夾持爪選用的材料是1045鋼，其屈服力為5.30×102MPa，夾持爪所受最大應力遠小于1045鋼屈服力，所以設計滿足要求。

3.2 果篼銷軸的有限元分析

銷軸是連接液壓桿和果篼的部件，所用材料為經過調質處理的1045鋼，其受力情況簡化圖如圖8所示。

圖8 銷軸受力分析

銷中間固定在液壓桿的一端上，銷兩端受到如圖9所示的紅色向下的力，此力使銷軸彎曲變形。在銷軸兩端離端面25 mm處施加300 N的力，銷軸會發生彎曲，其彎曲變形放大后如圖9所示。

圖9 銷軸受力彎曲圖

由SolidWorks Simulation輔助分析后得出，銷軸所受最大應力為76.03 MPa，而銷軸所用材料1045鋼的屈服力為5.30×102MPa，銷軸所受最大應力遠小于1045鋼的屈服力，所以設計滿足要求。

4 總結

為實現地勢平坦地區香蕉的高效采摘，本文設計了一款香蕉采摘機器人機械手裝備。為了更好地設計出結構簡單、操作便捷的香蕉采摘裝備，首先，本文進行了香蕉采摘機器人機械手的整體結構設計，為了更直觀地展現出機械手裝置結構，利用SolidWorks三維建模軟件進行1∶1模型建構，分別將夾持裝置、切割裝置和動力裝置等導出，再將這些結構進行裝配，以確保結構的可裝配性；其次，完成了切割電機等關鍵零部件的選型；最后，通過對關鍵零部件進行有限元分析，確保了裝備設計的合理性。