蘿卜采收機械手的設計

摘要：為了提高蘿卜采收的自動化程度，模擬蘿卜采收過程中的工藝步驟，設計了一款蘿卜采收機械手。對機械手采收部分的關鍵部件進行了研究，包括機械手的機械結構設計、驅動系統與PLC控制系統設計。機械結構部分主要由手爪、手腕、手臂、機座等組成，具有手臂回轉、升降、手臂擺動、手腕旋轉共4個自由度。蘿卜采收機械手能依次完成蘿卜的拔取、翻轉、轉位等動作。為了使采收過程順利進行，機械手采用液壓驅動，并結合PLC控制系統來提高該機械手的定位精度，實現蘿卜采收的自動化過程。

關鍵詞：蘿卜采收；機械手；機械設計；控制設計

中圖分類號：S225.92 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）09-2248-04

目前，中國農業機械化對農業生產的貢獻率僅為17%，與發達國家存在很大的差距[1]。加速農業現代化進程，實施精確農業，廣泛應用農業機器人，以提高資源利用率和農業產出率，降低勞動強度，提高經濟效率已成為現代農業發展的必然趨勢[2，3]。果蔬的采收方法有手工采收、機械輔助采收和機械化采收3種[4，5]，世界蘿卜的總產量為4 900萬t/年，其中中國680萬t/年，國內的采摘作業基本上都是手工進行的，收獲作業勞動強度大。隨著農業設施的發展和作業機械化的要求，對蘿卜種植模式要求也越來越高，種植、管理和收獲的勞動量也越來越大，亟需研究開發果蔬收獲機器人，實現果蔬的機械化、自動化與智能化收獲[6，7]，為此，通過對蘿卜種植與采收情況的調研，設計了一款蘿卜采收機械手，以期為蘿卜的自動化采收打下一定的基礎。

1 蘿卜采收機總體設計

根據蘿卜采收過程的特殊性，為了提升蘿卜采收的工作效率，所設計的是一種農業機械中的收獲機械手，由執行系統、驅動系統和控制系統組成，其組成示意圖如圖1。

2 蘿卜采收機械手關鍵部位機械設計

蘿卜采收機械手的關鍵部位主要包括：1）手爪部位。手爪部位的主要工作是對蘿卜進行抓取，為了減少手部由于慣性帶來的不平穩性，此部位采用回轉的形式，而手爪只用兩根手指代替；2）手腕部位。手腕是連接手爪部位和手臂部位的關鍵地方，其主要工作是調整蘿卜的方位，使蘿卜被抓的時候可以進行擺動和回轉，輔助蘿卜采收過程的連貫性；3）手臂部位。手臂部位的主要作用就是支承，在采收過程中帶動其他部件運轉，并按照采收要求將蘿卜搬運到指定的位置，設計時只需要實現手臂部位的升降與擺動即可。此次設計機械手應實現的功能：蘿卜的挖掘、被挖掘的蘿卜轉移到指定位置，圖2為機械手的機構形式簡圖。

2.1 機械手基本技術參數的選定

由于蘿卜生長的自然環境決定了蘿卜采摘過程中所需要的拔取力，故需要對不同地方生長的蘿卜進行采收力的測定。把細繩系在蘿卜的莖葉或者根莖部位，細繩的末端連接計力器材，多次讀取并記錄最大拉力。圖3為湖北省長陽和沙洋兩個地區分組測試蘿卜拔取力的試驗結果，現取5組數據平均值F=80 N，蘿卜重量約為0.5kg，故重力G=5 N，摩擦系數f=0.2，夾緊力N=0.5 G/f，得N=12.5 N。

機械手手臂上下行程為500 mm，手腕旋轉角度90°，手臂旋轉角度90°，按照循環步驟安排確定每個動作的時間，從而確定各動作的運動速度。各動作的時間分配要考慮多方面的因素，包括總的循環時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等[8]，此次設計各動作依序進行，為保證蘿卜的質量必須限制采摘速度及加速度，采摘速度初步定在小于1 m/s，此速度由各關節液壓缸流量控制保證。

2.2 機械手末端執行機構的設計

手部是用來直接握持蘿卜的部件，由于被握持蘿卜的形狀、尺寸大小、重量、表面狀況等的不同，根據實際要求，設計采用夾鉗式的手部結構。夾鉗式手部結構由手指、傳動機構和驅動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的物體具有較大的適應性，常見的傳動機構往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構實現夾緊或放松[9]。由于抓取尺寸約為90 mm×240 mm的圓柱體，故采用夾鉗式平面指形結構較為合適。

設計中機械手手爪在夾持蘿卜時，其夾握力分析簡圖如圖4。為了增大夾握力，采取以下兩種方法：①設計鏟刀角度170°，以增加手指和蘿卜的接觸面積；②增大手指和蘿卜間的摩擦系數，為此采用較寬手指與蘿卜接觸，故此處f取0.2，將上述數值代入得：

N=■G=■×5=12.5N 公式（1）

式中，N為夾持蘿卜時所需要的握力；G為工件重量轉化的重力； f為摩擦系數。

考慮到在傳送過程中還會產生慣性力、振動以及受到傳力機構效率等的影響，故實際握力還應按公式（2）計算[10]：

N實≥N·■ 公式（2）

式中，η為手部的機械效率，一般取0.85～0.95；k1為安全系數，一般取1.2～2.0；k2為工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，按公式（3）估算[10，11]：

k2=1+a/g公式（3）

其中，a為抓取工件傳送過程中的最大加速度，g為重力加速度。

若取η=0.9，k1=1.5，k2按a=g/2計算，k2=1+a/g=1.5，則

N實≥N·■=12.5×■≈32 N 公式（4）

2.3 機械手腕部位的設計

機械手腕與機械手臂連接在一起，手臂運動結束后調整手腕的位置狀態，以此來提高蘿卜采收過程的拔取率。手腕部位的機械結構設計應該力求扎實緊湊，且轉動慣性小。手腕也是末端執行部位與機械手臂之間的橋梁，處于手臂部位的前端，手爪的末端，因此其承受載荷的性能直接關系到蘿卜的采收過程，在設計的過程中還要考慮其機械強度與剛度，并且要讓其布局合理。結合設計要求，設計出腕部位的結構如圖5，其為典型腕部結構中具有一個自由度的回轉缸驅動的腕部結構，直接用回轉液壓缸驅動實現腕部的回轉運動。

2.4 機械手臂部位的設計

機械手的手臂部位是實現機械手末端手爪進行大尺度位姿變換的關鍵部件，即把末端手爪部分移動到空間的指定地點。手臂部位的驅動形式主要有液壓傳動式和機械傳動式兩種，由于手臂部位的大尺度工作范圍，以及工作中也需承受腕部和手爪部位的動力載荷，而且其姿態調整的靈活性影響到機械手的定位精度，因此手臂部位采用液壓回轉缸的形式實現手臂的大尺度旋轉動作，如圖6所示的手臂結構，采用一個回轉液壓缸，實現小臂的旋轉運動。從A-A剖視圖上可以看出，回轉葉片用鍵和轉軸連接在一起，定片和缸體用銷釘和螺釘連接，壓力油由左油孔進入和右油孔壓出，以此來實現手臂部位的旋轉。

3 蘿卜采收機械手液壓驅動系統設計及PLC控制設計

3.1 液壓驅動系統的設計

從蘿卜采收的工藝過程可以得出，機械手運動的時候液壓系統中液壓油的壓力和流量不需要太高，設計使用電磁換向閥的液壓回路可以較好地提高采收過程的自動化程度。從降低供油壓力的角度來分析，機械手的液壓系統可以采用單泵供油，而手臂部位的旋轉和位姿的調整等相關機構采用并聯供油。為了防止多缸的運動系統在運動的過程中產生干涉和保證運動過程中實現非同步運動或者是同步運動，油路中的換向閥使用中位“O”型換向閥，夾緊缸換向選用二位三通電磁閥，其他缸全部選用“O”型三位四通電磁換向閥[12，13]。機械手臂位姿調整的過程中要求行程可變，在液壓缸的起動和停止的過程中也需要緩沖，但由于回轉缸內空間狹小，且回轉缸為小流量泵供油，故本系統沒有在回轉缸換向回路中采用緩沖回路，僅在大流量直動液壓缸中采用緩沖回路。

在上述主要液壓回路定好后，再加上其他功用的輔助油路（如卸荷、測壓等油路）就可以進行合并，完善為完整的液壓系統，并編制液壓系統動作循環及電磁鐵動作順序表，其中液壓原理圖如圖7。

3.2 PLC控制設計

為了讓機械手工作時可靠且有較強的穩定性，控制部分的設計思路是讓該機械手的部件順序動作，所以，在任一時間該機械手都只有一個部件被驅動，而各個部件的運動方式和運動范圍都是受其結構限制的[14，15]。PLC的狀態流程簡圖如圖8所示，機械手在自動運動狀態時每一個周期需要完成以下動作：蘿卜采摘開始時，機械手被設定在準備狀態，第一步為手臂下降；下降完成后，手爪扎入地下指定深度，進行第二步手爪夾緊；為完成挖蘿卜動作，手腕帶動手爪及蘿卜旋轉90°；完成上述動作后，機械手臂向上提升完成拔去動作；手臂擺動90°，以實現對蘿卜的轉移；最后手臂回擺，手腕回擺，機械手回到初始狀態。

4 小結

通過對機器人技術及機械手結構的分析，對蘿卜采收的過程進行了研究，確定蘿卜采收機械手的整體方案結構，設計蘿卜采收機械手的關鍵結構。蘿卜采收機械手能配合蘿卜采收機依次完成蘿卜的拔取、翻轉、轉位等動作，但該機械手在結構及工作性能的穩定性方面還需在田間進行試驗，控制方案有待根據不同地區的種植情況進行優化。

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