基于雙往復(fù)絲杠機(jī)構(gòu)的便攜式水果采摘機(jī)械的設(shè)計(jì)

劉丁寧， 趙紅霞， 鐘昊天， 高國(guó)強(qiáng)， 杜克祥， 袁江雄， 唐夢(mèng)園

（井岡山大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 江西 吉安 343009）

引言

我國(guó)是蘋(píng)果生產(chǎn)大國(guó)，然而，目前絕大部分蘋(píng)果采用純手工采摘，效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要彎腰或爬高，具有一定的危險(xiǎn)性。現(xiàn)有的蘋(píng)果采摘機(jī)械大多功能單一，可靠性差，效率不高，難以滿(mǎn)足果農(nóng)的實(shí)際需要。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的蘋(píng)果采摘機(jī)械體型大，且價(jià)格昂貴，使用技術(shù)要求較高，不適合我國(guó)作業(yè)條件。隨著人工成本的提高，果農(nóng)對(duì)水果采摘機(jī)械的需求也日益提高。本研究旨在設(shè)計(jì)一種半自動(dòng)化便攜式水果采摘桿，通過(guò)手柄上按鈕就能完成水果的采摘工作，對(duì)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、促進(jìn)蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及總體工作原理

如圖1所示，該機(jī)具由采摘機(jī)械爪、伸縮桿、手柄、控制器、落果收集及緩沖裝置五大部分組成。機(jī)械爪的夾持機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)處裝有扭簧，使夾緊力度控制在一定范圍內(nèi)，具有一定的自適應(yīng)作用，防止對(duì)果實(shí)造成物理?yè)p傷。在靠近伸縮桿的絲杠螺母底端安裝了一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，用于校準(zhǔn)機(jī)械爪的初始位置，防止機(jī)械累積誤差。采用腸胃式收集裝置，使果實(shí)經(jīng)過(guò)緩沖環(huán)后儲(chǔ)存在收集馕中。

機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)和特殊螺旋傳動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械爪旋轉(zhuǎn)，使兩絲杠螺母完成周期性的旋轉(zhuǎn)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的收縮和擴(kuò)張。初始狀態(tài)為張開(kāi)狀態(tài)，短按按鈕機(jī)械爪收縮后扯，碰到微動(dòng)開(kāi)關(guān)后機(jī)械爪張開(kāi)，使果實(shí)通過(guò)落果收集及緩沖裝置到收集馕中，同時(shí)機(jī)械爪恢復(fù)到初始張開(kāi)位置，即完成一次采摘任務(wù)[2]。

圖1 簡(jiǎn)易總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)械爪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 雙往復(fù)絲杠機(jī)構(gòu)

往復(fù)絲杠在不改變主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向前提下，使滑塊實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如下頁(yè)圖2所示，兩段往復(fù)絲杠可使兩絲杠螺母的相對(duì)位置不同，形成一種時(shí)而遠(yuǎn)離、時(shí)而靠近、時(shí)而相對(duì)靜止的奇妙運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。該機(jī)械爪的設(shè)計(jì)也是在此機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上完成的。

2.2 連桿機(jī)構(gòu)

如下頁(yè)圖3所示，連桿機(jī)構(gòu)是用鉸鏈、滑道方式，將構(gòu)件相互聯(lián)接成的機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)變換及傳遞動(dòng)力。在該產(chǎn)品連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，主要作用是將絲杠螺母的直線(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置來(lái)控制末端執(zhí)行器的開(kāi)合狀態(tài)。

圖2 雙往復(fù)絲杠軸（單位：mm）

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的周期運(yùn)動(dòng)，本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于往復(fù)絲桿在不改變主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向前提下，使滑塊實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，以盡量使機(jī)械爪輕巧、緊湊和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定為原則，合理設(shè)計(jì)絲桿螺母的外形尺寸以及傳動(dòng)齒輪組的尺寸和位置，然后根據(jù)絲桿螺母的位置與安裝爪盤(pán)后的效果，設(shè)計(jì)爪盤(pán)和三爪夾持機(jī)構(gòu)間的連桿機(jī)構(gòu)。

圖3 機(jī)械爪總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.3 末端夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

該采摘機(jī)械爪采用三爪夾持機(jī)構(gòu)，如圖4所示。采摘環(huán)境復(fù)雜多變，加之周邊枝葉和果實(shí)的干擾，在滿(mǎn)足抓取任務(wù)的前提下三爪能做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，同時(shí)受力均勻，大大提高了靈活性。末端夾持結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響蘋(píng)果的采摘效率和損傷程度，在執(zhí)行器抓牢果實(shí)后利用機(jī)械爪的旋轉(zhuǎn)擰斷果柄。如果利用電極或者切刀直接切斷果柄，則對(duì)蘋(píng)果的果柄方位的定位要求較高。結(jié)合實(shí)際采摘要求，為更加方便采摘作業(yè)，提高采摘效率，第一種方案更符合要求。

摘取方式采用包絡(luò)抓取擰斷方式。對(duì)于蘋(píng)果這樣的硬度較大、受力形變較小、形狀較規(guī)則、體積適中的水果，采用包絡(luò)抓取能穩(wěn)定地抓住水果，然后采用擰斷方式能成功達(dá)到無(wú)損采摘。

通過(guò)采摘手與連桿機(jī)構(gòu)的鏈接與配合，將導(dǎo)桿的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為末端執(zhí)行器的夾、合運(yùn)動(dòng)。采摘手經(jīng)過(guò)一定的外形設(shè)計(jì)加上特定扭簧的配合，能夠較好地降低蘋(píng)果的損傷率。這樣不僅省去了檢測(cè)果柄這一復(fù)雜過(guò)程，而且還提高了扭斷果柄的準(zhǔn)確度和采摘效率，容錯(cuò)率較高[3]。

圖4 末端夾持機(jī)構(gòu)整體外形

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

該系統(tǒng)使用LQFP48封裝的STC11F32XE單片機(jī)為主控芯片，主程序主要功能為：檢測(cè)按鍵是否被按下及復(fù)位?？刂破鳈z測(cè)到采摘按鈕按下后，判斷是短按或長(zhǎng)按，短按時(shí)主程序?qū)⑦M(jìn)入采摘子程序，采摘子程序會(huì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行采摘作業(yè)。完成本次采摘作業(yè)后，將繼續(xù)等待采摘按鈕的下一次按下。長(zhǎng)按為連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到觸碰到復(fù)位開(kāi)關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

該研究就基于雙往復(fù)絲杠機(jī)構(gòu)的便攜式水果采摘機(jī)械的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，其關(guān)鍵在于采用包絡(luò)抓取擰斷的摘取方式，往復(fù)絲杠的特殊螺旋傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)連桿傳動(dòng)和兩螺母的相對(duì)位置使末端夾持機(jī)構(gòu)完成張合動(dòng)作，與此同時(shí)完成機(jī)械爪的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。采用欠驅(qū)動(dòng)的方式，用一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三爪的張合動(dòng)作、機(jī)械爪的升降和轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣使結(jié)構(gòu)更加的緊湊，操作更為方便，體積小，便攜，可以滿(mǎn)足廣大果農(nóng)的日常采摘需求，具有非常廣闊的發(fā)展前景[4]。