基于TRIZ理論的紅花絲盲采裝置設計與試驗

曹衛彬 焦灝博 劉姣娣 楊雙平 陳棒棒 孫胃嶺

(1.石河子大學機械電氣工程學院， 石河子 832000; 2.桂林理工大學機械與控制工程學院， 桂林 541006)

0 引言

紅花是新疆主要的經濟作物之一，目前紅花采摘主要為人工。由于紅花種植面積大，勞動力很難滿足采摘要求，導致大面積紅花絲因無人采摘而自然凋謝，造成紅花絲減產[1]，實現紅花絲的機械化采收成為紅花收獲的迫切需求。近年來，紅花絲采收機械裝備還處于試驗階段。2012年AZIMI等[2]設計一種紅花絲采收機，試驗表明，紅花絲收獲機的采收量與手工相比增加了65%，但由于紅花花期只有3～6 d，其采摘效率不能滿足新疆幾萬公頃的紅花采收。2005年，印度的ANIL[3]制成了兩種類型的紅花絲采收機，一種是背負式紅花采收機，另一種是以汽油機為動力的手推式紅花收獲機，這兩種裝置均采用負壓使花絲與果球分離，采摘效率較低，也不能滿足紅花絲的大面積采收。2012年，國內紅花絲氣吸切割采摘方式的專利[4-8]，均是采用氣力式或機械切割式實現紅花絲的采集、收獲，改善了采摘花農的勞動強度，但在實際應用過程中，依然存在采收效率低、掉落損失大等問題。因此，上述機械仍處在試驗階段，未得到推廣應用。自2015年，作者所在研究團隊申請了紅花采摘專利[9-14]，主要采用機械齒實現紅花絲的采收，可保證紅花絲采摘的完整性。但還存在采凈率低的問題。

為了解決紅花絲機械收獲效率低等問題，采用TRIZ理論對紅花絲的采摘初始狀態進行分析，建立紅花絲采摘的物質-場模型，基于TRIZ矛盾分析法設計紅花絲采摘機構，采用多個采摘齒同時采摘一朵紅花絲，以期提高采摘效率。

1 紅花絲最佳采摘方案分析

1.1 紅花絲采摘系統的“物質-場”模型構建

人手指夾緊紅花絲，通過拉拔實現紅花絲的采摘，其本質為紅花絲與花球的分離。在紅花絲與花球之間存在一種物質-場模型，如圖1所示：Fb為紅花絲與花球之間的抗拉力，S1為花球，S2為紅花絲。

圖1 紅花絲與花球的物質-場模型 Fig.1 Substance and field model of filament and bud of safflower

實現紅花絲與花球分離的關鍵是破壞紅花絲與花球之間抗拉力Fb。引入一種新的“物質-場”抵消花球與紅花絲作用的抗拉力Fb，解決紅花絲采摘難度大的問題。利用采摘齒模擬人手采摘紅花絲，其采摘齒分為定齒、動齒兩部分，動齒與定齒夾緊紅花絲，與紅花絲產生摩擦力，稱為拉拔力Fm，作為采摘紅花絲的機械場，抵消抗拉力Fb，實現紅花絲的采摘功能。通過對紅花絲施加采摘齒與拉拔力Fm，紅花絲采摘過程的理想“物質-場”如圖2所示，S3為采摘齒。

圖2 理想的紅花絲采摘物質-場模型 Fig.2 Ideal substance and field model of picking safflowers

分析紅花絲采摘的理想模型，花球對紅花絲的抗拉力Fb和采摘齒與紅花絲作用的拉拔力Fm成相反作用?？估b阻止紅花絲脫離花球，為有害作用；拉拔力Fm促使紅花絲脫離花球，為有利作用。因此，當Fm作用效果大于Fb作用效果時，實現紅花絲采摘。通過增加有利作用的數量，使有利作用遠大于有害作用，提高紅花絲的采摘效率。為此假設有n個有利作用Fm1、Fm2、…、Fmn同時作用于一個有害作用，則紅花絲采摘的理想物質場模型轉化為一般物質-場模型，如圖3所示。即滿足

圖3 紅花絲采摘的物質-場模型 Fig.3 Multi-substance and field model of picking safflowers

確保有足夠的采摘力采摘紅花絲。

1.2 基于TRIZ理想解的紅花絲理想采摘狀態分析

圖4 采摘紅花絲的基本動作 Fig.4 Basic picking action of safflowers

人手采摘紅花絲如圖4所示，分為4個基本步驟：①通過眼睛觀察，定位紅花絲的位置。②張開手指，將兩手指分別移動到紅花絲的兩側。③手指閉合，夾緊紅花絲。④手指保持夾緊狀態，并向著遠離花球的方向移動，完成紅花絲的采摘。

為實現紅花絲的機械化收獲，必須簡化人手采摘過程，降低機械機構的復雜性。通過TRIZ理論中的理想化模型的定義方法，將人手采摘紅花絲的過程抽象為理想過程[15-19]。全局理想化：紅花絲與花球已經斷開，且紅花絲已經在人手里。局部理想化①為紅花絲與手指之間存在很大的力，用力一拉，紅花絲脫離花球；局部理想化②為紅花絲在手指的中間，只要夾緊，通過拉拔動作就可以將紅花絲與花球脫離；局部理想化③為只要手指移動到花絲兩邊，夾緊紅花絲，拉拔之后，紅花絲與花球脫離。局部理想化④為通過定位紅花絲的位置，手指移動到紅花絲的兩側，夾緊紅花絲，拉拔之后，紅花絲與花球脫離。其中全局理想化與局部理想化①在現實中較難實現。局部理想化③、④與局部理想化②相比較，采摘動作較為復雜。假設紅花絲采摘系統在紅花地運行，運行高度低于紅花生長的最大高度，則紅花絲采摘系統接觸紅花花球的幾率是存在的。因此，局部理想化②作為紅花絲采摘系統設計的理想化模型，這種采摘方案稱為紅花絲盲采。紅花絲盲采包括兩個基本動作：紅花絲的夾緊與拉拔。

2 紅花絲盲采方案設計

紅花絲盲采方案中，夾緊動作為往復移動，且人手采摘紅花時，手指為柔性體，手指夾緊紅花絲的力為柔性力。因此，采用凸輪機構與彈簧作為紅花采摘的驅動機構，利用彈簧的彈性變形模擬手指夾緊紅花絲的柔性力。在凸輪機構與彈簧的基礎上增加新的輔助部件，可以實現對紅花絲的拉拔，但在增強凸輪機構的適應性與多用性的同時，也會增加采摘機構裝置的復雜性，可制造性、可操作性變差。為解決這一問題，采用TRIZ理論的矛盾沖突矩陣，凸輪機構的適應性與多用性作為改善因素，可制造性、可操作性、復雜性作為惡化因素，查找出解決這一問題的所對應發明原理，改進現有的凸輪機構的結構，如表1所示。對表 1 中的發明原理進行分析篩選，有價值的發明原則有：1(分割原則)、13(反向原則)、15(動態化原則)、28(機械系統的替代原則)，其他發明原則文中不予贅述。1(分割原則)是指將一個物體分成相互獨立的部分或者易組裝的部分； 13(反向原則)主要有：將規定的操作改為反向操作，運動的部分靜止，靜止部分運動，使一個物體的位置顛倒；15(動態化原則)：物體或其操作環境在每一個階段都能自動調整；28(機械系統的替代原則)：將靜止場變為運動場。

表1 凸輪機構矛盾矩陣 Tab.1 Contradiction matrix of cam

圖5 基于TRIZ理論的紅花采摘裝置原理圖 Fig.5 Principle diagram of safflowers picking device based on TRIZ theory 1.凸輪 2.推桿 3.定齒 4.主軸與推桿構成的移動副 5.定齒 6.彈簧 7.支座 8.主軸 9.主軸與凸輪構成的轉動副 10.主軸與支座構成的轉動副

通過反向原則與動態化原則，將凸輪旋轉推動推桿的移動，轉化為推桿旋轉推動自身的移動，將推桿的不旋轉轉化為旋轉，禁止凸輪的自身旋轉。因此采摘紅花的凸輪驅動機構原理如圖5所示，主軸旋轉帶動推桿軸向轉動，動齒固定在推桿上，定齒固定在主軸上，因此動齒與定齒繞主軸的旋轉實現紅花絲的拉拔；在凸輪與彈簧作用下，在主軸上往復移動，實現動齒與定齒的張合，實現紅花絲的夾緊。

3 采摘裝置設計

3.1 采摘齒的齒形設計

采摘齒摘紅花絲時，繞著凸輪曲面做圓周運動，具有旋轉角速度ω，同時與機架一起水平移動，具有水平運動速度v。在此過程中，采摘齒與紅花絲具有相對運動，造成采摘齒閉合不及時而出現漏夾。為克服這一問題，將采摘齒的齒型設計為弧形，延長采摘齒與紅花絲的接觸時間，確保紅花絲能夠正常夾緊?；⌒锡X的型線如圖6所示，s為弧形齒對應的型線，θ為弧形齒型線對應的圓心角，θ1為紅花絲簇直徑d對應的圓心角，θ2為凸輪型線圓心角，R為弧形齒對應的半徑，d為紅花絲分布的最大直徑，l為齒柄長度。通過采摘齒水平速度與旋轉線速度的相互疊加，使得采摘齒的合速度相對紅花絲向左運動，保證采摘齒能夠插入花絲。

圖6 弧形齒采摘型線 Fig.6 Curve of picking finger

將前進速度v與采摘角速度ω的關系轉換為前進位移x與旋轉的角位移θ關系，需滿足如下條件：采摘齒位移x、紅花絲束直徑與凸輪回程角θ2對應的弦長之和應小于采摘齒弧型線s對應的弦長，才能消除紅花絲的漏夾現象。其數學表達形式為

x+d+Rθ2<2Rsin(0.5θ)

(1)

采摘裝置主軸安裝3套采摘齒，采摘裝置旋轉一周可完成3朵花絲的采摘，如圖7所示，則采摘齒工作區域對應的圓心角為120°，為保證相鄰采摘齒的采摘花絲不受干擾，采摘齒采摘區域對應圓心角設為π/3，保證采摘齒的工作區域至少有2朵紅花絲在其采摘區域。由于紅花莖稈自然伸縮量為50～100 mm[20]，為確保采摘齒運動行程大于紅花莖稈的自然伸縮量，紅花絲能被成功采摘，圖6中的采摘齒弧形半徑設計為R=70 mm。

圖7 采摘齒的分布 Fig.7 Distribution of picking fingers

根據葛云等[3]對紅花絲生長特性進行的測試，紅花絲分布的最大直徑平均值為d=25 mm，其對應的圓心角θ1=arcsin(d/r)，紅花絲簇對應的圓心角θ1取整為π/9。采摘一朵花絲采摘齒前進位移為d，需要采摘齒的弧長抵消采摘齒相對紅花絲的移動，避免紅花絲脫離采摘齒而漏采。因此由式(1)得出，紅花絲簇直徑對應的圓心角θ1與凸輪回程對應的圓心角θ2滿足

2θ1+θ2≤θ≤π/3

(2)

由此凸輪回程的圓心角θ2≤π/9。

由孫胃嶺等[20]對紅花的物理特性研究表明，隨著采摘齒夾持紅花的根數增加，紅花絲的拉拔力加大。因此通過圖3所示的紅花絲采摘物質-場模型，利用Creo軟件對采摘齒的齒型進行建模，如圖8所示，設計每4個齒采摘一簇紅花絲，有效增加了采摘齒對花絲的拉拔力Fm，定齒與動齒齒間隙為d/4，取整為6 mm，為保證采摘齒在夾緊花絲的過程中不會出現較大的形變，利用工具鋼T8作為加工材料，采摘齒簡化為懸臂梁結構，強度校驗，齒厚為1.5 mm，動齒與定齒的有效間隙為4.5 mm。

圖8 弧形采摘齒結構圖 Fig.8 Structure diagrams of curve picking finger

3.2 凸輪型線設計

紅花絲采摘機構的凸輪為端面凸輪，假設P為凸輪型線上任意一點，則P點運動一周的軌跡為凸輪的型線。由于采摘齒相對旋轉中心z軸的距離為定值，P點運動軌跡在Oxy面的投影是半徑為r的圓形，因此P點坐標表示為投影圓所在的弧長x(x=αr，α為凸輪的圓心角，α∈[0, 2π])與z軸構成的平面坐標，表示為P(x,z)。如圖9所示，近休止段實現紅花絲拉拔動作，為保證拉拔動作的空間距離足夠大，取凸輪的一半作為拉拔區域，其對應的圓心角為[0,π]，因此近休止的凸輪型線函數為f1(x1)=0，定義域為[0, πr]；升程段為保證凸輪打開采摘動作平緩，其對應圓心角區間為(π, 4π/3]，凸輪型線函數為f2(x2)，定義域為[πr, 4πr/3]；回程段為保證采摘齒快速閉合，且滿足設計值θ2<π/9，其對應圓心角取為[19π/10,2π]，凸輪型線函數為f4(x4)，定義域為[19πr/10,2πr]；遠休止段實現紅花絲的喂入，采摘齒處于張開狀態，采摘齒張開距離為4.5 mm，因此凸輪型線函數為f3(x3)=4.5，定義域為[4πr/3, 19πr/10]。

圖9 凸輪型線函數 Fig.9 Cam curve functions

凸輪型線在近休止與遠休止銜接處應光滑過渡，避免機械運動沖擊，要求凸輪的升程與回程對應的型線兩端點都連續可導，其滿足各自的端點處速度與加速度均為零。因此，凸輪升程段型線滿足的條件為

(3)

凸輪回程段型線滿足的條件

(4)

為滿足上述條件，采用五次多項式擬合凸輪型線，凸輪型線在近休止區間x∈[0,πr]時，凸輪近休止函數為

f1(x)=10

在升程區間x∈[πr,4πr/3]時，凸輪升程函數為

在遠休止區間x∈[4πr/3,1.9πr]時，凸輪遠休止函數為

f3(x)=14.5

在回程區間x∈[1.9πr,2πr]時，凸輪回程函數為

通過Matlab軟件進行編程，繪制凸輪型線，如圖10所示。

圖10 凸輪型線 Fig.10 Curve of cam

根據凸輪設計型線，利用Creo軟件進行凸輪三維建模，其建模過程按照凸輪型線設計的逆過程進行，建立凸輪型線展開的三維圖模型。通過環形彎曲旋轉2π轉化為回轉體結構，生成凸輪三維模型，如圖11所示。

圖11 凸輪三維建模 Fig.11 3D model of cam

圖12 紅花絲采摘機構 Fig.12 Pick safflower mechanism 1.彈簧擋盤 2.彈簧 3.動齒 4.定齒 5.滑道 6.推桿 7.凸輪 8.主軸

通過Creo軟件對紅花絲采摘機構進行三維建模，如圖12所示，動齒固定于推桿，推桿與主軸采用移動副連接，定齒固定于主軸；主軸旋轉，帶動動齒與定齒轉動，動齒在彈簧與凸輪的作用下，在旋轉的過程中產生軸向移動，與定齒配合實現紅花絲的夾緊，定齒與動齒的旋轉實現紅花絲的拉拔。因此凸輪機構在只有一個驅動的條件下，實現對紅花絲的夾緊與拉拔兩個動作。

4 仿真分析

通過Creo對采摘裝置裝配，進行位置仿真，得到采摘齒的運動軌跡如圖13所示，凸輪驅動推桿，帶動動齒的水平位移范圍為460～464.5 mm，區間距為4.5 mm，與采摘齒的齒間距設計值一致，實現了紅花絲的夾緊。

圖13 采摘齒的位移分析 Fig.13 Analysis of picking finger displacement

利用Creo的測量模塊對采摘齒動齒進行軸向運動學分析，測試采摘齒動齒的軸向速度圖像，如圖14所示，速度未發生跳躍現象。

圖14 采摘速度分析 Fig.14 Analysis of picking speed

采摘齒動齒的加速度如圖15所示，加速度曲線連續，避免了采摘齒出現沖擊力。

圖15 采摘加速度分析 Fig.15 Analysis of picking acceleration

5 試驗

5.1 紅花絲采摘裝置夾花過程分析

由于紅花生長高度不同，需在不同高度布置多個采摘裝置，實現整株不同高度的紅花絲采摘。由于紅花大多數分布在植株的頂層，因此為了驗證采摘裝置設計的正確性，選擇頂層紅花作為采摘對象，采摘齒的安裝高度等于紅花植株的平均高度。紅花絲的生長方向大多數接近豎直方向，因此采摘齒水平布置。當采摘齒旋轉到最低端時，采摘齒相對地面的線速度最大，有利于快速插入花絲，因此夾花位置設計在采摘齒運動位置的最低端。紅花絲采摘裝置前進過程中，采摘齒在最低端與頂層的紅花絲發生相切碰撞，采摘齒的定齒與動齒插入花絲，并通過彈簧與凸輪回程型線配合夾緊花絲，在采摘齒運動到最高點的過程中拔掉花絲。

5.2 試驗測試

對紅花絲采摘裝置進行試制(圖16)，以“裕民無刺”紅花作為試驗對象，株高為700～1 000 mm[3]，采摘齒安裝高度距離地面900 mm。采用可控ZLG型直流串勵電動機驅動采摘齒轉動，電動機通過蓄電池供電，手動調速手柄通過ZK系列電動機控制器控制該電動機的轉速，實現對采摘裝置采摘速度的控制。通過手動調速手柄調節采摘裝置的轉速，進行試驗。以0.5 mm/s作為采摘紅花前進速度。測試結果如圖17所示，前進的速度越快，單位時間內需要采摘的紅花量越大。當采摘齒的轉速為4 r/s時，采摘轉速不能夠滿足采摘工作要求，出現紅花絲由于采摘齒閉合不及時，導致漏采。

圖16 采摘裝置 Fig.16 Picking device 1.紅花絲采摘裝置 2.蓄電池箱 3.手動調速手柄 4.ZK系列電動機控制器 5.ZLG型直流串勵電動機

圖17 紅花采摘試驗結果 Fig.17 Safflower experiment of picking performance

當采摘齒轉速大于6 r/s時，單位時間內采摘齒接觸到紅花絲的次數增加，且采摘齒閉合的時間縮短，采摘齒閉合及時，減少了漏采率，采摘效果理想，其采凈率約為90%。

6 結論

(1)通過分析紅花絲采摘過程的理想化模型，提出一種基于采摘齒與紅花絲碰撞的盲采方案，避免了對紅花花球的準確定位，簡化了采摘裝置的機械結構。

(2)采摘齒具有相對地面的水平運動，采摘紅花絲時，采摘齒與紅花絲接觸位置相對移動，造成采摘齒閉合不及時而出現漏夾。為克服這一問題，將采摘齒的齒型設計為弧形，延長了采摘齒與紅花絲的接觸時間，確保了紅花絲能夠正常夾緊。

(3)通過試驗分析，當采摘裝置的前進速度為0.5 m/s，轉速大于6 r/s時，其采摘采凈率約為90%。