基于凸輪傳動的便攜式櫻桃采摘器設(shè)計

林潘忠

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，浙江 溫州 325035）

櫻桃采摘是一個非常費時耗力的過程，在國內(nèi)至今無法實現(xiàn)機械化采摘，其原因有以下兩點：一是因為櫻桃樹體本身復(fù)雜，較難適合機械化作業(yè)；二是為了使果實保存較久，一般將櫻桃果柄一起摘下，這就需要人工慢慢采摘。國外也開發(fā)了大型櫻桃采摘機械[1]，其樹型一般要做特定形式的修剪，只適合于大規(guī)模、規(guī)范化果園，在我國并不適用。

目前國內(nèi)研究較多的櫻桃采摘機構(gòu)大多圍繞機器視覺來進行相關(guān)研究。張麗[2]等結(jié)合圖像處理技術(shù)和模糊控制技術(shù)設(shè)計了一款櫻桃采摘機器人，利用PC上位機對櫻桃圖像進行采集處理識別成熟的櫻桃。張起榮[3]等基于視覺識別技術(shù)設(shè)計了一種移動式的櫻桃采摘機器人，通過分段路徑規(guī)劃對機器人的運動進行控制，對櫻桃球模型進行重建，用最小二乘法求出櫻桃質(zhì)心位置，實現(xiàn)櫻桃的定位。國內(nèi)外學(xué)者針對水果采摘自動化取得了一系列的成果[4-6]，但總體來講機器視覺用于櫻桃采摘機械需要復(fù)雜的識別系統(tǒng)，對設(shè)備的要求較高，成本高。另一方面，櫻桃果柄與果樹之間連接緊密，人工采摘櫻桃是采用“扭”的方式將果柄摘下，機械結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)這一動作，造成果實采摘破碎率高。

針對上述問題，設(shè)計了一種便攜機械式的要采摘機構(gòu)，機構(gòu)采用齒輪齒條、凸輪和不完全齒輪傳動機構(gòu)，利用不完全齒輪的空轉(zhuǎn)與嚙合完成櫻桃定位、夾緊和采摘的過程，可模仿人工采摘的過程，確保櫻桃果實的完整性，降低勞動強度。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

采摘機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由手持部分、伸縮桿、齒輪齒條機構(gòu)、凸輪機構(gòu)，不完全齒輪機構(gòu)、夾持手、采摘頭等組成。采摘時，人通過控制后端的手柄，實現(xiàn)鋼索的前后運動，鋼索帶動拉壓塊，從而帶動齒輪齒條機構(gòu)，不完全齒輪與凸輪機構(gòu)聯(lián)結(jié)成為一體，不完全齒輪轉(zhuǎn)動時帶動凸輪機構(gòu)驅(qū)動夾頭實現(xiàn)采摘的動作。本機構(gòu)采用不完全齒輪與齒條框的配合作為動力，利用凸輪使從動件獲得模仿人工采摘的復(fù)雜運動規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠。

圖1 采摘機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 夾持機構(gòu)設(shè)計

圖2 夾持機構(gòu)設(shè)計

為了模擬人工一只手扶住樹枝的動作，我們選擇凸輪作為執(zhí)行原動件，如圖2所示，凸輪與齒輪同軸，拉桿向下運動時，帶動齒條、使齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動帶來的曲線變化帶動擺桿來完成樹枝的夾持；當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過一定角度后進入休止?fàn)顟B(tài)，不再繼續(xù)夾緊樹枝。兩夾持臂用鋼片制作，具有一定的彈性，使夾持時能自適應(yīng)不同粗細的樹枝。

采摘果實的動作我們利用不完全齒輪的特性來實現(xiàn)，夾桿夾緊樹枝后，凸輪進入休止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)齒輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，不完全齒輪與齒條框進入嚙合狀態(tài)，齒條框向上運動，帶動采摘頭推向櫻桃柄與樹枝連接處，將櫻桃從樹枝上頂下。

2.2 凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

凸輪機構(gòu)主要用來實現(xiàn)夾桿的穩(wěn)定夾緊等功能，根據(jù)不完全齒輪的設(shè)計，8個齒的角度θ=83.68°，所以凸輪需要在90°范圍內(nèi)完成所需行程的變化。

通過運動仿真，當(dāng)不完全齒輪由初始位置轉(zhuǎn)過21.5°時，開始與齒條嚙合，而凸輪的從動件又分上升階段與休止階段，所以設(shè)定凸輪推程角為30°，為了使運動更加平穩(wěn)，采用等加速等減速的運動規(guī)律。根據(jù)解析法設(shè)計凸輪，設(shè)定凸輪的基圓半徑r0=7.4mm，推程為1.1mm，從動件的運動規(guī)律如表1所示，最終得到完整的凸輪輪廓線如圖3所示。

表1 從動件的運動規(guī)律

圖3 凸輪結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊與使用精巧等方面，本文巧妙運用了放大機構(gòu)。通過圖中數(shù)據(jù)可知，將抓手的運動近似的看成直線，凸輪行程S=1.1mm，通過擺桿與彎夾桿的長度設(shè)計，可使距離放大為14mm，便于櫻桃的采摘。

圖4 凸輪與擺桿行程放大圖

2.3 執(zhí)行機構(gòu)

如圖5所示，手持部分的基本形狀類似于剪刀手把，固定手柄與伸縮桿連接，活動手把與固定手柄間用鉸鏈連接，活動手把與內(nèi)部的鋼索連接，拉桿與操控箱內(nèi)的齒條相接，齒條與齒輪嚙合。當(dāng)活動手把閉合時，會帶動鋼索松開、拉緊，當(dāng)鋼索拉緊時，拉動與之連接的拉桿，拉桿帶動齒條，齒輪帶動小齒輪轉(zhuǎn)動。

圖5 執(zhí)行機構(gòu)

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證裝置的可靠性，在理論分析與計算的基礎(chǔ)上，設(shè)計制作了櫻桃采摘機構(gòu)實物，并對所制作的實物樣機進行現(xiàn)場實驗。為驗證該采摘裝置的使用效果，使用本裝置在櫻桃園中與采摘人員同時采摘，對采摘效果進行比較。本次實驗采摘單棵果樹，以單位時間內(nèi)采果數(shù)量作為參考依據(jù)，并且實時記錄兩組的采摘情況，結(jié)果如表2所示。

表2 本裝置與人工采摘效果對比

通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，本采摘裝置在5分鐘左右采摘267顆櫻桃，平均速度約為54個/min；而傳統(tǒng)人工采摘平均速度約為46個/min。本采摘裝置的的主要優(yōu)勢在于省力快捷，不僅定位方便，整個采摘過程輕松不費力。人工采摘伴隨著勞動強度和勞動時間的增加，采摘效率將進一步降低。

4 結(jié) 論

設(shè)計了一種雙齒輪聯(lián)動櫻桃采摘器可以實現(xiàn)對櫻桃的高效率采摘，降低櫻桃采摘工的勞動強度和采摘難度，達到省時省力的效果。采摘器可模擬人工采摘櫻桃的過程，在采摘過程中不損傷櫻桃，具有較好的推廣應(yīng)用價值。