一種基于舵機驅動的自動化水果采摘頭設計＊

李驕承，謝緯安，楊顧坤

一種基于舵機驅動的自動化水果采摘頭設計＊

李驕承1，謝緯安1，楊顧坤2

（1.南通職業大學，江蘇 南通 226007；2.南通大學，江蘇 南通 226019）

隨著中國農業機械水平的提升，農業林業的生產已經由傳統的人力勞作轉變為機械化操作。為提高果園的生產效率，從果園的實際生產角度出發，對現有的果園采摘設備進行改進，提出了一種基于舵機驅動的自動化水果采摘頭設計，并對該設計進行了受力分析和有限元校核。結果表明，該設計方案的力學性能可通過有限元校核，采摘頭的改進結構設計和選型都是合理的。此外，研究結果還能為自動化水果采摘設備的進一步優化設計提供參考。

農業機械；采摘頭設計；力學分析；有限元分析

1 前言

近年來，中國的農業機械水平迅速提升，農業林業的生產已經從依賴于人力、畜力轉向主要依靠新型農業機械，并且在農業機械化的進程中也取得了初步成就。但受農業機械產品需求多樣化，農業機械作業環境十分復雜，難以輕易處理等因素影響，目前，中國的農業機械發展仍然處于發展階段[1]。近十幾年來，日本及歐美國家先后研發與制造了采摘葡萄、草莓、蘋果、西紅柿等水果的高級機器人[2]。但是由于水果采摘過程是一個復雜的過程，識別水果時，樹葉以及太陽照射下來的陰影，給水果成熟度檢測以及水果果實判斷的檢測帶來了一定的挑戰，水果采摘環境的復雜性也使機器人采摘水果很困難[3]。因此，市面上目前還未有功能齊全且完善的水果采摘機器人。

自20世紀90年代中期以來，中國一些研究院和高校開始對采摘收集水果的一體化機械裝置進行研究，但由于起步較晚，工業化水平較低，研究經費不如發達國家等一系列原因，導致中國的采摘收集水果機器人方面的研究與發達國家還是有不小的差距[4]。但是在相關領域也取得了不錯的成果，例如西北農林科技大學研究了收集采摘蘋果一體化的機器人手臂的控制系統及其算法；南京農業大學研究了采摘與收集茄子一體化的機器人在采摘行進間如何規劃最佳路徑，如何避障，制作分析與控制系統，并完成了相應的算法；浙江大學也進行了相應的研究，研究目的是設計收集和采摘西紅柿一體化的機器人的機械手控制系統；此外，江蘇大學、吉林大學、上海交通大學等高校對水果采摘收集一體化裝置進行了研究，并取得了一定的成果[5-6]。

上述的自動化采摘機器人或多或少都存在著制作精密、價格昂貴等缺點，目前仍不能廣泛適用于中國傳統的小農經濟精耕細作的模式。為此，為了改善果園果農的工作環境，提高果園的生產效率，對現有的水果采摘設備進行相應的改進，是今后很長一段時間內的優先方案。

2 方案選擇與裝置設計

2.1 采摘桿長度選擇

水果采摘桿的總長度由采摘水果的高度決定，常見的果樹有蘋果樹、梨樹、橙子樹、柑橘樹、桃樹等。以蘋果樹為例，果園常種植的果樹的高度在2～6 m不等，水果采摘桿的長度模擬計算如圖1所示。

圖1 水果采摘桿的長度模擬計算示意圖

基于已有的數學知識估算出水果采摘設計時所需要的長度，水果采摘桿由果農握持，所以水果采摘桿的起點應該從支架的支點開始算起，大約為1～2 m，可以根據果樹的高低調整支架的長短，采摘水果的過程中，水果采摘桿不可能是豎直的，它會與豎直成一個角度，估算該角度為30°，果農需要采摘的水果一般高度在3～5 m，可以按下式估算采摘桿的長度：

計算后可知，水果采摘桿的長度可以設計為1.5～3 m不等。水果采摘桿的材料，可以選擇鋁合金，由于鋁合金的密度小，強度高，這可使水果采摘桿的質量相應減少，同時在采摘過程中可以很好地保護采摘桿，同時考慮到鋁合金耐腐蝕性好，可以有效避免水果采摘桿存放在陰暗潮濕地方的生銹問題。

2.2 采摘頭的結構設計

為了提高果農在水果采摘過程中的效率，本文基于舵機驅動的基礎，設計了水果采摘頭，如圖2所示。舵機通過驅動主動曲柄，繼而帶動被動曲柄，而被動曲柄與剪刀頭鉸接，該過程完成剪刀頭的剪切。

圖2 采摘頭三維模型示意圖

圖2所示的機構可以簡化為圖3所示的四桿機構。四桿機構有曲柄搖桿、雙曲柄、雙搖桿三種，根據設計的水果采摘桿的要求，力求設計結構簡單，安全可靠。同時為了避免在運動過程中出現死點，初步設計的四桿機構為雙曲柄機構，并且在整個運動過程中運動轉過的角度為45°，在此過程中不會出現曲柄與連桿共線的情況，這樣就消除了運動的死點，保證水果采摘桿在運動過程中運動連貫，不會出現運動停止的情況，提高了機械的運動效率。

圖3 四桿機構模型示意圖

初步設計主動曲柄的長度為15 mm，連桿的長度為 60 mm，被動曲柄的長度為15 mm，在圖解法的計算過程中，滿足預設的運動軌跡，并且不會在死點位置出現。受力分析如圖4所示。

圖4 四桿機構受力分析示意圖

1=200 N，2=1×cos30°=173.2 N，

2=4=173.2 N，6=4cos30°=150 N

本研究選用達盛舵機公司生產的型號為DS3218mg的舵機，該舵機的扭距大，精度高，壽命長，機虛位小，從而更精準地控制四桿機構，使水果采摘桿可以順利采摘，而不必擔心采摘桿在采摘過程中出現故障，同時該電機使用金屬外殼，使舵機更加堅固，在采摘過程中不會因為觸碰到堅硬的樹枝而損壞舵機外殼，舵機參數如表1所示。

表1 舵機參數

型號DS3218mg齒輪全銅齒 電壓4.8～7.4 V軸承2BB雙滾珠軸承 空載速度（6 V）0.15扭轉角度0°～180° 空載速度（7.4 V）0.13主齒25齒 尺寸40 mm×20 mm×37 mm線長30 cm 質量67.5 g堵轉力矩（6 V）18.5 馬達空心杯馬達堵轉力矩（7.4 V）22.8

舵機的固定方法方面，本設計使用了一個舵機固定件來進行固定安裝。該固定件套在水果采摘桿前桿的頭部，靠近剪刀的部分，與水果采摘桿前桿采用過盈配合，將固定件與采摘桿前桿牢牢固定，避免在運作過程中脫落。舵機的兩端都會有4個圓孔空余，用于固定舵機，設計的舵機固定件根據舵機4個固定圓孔的相對位置也空余了一定空間，用于與舵機相連，各零部件的配合可以采用過盈配合，安裝時使用4個M4的螺母和螺釘來固定。整個舵機固定件的長度為 55 mm，略長于舵機的40 mm，舵機固定件的內徑由水果采摘桿的前桿的外徑決定，水果采摘桿前桿的外徑為25 mm，即確定了舵機固定件的內徑為25 mm。根據常用固定件的厚度，設計該舵機固定件的外徑為30 mm。2個剪刀片采用螺栓固定，具體為M6的螺母、M6的螺絲，長度為5 mm，不需擰太緊，以防因為過緊而無法正常運動。

3 有限元校核

水果采摘桿頭部的剪刀的刀頭部分受力均勻，不易因受力過大而產生塑性變形。在剪刀連接的部分，受到與兩圓孔連線相垂直的力，為100 N。在軟件中先導入SolidWorks零件，設置剪刀片的材料性能，剪刀片材料為304不銹鋼，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，接著對零件進行網格劃分，選擇sizing中的medium選項。對零件添加約束條件，剪刀片與固定的刀片相連的那個孔是固定的。對零件添加載荷力，刀片與連桿相連的孔受到連桿對刀片的載荷力，方向為與兩個孔連線的垂直方向，之后進行求解，得到如圖5所示的應力結果分析，其中最大應力為135.28 MPa，根據實際需要安全系數為1.5，最大應力為202.92 MPa，查表可知小于許用應力465 MPa，符合要求。

圖5 刀片受力分析示意圖

4 結論

本文提出了一種基于舵機驅動的自動化采摘頭設計，主要結論如下：設計的主動曲柄的長度為15 mm，連桿的長度為60 mm，被動曲柄的長度為15 mm，可以有效避免機構在運動中出現死點位置。經有限元校核，刀片在運動過程中受到的最大應力為202.92 MPa，表明刀片選型合理。

［1］張潔，李艷文.果蔬采摘機器人的研究現狀、問題及對策［J］.機械設計，2010，27（6）：1-4.

［2］HARRELL R C，ADSIT P D，POOL T A，et al.The florida robotic grove-lab［J］.Transactions of the ASAE，1990，33（2）：391-399.

［3］CERES R，PANS F L，JIMENEZ A R，et al.Design and implementation of and aided fruit-harvesting robot［J］.Industrial Robot，1998，25（5）：337-346.

［4］王杰，閆肖肖.水果采摘裝置的發展［J］.科技創新與應用，2018（30）：78-79.

［5］付榮利.果園采摘機械的現狀和發展趨勢［J］.農業開發與裝備，2017（5）：17-19.

［6］陳章恒，張維元，張路遙，等.菠蘿收集采摘車的設計［J］.科技創新與應用，2018（10）：96-97.

2095－6835（2020）06－0024－03

S225.93

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.008

李驕承（1998—），男，河南洛陽人，主要研究方向為現代農業創新。

謝緯安（1987—），男，江蘇南通人，博士，講師，主要研究方向為對流傳熱、機械結構設計。

江蘇省大學生創新訓練計劃項目（編號：201911052030Y）

〔編輯：嚴麗琴〕