香蕉柔性?shī)A持裝置的研究

高一華，田旭峰，張日紅，楊松夏，朱立學(xué)

（仲愷農(nóng)業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州510000）

0 引言

香蕉屬高熱量水果，其含有豐富的維生素、淀粉、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有廣泛的市場(chǎng)及較高的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)作為世界上香蕉生產(chǎn)大國(guó)之一，對(duì)于香蕉的采收作業(yè)環(huán)節(jié)仍舊處于人工階段，人工采收香蕉通常需要2 人及以上，一或多人負(fù)責(zé)托舉保護(hù)香蕉果串并進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，一人負(fù)責(zé)切割香蕉果柄。通常人工采收香蕉需要耗費(fèi)巨大的人力，勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作效率低且不能保證果串的損傷程度低，這些因素間接影響了香蕉的儲(chǔ)存及保鮮時(shí)間，在一定程度上降低了香蕉的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著科技的進(jìn)步，香蕉采收裝置也朝著機(jī)械化、智能化的方向發(fā)展。目前，已有的香蕉采收裝置包含索道裝置、輔助裝置，而索道采收在我國(guó)技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟，在海南、廣西等地都有索道采收香蕉示范園，但索道運(yùn)輸一般只適用于大規(guī)模香蕉種植園區(qū)，要求較高的前期經(jīng)費(fèi)投入且利用率較低，而輔助裝置則包括有砍蕉輔助裝置與輸運(yùn)輔助裝置。這些裝置不僅全程需要人工作業(yè)，且無(wú)法保證香蕉的低損采收，還有可能在與裝置接觸時(shí)造成香蕉的二次損傷。因此，本文旨在研究一種智能化的香蕉柔性抱持裝置，該裝置能配合采收切割機(jī)械手作業(yè)，實(shí)現(xiàn)香蕉采收的低損化，提高香蕉采收的自動(dòng)化、智能化水平。

1 柔性抱持裝置的關(guān)鍵參數(shù)分析

1.1 柔性?shī)A持原則與要求

柔性?shī)A持裝置的作用對(duì)象是香蕉果串，而香蕉果串有如下特點(diǎn)：果串質(zhì)量大，個(gè)體差異明顯，外形尺寸不一，且果皮容易受到機(jī)械損傷。主要參數(shù)如表1所示。

表1 香蕉及其種植主要參數(shù)

根據(jù)香蕉果串的以上特性，柔性?shī)A持裝置具有一定的柔性空間，解決香蕉采摘運(yùn)輸過(guò)程的夾持力過(guò)大損傷香蕉、夾持力過(guò)小導(dǎo)致香蕉跌落的問(wèn)題。

香蕉采摘與運(yùn)輸?shù)娜嵝詩(shī)A持輔助裝置，其中夾持機(jī)構(gòu)是裝置設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。柔性?shī)A持機(jī)構(gòu)由夾爪與柔性材料組成組合作用與人工抱持香蕉類似，需滿足以下原則與要求：無(wú)損夾持原則、穩(wěn)定夾持原則。

1.2 四軸調(diào)整機(jī)構(gòu)功能要求

四軸調(diào)整平臺(tái)用于柔性?shī)A持機(jī)構(gòu)的空間位置調(diào)整，以便對(duì)不同方向、高度的香蕉進(jìn)行夾持位置的調(diào)整，具有四個(gè)自由度，可以模擬人工砍蕉、運(yùn)蕉時(shí)對(duì)香蕉串的定位動(dòng)作，其功能要求如下：

（1）位置覆蓋功能

能夠滿足不同高度、不同方位的蕉串的定位調(diào)整，柔性?shī)A持機(jī)構(gòu)安裝在調(diào)整裝置上，可以實(shí)現(xiàn)前后、左右、上下、回轉(zhuǎn)等四個(gè)自由度的位置調(diào)整。

（2）同步調(diào)整功能

四軸調(diào)整裝置應(yīng)當(dāng)滿足多軸聯(lián)動(dòng)如四軸聯(lián)動(dòng)的功能要求，滿足進(jìn)行果串夾持時(shí)對(duì)蕉串位置的快速準(zhǔn)確定位。

2 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 設(shè)計(jì)方案分析與傳動(dòng)方式選擇

（1）兩種設(shè)計(jì)方案的三維建模

根據(jù)柔性?shī)A持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和功能要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外夾持機(jī)械研究應(yīng)用中產(chǎn)生的實(shí)際問(wèn)題，分析適合用于香蕉柔性?shī)A持的結(jié)構(gòu)，因此分析設(shè)計(jì)了兩種夾持機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行可行性分析并取優(yōu)，夾持裝置主要有動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分和夾持部分，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別采用齒輪傳動(dòng)與齒條傳動(dòng)兩種，動(dòng)力部分則采用電動(dòng)機(jī)。夾持部分是整個(gè)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵，采用梳狀結(jié)構(gòu)與回轉(zhuǎn)型夾爪結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，使用SolidWorks 2018 建模軟件對(duì)柔性?shī)A持進(jìn)行三維建模，形成A、B 兩種三維模型，如圖1 與2所示。

（2）兩種設(shè)計(jì)方案的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方案A 的傳動(dòng)方式為齒輪傳動(dòng)，如圖3 所示，采用豎向安裝的方式，通過(guò)電機(jī)輸出扭矩，通過(guò)聯(lián)軸器與傳感器連接，傳感器獲取扭矩信息的同時(shí)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)主動(dòng)軸，主動(dòng)軸通過(guò)傳動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的嚙合，將動(dòng)力輸出到傳動(dòng)夾爪，傳動(dòng)夾爪帶動(dòng)夾持部件執(zhí)行夾持動(dòng)作。其中，電機(jī)與傳感器都有相應(yīng)的支架承重，該結(jié)構(gòu)有利于直接從傳感器輸出電機(jī)扭矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)扭矩的監(jiān)測(cè)與控制。

方案B 的傳動(dòng)方式為齒輪-齒條傳動(dòng)，如圖4 所示，采用橫向安裝的方式，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器連接的傳感器與齒輪，齒輪與齒條嚙合，通過(guò)滑輪與爪子連桿，帶動(dòng)爪子實(shí)現(xiàn)對(duì)中抱持動(dòng)作。其中，電機(jī)與傳感器通過(guò)支架安裝在底板上，降低了裝置重心，提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性與可靠性，有效的保持電機(jī)的扭矩輸出。

（3）兩種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析

圖1 方案A 的三維設(shè)計(jì)圖

圖2 方案B的三維設(shè)計(jì)圖

圖3 方案A 的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方案A 的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用豎向安裝，電機(jī)安裝在電機(jī)支架上，與扭矩傳感器等通過(guò)聯(lián)軸器緊密連接，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省了裝置占地空間。且考慮到了傳感器需要安裝固定，在傳感器支架上設(shè)計(jì)了專用固定螺孔，保證傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確與可靠。方案A 從夾爪機(jī)構(gòu)上可滿足直徑300-450mm、高度1000mm 以內(nèi)的物體的夾持，適合用于蕉串的夾持，同時(shí)，夾爪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝布置柔性材料，可以為后續(xù)的研究提供便利。其裝置缺點(diǎn)是整體加工成本高，沒有考慮加工的特殊要求從而進(jìn)行裝置耗材上的削減，整機(jī)笨重，容易導(dǎo)致裝置自身超負(fù)荷，應(yīng)當(dāng)改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化部分零件的設(shè)計(jì)，適當(dāng)減輕機(jī)體自重，以便更好的投入加工生產(chǎn)。方案B 的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用橫向安裝，勝在傳動(dòng)穩(wěn)定，齒輪齒條傳動(dòng)比之方案A 的優(yōu)勢(shì)在于不容易打滑，整個(gè)裝置容易加工，從成本上來(lái)說(shuō)比之方案A 較低，且夾持機(jī)構(gòu)采用對(duì)中夾持，可以滿足不規(guī)則物體的夾持。方案B的缺點(diǎn)是橫向安裝的傳動(dòng)方式占用太多空間，該種裝置用于田間香蕉柔性?shī)A持，應(yīng)當(dāng)極大程度上減少橫向空間的占用比例。

圖4 方案B的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)比兩種設(shè)計(jì)方案的三維模型，可以直觀的對(duì)比分析出兩個(gè)方案的優(yōu)劣之處，通過(guò)對(duì)比分析，方案A 比方案B 更具有可行性，其在空間與傳動(dòng)上都比方案B 更實(shí)際與實(shí)用。

方案A 采用回轉(zhuǎn)型夾爪結(jié)構(gòu)，主要針對(duì)當(dāng)下香蕉輔助采摘與運(yùn)輸?shù)娜嵝詩(shī)A持存在的問(wèn)題，對(duì)夾持結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，我們擬在方案A 的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展其優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，改掉或改善上述缺點(diǎn)與不足，以期實(shí)現(xiàn)香蕉輔助采摘運(yùn)輸?shù)娜嵝詩(shī)A持裝置的研發(fā)。

2.2 夾爪與夾持扭矩計(jì)算

方案A 的夾持結(jié)構(gòu)，對(duì)蕉串進(jìn)行夾持時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)需要關(guān)注：夾持扭矩、夾持半徑、夾持角度。夾持扭矩指的是夾爪的輸出扭矩，夾持半徑則為蕉串半徑，夾持角度為下圖中的∠BCD。由上文可知，一般香蕉果串長(zhǎng)度為800-1000mm，直徑300-450mm，單串香蕉的質(zhì)量可達(dá)到25-40kg。方案A 中的夾爪采用回轉(zhuǎn)型夾爪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以適應(yīng)不同直徑香蕉果串的夾持。但對(duì)于回轉(zhuǎn)型夾爪，在夾持蕉串時(shí)會(huì)出現(xiàn)定位誤差，夾持定位誤差分析如圖5 所示，當(dāng)二支點(diǎn)的距離a 較大時(shí)，偏轉(zhuǎn)角β的大小不易按定位誤差最小的條件來(lái)確定，因在抓取半徑較小的香蕉果串時(shí)，兩手指的BE 和B'E'邊平行而夾不住香蕉果串。

圖5 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾爪

為了避免上述情況出現(xiàn)，夾取蕉串的平均半徑，使夾持角度∠BCD=90°，來(lái)確定二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾爪的偏轉(zhuǎn)角β，即：

對(duì)于單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾爪，偏轉(zhuǎn)角β按最佳值選取，一般不會(huì)出現(xiàn)上述夾不住的情況，只有當(dāng)夾持物體半徑極為懸殊時(shí)，如Rmax＞5Rmin的情況下，才可能出現(xiàn)上述類似的情況。夾持轉(zhuǎn)位裝置，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾爪，與兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾爪相似，由于香蕉果串半徑為150-225mm，Rmax＜5Rmin，不會(huì)出現(xiàn)上述情況，能夠滿足夾持香蕉果串的夾持要求，如圖6 所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩為T，夾持力為F，μ為摩擦系數(shù)，W 為夾爪與蕉串重量。

圖6 電機(jī)輸出扭矩的分析

驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩：

所以：

已知香蕉串質(zhì)量為25-40kg 之間，夾爪材質(zhì)為304不銹鋼，力臂l=0.39m，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得鋼-鋼摩擦系數(shù)為μ=0.15，代入式（1）可得扭矩T 的范圍約為325-520N·m 之間，同時(shí)由香蕉受力特性試驗(yàn)結(jié)果可得三種香蕉表面受力對(duì)應(yīng)的極限扭矩分別如表2 所示，可以發(fā)現(xiàn)其所承受的極限扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計(jì)算所得扭矩，且計(jì)算所得扭矩明顯太大，因此考慮在香蕉夾持裝置底部加一個(gè)底托，托住蕉串，減少夾爪的夾持壓力，達(dá)到減輕裝置輸出扭矩的目的。

表2 不同品種香蕉的極限扭矩

2.3 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前文的設(shè)計(jì)方案的對(duì)比與分析，我們對(duì)方案A 進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在SolidWorks 三維建模軟件中將關(guān)鍵零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，如圖7 所示為優(yōu)化后的夾持結(jié)構(gòu)三維模型，為降低夾爪部件的工作負(fù)載，增加了香蕉底托，在底部增加了試驗(yàn)支撐架，可以將夾持機(jī)構(gòu)單獨(dú)作為一個(gè)研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，夾持機(jī)構(gòu)移除試驗(yàn)支撐架后可通過(guò)裝配連接板安裝在四軸調(diào)整機(jī)構(gòu)的滑臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)的空間位置調(diào)整，夾爪部件選用海綿作為柔性?shī)A持材料，降低夾爪對(duì)香蕉串表面的機(jī)械損傷，保證夾持效果。

圖7 夾持機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)模型

2.4 四軸調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

四軸調(diào)整機(jī)構(gòu)可以滿足夾持裝置在空間實(shí)現(xiàn)4 個(gè)自由度的位置變化，分別為前后（X 軸）、左右（Y 軸）、上下（Z 軸）、回轉(zhuǎn)盤四部分，由于香蕉串屬于高位大尺寸水果，調(diào)整機(jī)構(gòu)需要滿足一定的工作行程，根據(jù)香蕉種植行距1900mm，株距1600mm 等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，初步擬定工作行程為：上下700mm，左右400mm，前后600mm，回轉(zhuǎn)360°，其總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 調(diào)整機(jī)構(gòu)三維模型

3 柔性?shī)A持控制系統(tǒng)平臺(tái)

香蕉柔性?shī)A持自動(dòng)控制就是要快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地對(duì)香蕉串實(shí)現(xiàn)夾持，本系統(tǒng)使用扭矩傳感器監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)輸出扭矩，用三菱FX5U 系列PLC 作為香蕉柔性?shī)A持的控制器進(jìn)行自動(dòng)夾緊控制，用觸摸屏實(shí)現(xiàn)可視化操作。因此本控制系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制模塊、夾持模塊、調(diào)整模塊三部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。系統(tǒng)上電后，用戶可以通過(guò)觸摸屏選擇控制模式，自動(dòng)控制模式下輸入目標(biāo)位置參數(shù)，系統(tǒng)控制調(diào)整機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置，限位行程開關(guān)得電輸出信號(hào)，系統(tǒng)啟動(dòng)夾緊伺服電機(jī)開始夾持動(dòng)作，判斷扭矩到達(dá)指定值后電機(jī)停轉(zhuǎn)并鎖死，基本程序流程圖如圖10 所示。

圖9 柔性?shī)A持控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)語(yǔ)

為了解決香蕉采摘及運(yùn)輸過(guò)程中的輔助夾持問(wèn)題，本文在香蕉受力特性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與實(shí)際考察的香蕉種植參數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)香蕉柔性?shī)A持裝置與輔助調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)分析及設(shè)計(jì)，得出了兩種香蕉柔性?shī)A持方案（方案A 和B），并從傳動(dòng)方式等方面進(jìn)行方案優(yōu)缺點(diǎn)分析，篩選出用于實(shí)際加工的設(shè)計(jì)方案，選擇傳動(dòng)方式為齒輪-齒輪的方案A，經(jīng)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析后，發(fā)現(xiàn)該方案在電機(jī)扭矩負(fù)載輸出上更適合香蕉果串這類大尺寸的水果夾持；同時(shí)本論文還根據(jù)選擇出來(lái)的方案A 進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)分析，對(duì)夾爪扭矩進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)香蕉受力特性進(jìn)行驗(yàn)證比對(duì)，實(shí)驗(yàn)證明方案A的柔性?shī)A持裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加合理性，夾持與低損輸送效果更優(yōu)。

圖10 程序控制流程圖