菠蘿采摘機械手結構設計與試驗

馬興灶,連海山,弓滿鋒,陳昊龍,廖廣賢,鄧梓軒

嶺南師范學院機電工程學院,廣東 湛江 524048

菠蘿在我國主要集中種植在廣東雷州半島、海南島東部和西北部，其種植面積和產量是僅次于香蕉和芒果的第三大水果。然而菠蘿采摘高峰期僅有半個月左右，在農村勞動力日益減少、人工成本高、效率低的當下，果農對菠蘿采收機械化需求十分迫切。

迄今為止，國內外學者針對蘋果[1-4]、草莓[5-7]、葡萄[8,9]、柑橘[10-12]等水果采摘機械化已有大量的研究，特別是歐美、日本等發達國家，由于起步研究較早，其果園機械化水平較高，技術相對成熟。但在菠蘿采摘方面，國內外相關研究并不多，學者們從菠蘿采摘方案[13,14]、采摘機械結構設計[15,16]、田間運輸[17,18]和果實識別[19,20]等方面，對菠蘿機械化采摘進行了相關的研究。夏紅梅等[21]提出一種由1R2P 串聯機構和球面2 自由度冗余驅動并聯機構串聯組成的混聯構型菠蘿采摘方案，給出了這兩種機構的位置正反解，并應用ADMAS 軟件進行運動軌跡規劃和仿真分析，驗證了該方案設計的合理性。李斌等[19,20]基于單目視覺和雙目視覺，分別研究了菠蘿果實識別的方法，通過田間試驗驗證了該方法可有效識別菠蘿果實，研究結果為菠蘿采摘機器人視覺系統的開發提供參考依據。王海峰等[14]設計了一種菠蘿采摘機械手，確定抓取、旋轉掰斷菠蘿的方案，并開發了控制系統，試驗結果表明該機構和控制系統能夠實現對菠蘿的采摘，確定手部旋轉機構的旋轉角度為180°，抓取時間為21～24 s。張俊昌[22]完成了菠蘿自動采摘機械的結構設計，并對菠蘿采摘裝置的運動軌跡進行了優化分析，初步確定了采摘裝置的旋轉速度與拖拉機前行速度，通過對菠蘿自動采摘機進行了虛擬樣機仿真分析，確定出旋轉釆摘機構的轉速為100 r/min，前行速度范圍為1.25 m/s～1.75 m/s。然而，現有公開的菠蘿采摘裝備的機械結構主要存在：1）機械爪抓取菠蘿受力不均勻，2）剪切或切割定位不準，從而導致抓取不穩、損傷菠蘿果實等問題，限制了菠蘿采摘機械的應用推廣。

因此，本研究基于菠蘿的物性特征和生長特點，提出一種先抓取后掰斷菠蘿果柄的菠蘿采摘方案，進而對機械手關鍵部件展開結構設計和受力分析，并探討各結構設計的合理性，最后通過田間采摘試驗進行驗證，研究結果為全自動菠蘿采摘裝備關鍵結構和動力參數設計提供參考依據。

1 機械手工作原理

由于菠蘿植株連接菠蘿果實的果柄很脆，且采摘時需避免對生長在菠蘿果實下方的側芽（果苗）的傷害。為此，本研究效仿果農掰斷菠蘿果柄的采摘方式，確定了機械手抓取菠蘿和掰斷菠蘿果柄的采摘方案，并利用三維設計軟件UG 進行結構設計，如圖1 所示，整體結構主要包括：手柄部件、抓取部件、拉桿部件和推桿部件。

圖1 機械手整體結構Fig.1 Overall structure of manipulator

機械手可安裝于專用的田間采摘車或隨身裝備上，果農移動機械手到菠蘿附近，根據菠蘿生長高度，壓縮調整彈簧適應采摘高度，推動機械手并利用機械爪前端導向結構，把菠蘿導入機械爪中，然后用左手握緊左手柄，拉桿部件動作，L 型桿推動連桿沿導向滑塊向菠蘿中心平動，帶動兩側機械爪抓取菠蘿，從而保證菠蘿與機械爪接觸面受力均勻；接下來用右手握緊右手柄，驅動推桿部件推動菠蘿，使菠蘿發生翻轉，實現掰斷菠蘿果柄，克服了傳統剪切/切割方式定位不準，損傷菠蘿果實的問題；最后移動機械手至裝載筐，利用復位彈簧使拉桿部件和推桿部件復位，把采摘下來的菠蘿放置于裝載筐，完成菠蘿采摘作業，機械手工作流程如圖2 所示。

圖2 菠蘿采摘流程圖Fig.2 Flowchart of pineapple picking

2 機械手關鍵結構設計

菠蘿形狀呈橢圓柱狀，如圖3 所示，其物性參數參考文獻[22]，菠蘿的縱徑φ為：195 mm～251 mm，橫徑φ為：157 mm～228 mm，與果實連接處的果柄直徑d和連接力Fq分別為：30 mm～60 mm 和28.96 N～32.81 N，菠蘿質量m 為：1.15 kg～1.28 kg。

圖3 菠蘿果實Fig.3 Pineapple

2.1 機械手結構設計

圖4 機械爪結構Fig.4 Structure of mechanical claw

為克服定位不準，保證機械手準確抓取菠蘿，必須考慮采摘機械手的結構尺寸滿足以下兩個條件：1）機械爪開度L大于菠蘿橫徑φ；2）當抓取最小直徑菠蘿時，機械爪間不能出現干涉。機械爪的張角取θ=60°，開度為L由菠蘿最大橫徑φmax決定，由圖4 可知，機械爪結構存在如式（1）-式（3）的幾何關系，菠蘿半徑R=φ/2=loc。

當φmax=250 mm 時，機械爪單端設計長度lAB不小于lBCmax，約為72 mm，為保證抓緊可靠性，lAB取80 mm。而機械爪的運動行程可由計算機械手抓緊過程lBD之間的距離變化確定，初始狀態為lBD=2lBE+L；抓緊狀態為l′BD=2lOB=2R/sinθ。

取L≈φmax=250 mm，當菠蘿橫徑為φmax=250 mm 時，機械爪的最小行程為：Δlmin=lBD-l′BD=42 mm；當菠蘿橫徑為φmin=150 mm 時，機械爪的最大行程為：Δlmax=lBD-l′BD=157 mm，此時，菠蘿離頂點B的距離最小，即lBF=lOB-R≈12 mm。為設計成旋轉平臺，同時減少連桿運動行程，以B 點向內平移10 mm，由此確定了機械手連桿lJK（如圖6 所示）的設計長度不小于：lJKmin=Δlmax/2-10=68.5 mm，取整為70 mm。而機械爪其他尺寸長度為lAM≈60 mm，lMN≈35 mm。

2.2 機械手抓緊力估算

當機械手抓緊菠蘿時，機械爪上各受力點對菠蘿的作用力都為F，水平合力分別為F1，F2，取菠蘿重為G=mg，機械爪表面貼一層橡膠，菠蘿表面與橡膠之間的摩擦系數為μ，沿作用點垂直向上的摩擦力為f，菠蘿受力情況如圖5 所示。

圖5 抓取菠蘿受力分析Fig.5 Force analysis of grasping pineapple

由平衡關系可得：F1=F2=2Fsinθ，f=μF，為保證抓緊菠蘿，需滿足：4f≥G，則可得：

式中：F1，F2為機械爪水平合力，N；F為機械爪與菠蘿接觸點的作用力，N；μ為菠蘿表面與橡膠之間的摩擦系數；f為菠蘿接觸點表面與橡膠之間的摩檫力，N；G為菠蘿重力，N；m為菠蘿重量，kg。

當菠蘿的質量為m=2 kg 時，取摩擦系數μ=0.6，即可得F1≥14.4 N，為保證夾取菠蘿的可靠性，取安全系數τ=1.5，即將F1放大1.5 倍并取整為22 N。

2.3 拉桿拉力估算

考慮機械爪兩側L 型桿是對稱結構，本研究選其中一側進行受力分析，由圖6 所示L 型桿運動軌跡及受力情況可知，要使機械手可靠地抓取菠蘿，必須有足夠的拉力FT，由于L 型桿繞O 點旋轉，以O 點為中心，則須滿足式（5）：FT·lOI≥F1′·lOJ(5)

即：FT≥F1′·lOJ/lOI(6)

式中：FT為拉桿承受的拉力，N；F1′為機械爪對連桿的反作用力，N；lOI，lOJ分別為FT和F1′在L 型桿上的力臂，mm。

圖6 L型桿運動軌跡及受力分析Fig.6 Motion trajectory and force analysis of L type rod

F1、F1′與是作用力與反作用力的關系，大小相等，方向相反，本研究取拉桿行程（參考成人手掌握緊行程）lII′=50 mm，lOI長度等于連桿長度lJK、導向塊寬度W和機械爪最大展開距離lBD/2 之和約為240 mm，由于三角形ΔOII′和ΔOJJ′相似，由式（6）可以求得lOJ的長度約為346 mm。由此可得：FT≥31.7 N，約為3.2 kg，遠小于成人握力，滿足設計要求。而L 型桿兩個腰型槽的長度分別為：L1≥lI′I?=lOI′-lOI≈5.2 mm；L2≥lJ′J?=lOJ′-lOJ≈7 mm，都取為10 mm。

2.4 掰斷果柄推力估算

本研究效仿果農掰斷菠蘿果實與果柄連接的采摘方法，對菠蘿果實受力模型進行簡化分析，菠蘿果實與果柄相連，用m-m 截面截開，如圖7 所示，其內部受力如圖8 所示，菠蘿果實與果柄的連接力Fq可簡化了均布應力q的合力，即：Fq=q·S，S為果實與果柄連接端的面積，S=πd2/4，其中d為果柄直徑，mm。

圖7 菠蘿果柄受力截面Fig.7 Force cross section of pineapple handle

圖8 菠蘿果柄內部受力圖Fig.8 Internal force of pineapple handle

圖9 掰斷菠蘿果柄受力圖Fig.9 9Force diagram of breaking pineapple handle

由于掰斷菠蘿果柄時，機械爪可以繞連桿旋轉，在此假設機械爪抓緊菠蘿僅為保持其豎直，則掰斷時菠蘿受力如圖9 所示。當推桿推動菠蘿翻轉時，假定菠蘿樹干不動，則菠蘿將繞O′點翻轉，此時對O′點求矩，為保證菠蘿順利從樹干掰斷，則需滿足式（7）：

式中：Fp為推桿推動菠蘿的推力，N；h為推力作用點到菠蘿果柄的距離，mm；Fq為菠蘿果實與果柄的連接力，N。

取推桿作用于菠蘿的位置與果柄連接處的距離h=100 mm，根據菠蘿的物特性，取果柄直徑dmax=60 mm，連接力取Fqmax=32 N，菠蘿質量取m=2 kg，代入式（9），可得Fp≥15.6 N，為保證采摘可靠性，取安全系數τ=1.5，則推桿推力Fp的大小為23.4 N，約為2.4 kg，遠小于成人握力，滿足設計要求。

3 試驗結果與分析

為驗證菠蘿采摘機械手結構設計的合理性和工作的可靠性，在廣東省湛江市雷州縣進行田間菠蘿采摘試驗，如圖10 所示，試驗過程如下：將菠蘿采摘機械手移動到菠蘿樹附近，向前移動機械手，由導向結構把菠蘿導入機械爪中心，握緊左手柄，機械爪抓取菠蘿，握緊右手柄，推桿向前推動菠蘿，從而掰斷菠蘿果柄，完成菠蘿采摘作業。試驗總共進行了兩組，每組采摘10 次，試驗結果如表1 所示。

圖10 采摘現場Fig.10 Picking site

表1 菠蘿采摘試驗結果Table 1 Test results of pineapple picking

由表1 試驗結果可以看出，本機械手可以按設計要求完成采摘作業，抓取成功率為100%，采摘成功率在80%以上，平均采摘時間最短為13.5 s。同時，由于機械手前端做了導向弧形設計，保證了菠蘿采摘過程中不受機械手損傷。而造成采摘成功率未達到100%的原因，可能在于菠蘿樹并不是剛體且有一定的柔性，在掰斷果柄過程中，菠蘿果柄連接處并不像理論分析的理想狀態，連接處會出現位移和柔性變形，對于個體小的菠蘿來說，本研究設計的推桿行程就偏小了，從而導致不能完全掰斷菠蘿果柄，為保證菠蘿采摘成功率，需增加推桿行程，并適當降低推桿作用點高度。

3 討論

本研究僅完成了菠蘿采摘機械手設計，即執行機構，驗證了采摘方案可行性和機械結構設計的可靠性，然而田間采摘成功率仍不夠理想，造成采摘成功率未達到100%的原因在于菠蘿樹并不是剛體且有一定的柔性，在掰斷果柄過程中，菠蘿果柄連接處并不像理論分析的理想狀態，連接處會出現位移和柔性變形，對于個體小的菠蘿來說，本研究設計的推桿行程就偏小了，導致不能完全掰斷菠蘿果柄，后續將對推桿進行改進，并引入有限元分析方法，對機械手整體結構進行優化設計，提高機械手采摘適應范圍。同時，由于本機械手是純機械采摘作業，克服了田間供電難問題，可與休閑農業結合，將機械手直接安裝于專用的采摘車或隨身裝備上，增強采摘人員體驗感和采摘趣味性；而未來重點研究方向是結合工業控制方法、機器視覺和圖像處理技術，研究全自動菠蘿采摘機械裝備，具有一定的推廣應用前景。

4 結論

（1）效仿果農掰斷菠蘿的采摘方式和自行車剎車系統，提出先抓取后掰斷菠蘿果柄的采摘方案；

（2）完成了菠蘿采摘機械手總體結構設計，并對其關鍵零件進行結構設計和受力分析，實現了機械爪抓取菠蘿各接觸點受力均勻；同時，確定抓取菠蘿和掰斷菠蘿果柄的拉力和推力分別為31.7 N和23.4 N，遠小于成人手握力，滿足設計要求；

（3）菠蘿采摘試驗中，抓取成功率為100%，采摘成功率80%以上，平均采摘時間最短為13.5 s。