機械臂夾剪蘋果采摘機的仿真設計與制造

任曉智,李福敏,江 山,沙詩琴,韋 磊

( 廣西大學 機械工程學院,南寧 530004 )

0 引言

我國的蘋果產量居世界首位,在蘋果的種植及收獲作業中,采摘所耗費的時間、成本遠高于其他環節,增加了蘋果種植戶的成本。國內外學者針對果蔬采摘問題已經研究出一些果蔬采摘機器人,但還沒有達到實用化的水平。

市場上一些小型采摘器械采摘效率較為低下,不能夠連續性采摘,一部分則需要果農長時間保持舉桿動作,勞動強度較大。現有的一些大型蘋果收割機會對蘋果產生不同程度的損傷,且由于交通道路問題難以用于山地種植園。

為了解決在蘋果采摘過程中蘋果采摘效率低下且對蘋果有損傷的問題,提出了一種機械臂夾剪蘋果采摘機。在機械臂夾剪蘋果采摘機的設計過程中,進行了適應性設計及虛擬樣機的仿真分析,實現了蘋果采摘過程的夾持剪切和物流傳輸功能;同時,運用UG建立的三維模型,在Adams中進行仿真,以此來優化機械臂夾剪蘋果采摘機的結構和零部件尺寸,保證運動與傳輸運動的配合性,避免產生干涉等問題。最后,制作出機械臂夾剪蘋果采摘機的實物樣機并進行實地試驗,結果表明:機械臂夾剪蘋果采摘機在滿足農業收獲需求的前提下,能夠實現半自動化的夾持采摘及物流傳輸。

1 設計原理及機構

1.1 整體設計

機械臂夾剪蘋果采摘機設計的主要目的是完成夾持采摘蘋果與傳輸存儲蘋果兩個動作,實現對蘋果的采摘、傳輸、儲存功能,能夠減少果農的勞動強度,提高采摘效率。機械臂夾剪蘋果采摘機由夾持采摘機構、多自由度機械臂、絲桿升降機構、行走動力機構組成,如圖1所示。

1.2 行走動力機構設計

行走動力機構如圖2所示。針對山地種植園的交通問題,大型采摘機械難以進入,所以設計出行走動力機構。行走動力機構選用直流減速電動機作為行走動力,減速電動機功率500W,經過減速器將動力傳遞給皮帶輪軸,進而傳遞至前輪,實現移動功能。減速電動機的轉速為n=20r/s,減速機的減速比為1/40,前輪的輪胎半徑r=200mm,皮帶輪的傳動比為1,可以計算出減速電機在額定功率下的車輛行進速度為v=1.2m/s。此速度與人行走速度相似,保證使用者使用手扶推動機械裝置前進的可行性。

1. 長臂 2.鏈輪驅動電機 3.長臂支撐架 4.蝸輪 5.蝸桿 6.錐齒輪組 7.行走電機 8.前輪 9.蝸桿減速器 10.鏈條 11.軸承座 12.升降柱 13.絲桿螺母 14.絲桿 15.升降電機 16.手扶桿 17.車體圖2 機械臂夾剪蘋果采摘機部分機構視圖Fig.2 Part of mechanism view of Apple harvester with mechanical arm clipping。

1.3 絲桿升降機構的設計

絲桿升降機構的作用是為了更方便地采摘不同高度的蘋果,設計出絲桿升降機構,其通過電動機經減速機將動力傳遞給錐齒輪組,通過錐齒輪將動力傳遞給升降絲桿。絲桿采用的是梯形螺紋,螺距為p=6mm,絲桿的有效驅動長度為L=147.31mm。電動機為可調速電機,其經減速器減速后的最大轉速為n1=5.5r/s,最低轉速n2=1.5r/s。錐齒輪參數如表1所示。通過計算在極限位置升降所用時間,保證高度在粗調時的高效性與微調時的準確性。

表1 錐齒輪的主要參數Table 1 The main parameters of bevel gears。

式中t1—絲桿升降在上下極限位置的最短移動時間(s);

t2—絲桿升降在上下極限位置的最長移動時間(s)。

1.4 多自由度機械臂的設計

通過水平支撐軸承,實現機械臂在水平面內的轉動;通過蝸桿渦輪帶動機械臂在豎直平面內的俯仰運動,配合絲桿升降機構可以實現機械臂的多自由度運動,從而滿足不同位置不同工況的蘋果采摘。

采用自帶減速裝置的伺服電機作為動力,電機帶動機械臂下端的鏈輪,上下鏈輪安裝在機械臂的上下端實現鏈條的傳輸運動,且在下鏈輪一側通過滑槽和螺栓定位的方式設置有鏈條張緊裝置,傳輸斗通過其中的一節傳輸鏈安裝在鏈條上。鏈輪的齒數分別為:Z1=12,Z2=12;鏈輪的分度圓直徑為:d1=95.4mm,d2=95.4mm;傳動比i=z1/z2=1。選取08A鏈號,則其節距為p=12.7mm,單排鏈的質量q=0.60kg/m。

由于處于高度較低的蘋果由人工采摘會更加方便快捷,所以本機械臂夾剪蘋果采摘機主要針對的是蘋果位置較高、人工采摘不方便的蘋果。蘋果樹的高度一般在3～4m,本機械工作的高度范圍為1.85～4m,鏈條的中心距為2 109.6mm。

對整機進行抗傾覆性分析,即分析整機翻覆力矩最大的時刻,如圖3所示。當采摘規定高度的最低處的蘋果時,產生的翻覆力矩最大。最低位置時,即絲桿的驅動長度t=0mm時,設此時的機械臂與水平方向的夾角為θ,由下列公式可得θ=23.154°。

L1=2109.6mm,L2=239.7mm,L3=498.4mm,H1=403.4mm,t 升降絲桿上升高度,H1=515.4mm。圖3 抗傾覆危險位置狀態分析圖Fig.3 Analysis diagram of anti-overturning dangerous location state。

L1sinθ+(L3-L2)sinθ+H1+H2=1850mm

單排鏈的質量q1=0.6kg/m,鏈條的總質量為G1;機械支撐臂的質量為q2=2kg/m,其總質量為G2;抓取采摘機構和蘋果載運斗的總質量為G3=40N,機械臂支撐架的質量為G4=21N,下方的絲桿升降機構與行走動力機構的質量為G5=730N,重心位置約在距前輪著地點左側距離為X1=290mm左右的位置,車架,籃子最多能裝G6=250N的蘋果。籃子重心到前輪支撐處的距離為X2=110.60mm,左側車體配重塊的質量為mx,其抗傾覆力臂為X3=439.76mm。前后輪著地點的距離為X4=498mm,絲桿中心到前輪著地點的距離為X5=124.597mm。

式中Fn1—后輪所受支持力。

M1=(G1+G2)[(L1/2+L3-L2)cosθ-X5]

M2=G3[(L1+L3-L2)cosθ-X5]

解得:mX≥71.5kg。

經上述計算可知:后萬向輪受力Fn1=49.478N>0,可知整機不會傾覆。為了保證整機抗傾覆安全系數Kw>1.3,在車架后端設置配重塊,左側車體配重塊的質量為mx,其抗傾覆力臂為X3=439.76mm。

1.5 抓取采摘機構設計

抓取采摘機構實現對蘋果果實的抓取和采摘,電機驅動齒條推進,4個圓弧形手爪安裝在4個擺桿上,齒條前后滑動時通過連桿帶動擺桿擺動,實現手爪的張合;通過扭轉電機驅動扭轉軸帶動手爪扭轉通過扭轉運動摘取蘋果并放置于蘋果載運斗的上方,松開手爪即可將蘋果放入蘋果載運斗。抓取手指采用韌性較好的塑料材質,能夠有效避免對果實的損傷。抓取采摘機構如圖4所示。

1. 手爪 2.擺桿 3.支撐架 4.扭轉軸 5.扭轉電機支撐架 6.扭轉電機 7.手爪電機 8.齒條滑塊 9.連桿圖4 抓取采摘機構三維模型圖Fig.4 Three-dimensional model of grabbing mechanism。

2 整機機及其關鍵機構的仿真分析

2.1 夾持采摘機構的仿真分析

夾持采摘機構的目的是為了夾持采摘蘋果。在UG中建立三維模型后,對模型進行簡化,然后導入至Adams2015中,進行仿真驗證。通過分析生成的數據曲線(見圖5),可以證明夾持采摘機構可以夾持住蘋果,并通過折斷的方式摘取至蘋果載運斗中。

圖5 夾持采摘機構仿真約束圖Fig 5 Simulation constraint diagram of clamping and picking mechanism。

為了驗證連桿式機械抓手能夠抓取一般直徑的蘋果,并具有一定的適應性,在XZ平面內的兩個機械爪手的末端分別建立標記點Marker1和Marker2,通過觀察Marker1到Marker2之間距離隨時間變化曲線(見圖6)和伺服電機旋轉角度與齒條上升距離關系曲線(見圖7)可知:當伺服電機轉動角度為40°、齒條上升距離約為7.125mm時,機械爪手上端張開的最大距離Xmax=|Marker1-Marker2|=106.25mm,蘋果的一般直徑在50～80mm之間,Xmax>80mm,故機械抓手能夠實現抓取蘋果的功能。

圖6 Marker1到Maker2之間距離隨時間變化曲線圖Fig.6 Time-dependent curve of distance between Marker 1 and Maker 2。

圖7 伺服電機旋轉角度與齒條上升距離關系曲線Fig.7 Relation curve between rotating angle of servo motor and rising distance of rack。

為了驗證抓取采摘機構的可行性,運用Adams對整個抓取采摘運動進行仿真運動分析,通過觀察抓取采摘過程中Marker1在X軸投影坐標變化曲線(見圖8)可以驗證其可行性。圖8中,0～1s為伺服電機驅動機械手張開過程,1～2s為機械手定位蘋果時間;2～3.5s為機械手閉合實現抓取蘋果的功能;3.5～5.5s時扭轉伺服電機扭轉機械手;將蘋果模擬人手的方式摘取后,旋轉180°停下,此時機械手位置處于蘋果載運斗上方;第5.5～6.5 s為伺服電機驅動機械手張開的過程,蘋果被釋放進入載運斗。

圖8 抓取采摘過程中Marker1在X軸投影坐標變化曲線Fig.8 X-axis projection coordinate curve of Marker 1 during grabbing and picking。

2.2 機械臂夾剪蘋果采摘機采摘范圍的仿真分析

為了驗證機械臂夾剪蘋果采摘機工作的高度范圍與蘋果生長的高度范圍是否相適應,將在UG中建立的機械臂夾剪蘋果采摘機的三維模型進行適當的模型簡化后導入至Adams中,并對其進行仿真約束,如圖9所示。

圖9 針對采摘范圍的機械臂夾剪蘋果采摘機的仿真約束圖Fig.9 Simulation constraint diagram of apple picker with robot arm clipping for picking range。

在機械手的中心定義標記點Marker1,通過生成的Marker1的X坐標與Z坐標隨時間變化曲線圖(見圖10)可知:0～3s時,渦輪蝸桿驅動機械臂轉動至最低工位;3～9s時,絲桿升降機構由初始工位下降至最低位置后上升至最高位置;9～12s時,渦輪蝸桿驅動機械臂由最低工作角轉至最高工作角。通過生成的機械臂夾剪蘋果采摘機XZ平面采摘范圍曲線圖可知:在不使用行走動力機構移動采摘機的前提下,其在水平范圍的作業半徑為R=1.8m,作業高度范圍為1.85～3.43m。未矮化成熟蘋果樹的高度一般在3～4m左右,蘋果生長高度一般在2～3m左右,本采摘機從采摘范圍上可以滿足使用要求。

圖10 Marker1的X坐標與Z坐標隨時間變化曲線圖Fig.10 X-coordinate and Z-coordinate curves of Marker 1 with time。

圖11 機械臂夾剪蘋果采摘機XZ平面采摘范圍圖Fig.11 Plane picking range map of apple picker XZ with manipulator Clamping and Cutting。

2.3 多自由度性能仿真

在機械臂支撐座的下方安裝有水平的滾動軸承,其轉角范圍如圖12所示。由圖12看出,轉角范圍為-180°～+180°。因此,在XZ平面采摘范圍的仿真結果可適用于任何垂直于XY平面的平面,擴大了采摘范圍保證了實用性。通過機械臂與水平面夾角曲線(見圖13)可知:其與水平面的夾角的范圍為23°～74°,絲桿升降的高度范圍為0.145m,在保證抗傾覆性的前提下能夠給采摘機提供上升、旋轉、俯仰等自由度,提高了實用性和可行性。

圖12 水平轉動范圍與絲桿升降范圍變化曲線Fig.12 Variation curve of horizontal rotation range and lift range of screw rod。

圖13 機械臂與水平面角度變化范圍曲線圖Fig.13 Curve chart of angle change rrange between manipulator and horizontal plane。

3 樣機試制與試驗

經過對機械臂夾剪蘋果采摘機采摘及載運原理的研究,并運用虛擬樣機軟件Adams進行仿真分析,不斷優化整體機械結構和各部分零件尺寸,從而達到預期的工作效果和工作效率。同時,制作出實物樣機,并進行實物樣機的測試,如圖14所示。

圖14 機械臂夾剪蘋果采摘機樣機拍攝圖Fig.14 Photographs taken by the prototype of apple harvester with mechanical arm clipping。

實物樣機的工作效率為8～9顆/min,普通長桿式機械手的平均效率為3顆/min,且隨著采摘時間的延長,普通小型采摘裝置的使用者會因疲勞而使效率降低。本機械臂夾剪蘋果采摘機實現半自動化采摘,大大降低了使用者的勞動強度,能夠滿足一些果農對長時間采摘蘋果的需求。機械臂夾剪蘋果采摘機性能試驗指標如表2 所示。

表2 機械臂夾剪蘋果采摘機性能試驗結果Table 2 Performance test results of apple harvester with mechanical arm clipping。

4 結論

經過虛擬樣機仿真分析和樣機試驗可知:機械臂夾剪蘋果采摘機具有優良的工作性能,實現了半自動化采摘,極大地降低了蘋果采摘時的勞動強度。隨著采摘量和采摘時長的增加,其較人工和普通小型采摘機械的采摘效率有較大提升。本裝置設置了抓取采摘機構和機械臂傳輸機構,并通過仿真及實物驗證機構運行的可行性,提高了自動化程度,具有較高的實用性,一定程度上能夠滿足山地果農對蘋果采摘機械的需求。