獼猴桃采摘機器人自動裝箱裝置的設計與試驗

王周宇,徐 燦,李 凱,楊 晨,崔永杰,2

(1.西北農林科技大學 機械與電子工程學院,陜西 楊凌 712100;2.農業農村部農業物聯網重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

0 引言

獼猴桃因其營養豐富而被譽為“維C之王”,由于質地柔軟、口感酸甜,深受大眾喜愛[1]。獼猴桃柔軟易破損的特殊物理特性,致使對于采摘所獲獼猴桃果實的裝箱收集與儲存,具有較高要求和標準[2-4]。獼猴桃采摘機器人采摘后的裝箱過程中,易對獼猴桃果實形成堆壓碰傷、觸碰擦傷等損毀傷害,影響獼猴桃果實的品質與風味。

目前,已有關于果實收獲過程中的聯合作業機具,國內也有針對蘋果的果園采摘平臺的傳送裝箱系統研究[5]。美國的張昭等對進行了針對蘋果果實摘后的分級—裝箱一體化裝置系統的設計研究[6]。但是,國內外大部分的果實采摘機器人上,并沒有設置專門的果實摘后搬運裝箱裝置。例如,國外Hayashi S.等人設計的茄子采摘機器人[7]、Chiu等人設計的柑橘采摘機器人[8],國內的王曉楠等人設計的番茄采摘機器人[9]、楊麗等人設計的草莓采摘機器人[10]及獼猴桃采摘機器人[11]等。利用采摘末端執行器完成采摘及裝箱的工作,不但增加了采摘末端執行器的工作行程,影響采摘效率,同時由于沒有專門裝箱裝置,果實在箱內因為堆積、碰撞等問題的出現極易形成損傷。

針對上述不足及以往關于智能化農機裝備技術研究中所存在的問題,本文設計出一款獼猴桃采摘機器人自動裝箱裝置,對其中的旋轉分離機構關鍵部件進行了設計,并利用正交試驗探究緩沖軌道距箱底高度、旋轉圓筒轉速及傳送帶線速度對于裝箱后獼猴桃的損傷影響。設計的裝置可以提高獼猴桃采摘機器人的工作效率,同時可對獼猴桃進行均勻化裝箱,減少搬運裝箱過程中對獼猴桃造成的堆壓碰傷和觸碰擦傷等損毀傷害,為后續獼猴桃采摘收獲一體化裝備的設計與試制奠定基礎。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

獼猴桃采摘機器人自動裝箱裝置包括搬運傳送機構、機架、旋轉分離機構、果箱移動平臺機構和控制系統5部分,如圖1所示。

1.搬運傳送機構 2.機架 3.控制箱 4.果箱搬運機構 5.果箱 6.旋轉分離機構圖1 總體結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the machine。

1.2 工作原理

獼猴桃采摘機器人自動裝箱機工作原理:首先將果箱放置于果箱移動平臺中,接通電源后自動裝箱機自動復位;按下啟動開關后,搬運傳送裝置開始運動,將傳送皮帶上的獼猴桃運至帶上末端收集出口,果實落入旋轉導向筒內,旋轉導向筒由其底部電機帶動運轉,利用離心力將果實旋出;果實進入分離圓盤入口,經由緩沖軌道落入果箱中;當果實在果箱內部平鋪滿一層后,搬運傳送裝置和旋轉分離裝置停止運轉,此時果箱移動平臺裝置內的絲杠滑軌運轉,帶動果箱向下移動單層果實厚度;停止下降后,搬運傳送裝置和旋轉分離裝置繼續帶動果實分離,循環上一工作流程;當果箱完整填裝至最大限度時,換上新果箱。

2 關鍵部件設計與仿真試驗

關鍵部件旋轉分離機構的結構如圖2所示。旋轉分離機構由果實分離組件和緩沖軌道共同組成:果實分離組件以旋轉導向筒和分離圓盤作為執行元件,分離圓盤底部設有緩沖軌道。

1.旋轉導向筒 2.擋板 3.機架 4.緩沖軌道 5.分離圓盤圖2 關鍵部件結構示意圖Fig.2 Structure diagram of the key parts。

2.1 果實分離機構設計

果實分離機構主要由旋轉導向筒和分離圓盤組成,如圖3、圖4所示。旋轉導向筒安裝在分離圓盤內部,分離圓盤是固定不動的,旋轉導向桶的轉軸穿過分離圓盤中央圓孔與分離裝置步進電機相連,分離步進電機可以帶動旋轉導向筒旋轉。其中,旋轉導向筒筒內單次容納3～4個獼猴桃。為保證獼猴桃在旋轉過程中留在筒中,旋轉導向筒筒深超過單個獼猴桃長徑。筒體內徑為140mm,外徑為150mm, 筒深140mm;外伸導向板與導向筒等高,高為140mm,長為110mm;連接軸徑12mm,軸長80mm。分離圓盤上均勻劃分6個圓孔,每個孔的直徑均取100mm,大于獼猴桃果實一般長徑;圓盤直徑取480mm,厚20mm,凸臺高10mm,直徑150mm。其上有兩個沉頭螺紋孔,尺寸為Φ12×Φ7×30,用螺釘固定,使其與機架相連接。

圖3 旋轉導向筒具體結構Fig.3 Structure of rotating guide cylinder。

圖4 分離圓盤具體結構Fig.4 Structure of separating disc。

2.2 緩沖軌道設計及仿真試驗

2.2.1 獼猴桃幾何模型參數建立

獼猴桃一般由果蒂、果皮、外果肉及內果囊等部分構成,其縱切面如圖5所示。獼猴桃構成中,影響其壓縮力學特性的主要是外果肉及內果囊部分,則在建立獼猴桃果實幾何模型時,將獼猴桃果看作是由外果肉和內果囊兩部分組成,并將這兩部分簡化為線彈性材料。根據前期基礎試驗,由獼猴桃的幾何實際測量尺寸,測定獼猴桃整果長軸為66mm、短軸為55mm的橢球體。其中,內果囊近似簡化為長方體,長寬高分別為15、14、50mm。

圖5 獼猴桃果實縱剖面圖 圖6 獼猴桃仿真模型Fig.5 Longitudinal section of kiwifruits Fig.6 Simulation model of kiwifruits。

2.2.2 緩沖軌道設計及模型建立

緩沖機構可以將獼猴桃豎直方向的速度變為水平方向的速度,使豎直方向的速度為零。獼猴桃經過緩沖軌道從軌道出口出來時,豎直速度為零,相當于獼猴桃是從軌道出口開始跌落的,間接減少了獼猴桃的跌落高度;而水平方向的動量可以通過與果框碰撞抵消,即將獼猴桃直接跌落的豎直方向動量通過緩沖軌道轉化成水平方向的動量和豎直方向動量。如果忽略空氣阻力,根據能量守恒定律,能量轉化式為

(1)

式中Eg—重力勢能;

Ev—動能;

Ef—獼猴桃與軌道摩擦消耗的能量;

m—獼猴桃質量;

vx—軌道出口處獼猴桃質心的水平速度;

vy—軌道出口處獼猴桃質心的豎直速度;

h—獼猴桃的跌落高度。

獼猴桃與果框碰撞時動量守恒定律為

Fxt=mvx

(2)

式中Fx—獼猴桃與果框碰撞時抵消水平速度的力;

t—獼猴桃與果框碰撞過程中速度從vx變為零時的接觸時間。

根據能量守恒定律,忽略獼猴桃與軌道之間的摩擦,獼猴桃的重力勢能轉化成動能,對緩沖軌道的軌跡進行設計,如圖7所示。圓形軌道的A點的豎直速度為零,滿足低損要求,緩沖軌道高度應小于200mm,將緩沖軌道高度選取為180mm,即圓形軌道的半徑為180mm。根據果箱的長寬值,選擇軌道的寬度為120mm,經過圓心O繪制1條長度為120mm的水平直線OB,經過B點繪制1條直線與圓相交于C點。若此時軌道的軌跡為線B-C-A,那么獼猴桃在C點的加速度太大,會損傷獼猴桃;繪制直線BC與弧AC之間的圓角,圓角半徑為100mm,圓角與直線BC的交點為D,與弧AC的交點為E,線B-D-E-A即為軌道的軌跡線。

使用CATIA V5軟件的創成式外形設計模塊在yz平面繪制上述的軌跡線,然后插入一個圓。圓以圖上軌跡的B點為圓心,以xy平面為支撐面,以100mm為直徑;選擇掃描命令,以圓為輪廓,以軌跡線為引導曲線(見圖8),繪制出軌道模型;進入零件設計模塊,選擇封閉曲面命令,選擇掃描得到的模型為要封閉的對象,使軌道模型實體化;使用盒體命令,厚度選為1mm,要移除的面選擇為軌道的兩個端面,軌道模型建立完成,如圖9所示。為了后續仿真時的可視化,將軌道剖開,并將模型材料定義為塑料,隱藏軌跡線和圓,得到仿真所需的模型如圖。為使果實在裝箱過程中在果箱中均勻分布,所設6個軌道在圓盤底部均向分布,即相鄰軌道之間轉角為60°。

圖8 緩沖軌道輪廓與引導曲線Fig.8 The contour and guiding curve。

圖9 緩沖軌道模型Fig.9 Buffer track model。

2.2.3 緩沖軌道仿真分析

為驗證緩沖軌道的運動合理性,采用Adams 2016軟件中的Adams view進行單個軌道運動學仿真分析。

首先,通過CATIA建模,軌道及果實保存為.stp格式,導入Adams view中,分別定義果實以及軌道材料參數。其中,定義獼猴桃果實密度為1038.9kg/cm3,泊松比值0.33,彈性模量為0.53[12]。軌道參數取為塑料的材料特性,包含密度、彈性模量與泊松比等。獼猴桃與塑料之間的靜摩擦因數為0.39[13]。

獼猴桃和緩沖軌道主要物理參數如表1所示。

表1 獼猴桃和緩沖軌道主要物理參數Table 1 Main Physical Parameters of Kiwifruits and Buffer Track。

在建立運動副連接關系時,首先對軌道與地面進行固定連接。為了防止果實下落中保持在軌道內部運動,定義果實與緩沖軌道之間為接觸連接。在獼猴桃果實上取質心點為MARKER-9,作為速度與加速度的點分析,分別取終止時間為0.03、0.11、0.18、0.32s,截取運動過程圖像。果實在緩沖軌道內的運動過程仿真如圖10所示。

圖10 果實在緩沖軌道中運動過程仿真Fig.10 Simulation of the movement process of fruit in buffer track。

由圖10可知:從軌道入口進入后,果實運動速度及加速度起始點為A,此時果實以重力加速度g向下進行加速運動。在軌道折彎處發生第1次碰撞,此時速度發生驟減,由B點降至B’,加速度反向,由E點到E’點,經過折彎后,果實在軌道里發生滾動,最后由出口落出,可以觀察到此時點C的速度接近于0,說明此時果實豎直方向上速度為0,豎直方向加速度恢復,果實再以重力加速度進行平拋運動;當果實碰撞至箱壁時,水平速度的動能由于碰撞抵消。由此說明,果實在軌道內可以完成豎直方向上速度的減速,符合緩沖軌道的設計預期。

選取獼猴桃果實質心點速度與加速度豎直方向分量進行分析,得到豎直方向的速度與加速度隨時間變化,如圖11所示。

圖11 質心點豎直方向速度與加速度圖Fig.11 Vertical velocity and acceleration change of centroid with time。

2.3 控制系統設計

獼猴桃采摘機器人自動裝箱裝置的控制系統設計是保證實現獼猴桃果實自動化裝箱的重要組成部分,如圖12所示。單片機選用AT89C52單片機,傳送帶電機選用86HB159-401A旋轉分離電機選用57HB113-401A。根據總體設計方案與裝置的設計基礎,該控制系統主要包含以下組成部分:

圖12 控制系統結構示意圖Fig.12 Structure of control system。

1)果箱位置檢測機構。果箱檢測機構由兩個霍爾位置傳感器NJK-5002C構成,傳感器1 檢測果箱是否進入到起始位置,傳感器2檢測果箱是否下降至指定最低位置。

2)果實裝箱檢測機構。按下啟動按鈕,裝置的果實傳送皮帶開始傳送果實,同時旋轉分離裝置電機啟動工作,果實落入果箱;當箱內平鋪1層,位于果箱四角正上方的4個光電開關E18-D80NK均接收到位置信息后,絲杠滑軌開始下降指定距離,此時傳送帶電機和旋轉分離電機停轉,下降完成后,傳送帶電機和分離電機恢復工作,裝果直至完成裝箱。

3 自動裝箱裝置試制與裝箱試驗

3.1 裝箱樣機試制

根據前期總體搬運裝箱方案、關鍵部分與控制系統設計完成搬運裝箱裝置樣機的試制,如圖13所示。

1.旋轉分離機構 2.果箱移動平臺機構 3.控制系統 4.搬運傳送機構圖13 自動裝箱樣機Fig.13 Protype of automatic packing machine。

3.2 搬運裝箱試驗

通過試驗驗證所設計的獼猴桃采摘機器人上自動裝箱裝置的性能,比較自動裝箱裝置在裝置內部可調機構的參數取不同參數組合時,裝箱完成后的獼猴桃果實損傷率,確定裝置工作時的較優參數組合。試驗材料選用2018年10月26日在陜西省咸陽市眉縣西北農林科技大學獼猴桃試驗站品種為“海沃德”的獼猴桃。試驗前,確保獼猴桃果實表面光潔、無明顯缺陷。試驗采用正交試驗的方法,以傳送帶轉動速度、旋轉導向筒轉動速度及傳送效率為試驗因素,獼猴桃損傷率為指標進行裝箱試驗,每個因素分別取3個水平,如表2所示。各組試驗50顆獼猴桃,重復3次。

表2 正交試驗因素水平Table 2 Factors and Levels of orthogonal tests。

在正交試驗中選取果實損傷率為試驗指標,果實損傷率為

(3)

式中Np—果實表皮受損局部凹陷變軟個數(個);

N—試驗獼猴桃果實總數(個)。

試驗完成后,將各組試驗裝箱后的獼猴桃果實分組用標簽紙記錄,并置于冰箱中冷藏7天;冷藏結束后,取出各組果實,將果實出現明顯損傷凹陷部位且變軟的個數進行統計記錄。試驗結果及方差分析如表3、表4所示。

表3 試驗方案與結果Table 3 Test scheme and results。

續表3。

表4 正交試驗方差分析結果Table 4 Analysis of variance for orthogonal tests。

對影響獼猴桃采摘機器人上自動裝箱裝箱成功率的因素試驗數據進行極差分析,試驗因素A極差最大,對跌落損傷影響的試驗因素的顯著性為A、C、B,即緩沖軌道距箱底高度最大;其次是旋轉導向筒轉速及傳送帶線速度,最優組合為A1C1B1,也就是緩沖軌道距箱底高度為200mm, 旋轉導向筒轉速為0.2rad/s,傳送帶線速度為0.1m/s。

4 結論

設計了獼猴桃采摘機器人自動裝箱機并試制了樣機,可實現獼猴桃的搬運裝箱。給定條件下,對裝箱后果實的損傷率進行評價,結果表明:當緩沖軌道距箱底高度200mm、旋轉導向筒轉速為0.2rad/s、傳送帶線速度為0.1m/s時,獼猴桃的碰撞損傷率為1.75%、可以高效完成獼猴桃的搬運裝箱工作,獼猴桃果實的且損傷率滿足設計要求。