多功能蘋果采摘包裝機的設計與仿真

左 斌， 張永康， 郭南初

（蘇州市職業大學機電工程學院，江蘇蘇州215104）

0 引 言

中國是世界上蘋果產量第一大國，其產量占世界蘋果總產量的60%，也是世界蘋果消費大國，每年蘋果需求量達到了世界總量的50%［1-5］。農業農村部數據顯示，最近10 年來蘋果的種植產量和種植面積每年都在穩步增長，截止到2018 年年底，共有3 923 萬t的蘋果產量，隨著蘋果產量的增加卻給采摘帶來了一系列的問題［6-8］。

目前，國內蘋果的采摘多采用人工進行，在采摘過程中存在勞動量大、人力成本高、耗時長，采摘效率低等問題［9-11］。國外早已從手工方式轉變為機械化、智能化的機器人采摘。Brown 等［12］初次提出了以機器人技術為主的半自動化果蔬采摘技術，Kondo［13］等開發了番茄采摘機器手，Muscato 等［14］成功研發了柑橘采摘機器人。本文設計了一種新型的力度可控的多功能蘋果采摘包裝機，可實現不同大小的蘋果采摘并實現自動包裝，大大降低采摘成本、人工勞動強度，節約了采摘時間。

1 蘋果采摘包裝機整體設計結構與原理

蘋果采摘器主要由機械采摘頭、手持伸縮桿、控制系統、包裝裝置和行走小車組成，整體結構如圖1所示。

圖1 蘋果采摘包裝機整體結構

蘋果采摘器的功能如下：采摘時，行走小車在控制系統作用下開至果園處，手持式伸縮桿將機械采摘頭送至蘋果附近，按下控制系統面板上的采摘鍵，機械采摘頭抓取蘋果；通過采摘頭上的壓力傳感器控制抓取力大小，當抓取力達到設定值時，采摘頭中的電動機會按照設定參數進行旋轉擰斷蘋果根蒂；隨后采摘頭會自動松開采摘的蘋果，掉落的蘋果通過輸送軟管緩慢進入包裝裝置；包裝裝置在控制系統的作用下對蘋果進行封裝，最終完成從蘋果采摘到包裝的一體化采摘作業。該裝置能滿足不同高度的果樹及不同大小的蘋果采摘作業。

1.1 機械采摘頭

目前國內現有的采摘頭大多只能實現簡易的拉拽或旋轉功能，而水果采摘的力度和時間均需通過人力控制，效率較低［15］。本文中所提供的是一種自動化程度較高的機械采摘頭，可以提高采摘效率，結構如圖2所示，由三爪、壓力傳感器、連桿、抓取電動機和旋轉電動機等部分組成。三爪外端裝有橡膠套防止蘋果損傷，三爪通過連桿連接在采摘頭上，實現張開與閉合動作。抓取電動機則通過驅動滑塊上下移動來控制三爪的抓取動作，旋轉電動機固聯在支撐桿上起到擰斷蘋果根蒂的作用。三爪上配有壓力傳感器，利用傳感器特性控制抓取電動機在采摘水果時力的大小。以上結構中的壓力傳感器的型號為HX711，量程為0.5 ～5 kg，兩種小型的電動機均為直流電動機，型號為25GA370，空載最高轉速為2 000 r／min，電壓為12 V，空載電流為100 mA。

圖2 采摘機械手結構

1.2 自動包裝裝置

自動包裝裝置主要由自動包裝機、自動碼箱機構和行走小車組成，如圖3 所示。

圖3 自動包裝裝置結構

包裝機用來包裝水果，它是自動包裝裝置的核心機構；碼箱機構是對水果進行自動裝箱處理；小車是在包裝裝置的最下端，用來運送包裝裝置。

488 Effects of stromal cell-derived factor 1 of spinal dorsal horn on central sensitivity and allodynia in rats with persistent pain evoked by skin/muscle incision and retraction

自動包裝機結構如圖4 所示，由導向輪、合攏密封器、驅動輪和切斷密封器組成。

圖4 包裝機結構

導向輪固定在包裝裝置的上部，包裝時兩個導向輪以相反方向轉動，引導包裝膜向前運動；合攏密封器分別固定在包裝機正面的左右兩側，通過直流電動機帶動兩個合攏密封器實現相向運動完成包裝膜的密封；驅動輪安裝在合攏密封器的下部，密封的包裝膜在驅動輪的牽引下繼續向下運動一個水果的包裝長度；切斷密封器上配有電加熱絲，通過電動機轉動使得兩個密封器相向運動完成包裝膜的切斷。

自動碼箱機構如圖5 所示，由水果箱、絲母座、絲桿、軸承座、固定架等組成。

圖5 碼箱機構

水果箱設計成與水平面傾斜20°，由此可利用引力使蘋果始終處于最低處。蘋果包裝完成后自動落入最低處，當箱子最底部排滿蘋果后，絲杠會驅動絲母座帶動水果箱移動大于一個蘋果的直徑距離，進行第2排的水果裝箱，依此反復直至整個水果箱碼箱完成，按下出箱鍵，碼好的整箱水果從包裝機內推出，完成操作。

行走小車如圖6 所示，由底盤、動力輪、履帶輪和履帶組成，底盤是由多根型材組合而成，動力輪分別通過推力軸承連接在左右兩側的型材上，履帶式運載底座確保在較為惡劣的環境下也能順利作業，小車可以實現原地旋轉、前后移動等動作。

圖6 行走小車

1.3 控制系統

采摘器的控制系統由機械采摘手張、合和自動包裝控制組成。以壓力傳感器為信號，通過單片機STC89C52RC-40I控制直流電動機來驅動機械手張、合動作。自動包裝裝置入口設有紅外探測儀，當水果落下，探測儀感知后，輸出信號，包裝機開始運作，控制系統流程如圖7 所示，通過伸縮桿將機械手送到水果附近，機械手自動抓取水果，當抓取力達到預設值抓取動作完成，機械手開始旋轉擰下水果，隨后機械手自動張開，水果落入輸送管道進入包裝系統，包裝后水果落入自動碼箱機構，進行自動碼箱。控制電路實物如圖8所示，包括電源、運行電動機、通信輸出線、壓力傳感器開關和顯示屏控制等組成。

2 采摘機械手相關計算

2.1 運動學分析

采摘機械手是蘋果采摘器最為核心的部件，其結構設計不僅影響采摘的動作，而且影響采摘的效率，有必要對其進行運動學分析，以驗證其動作的可靠性以及運行的靈活性。

圖7 控制系統流程圖

圖8 操作控制面板

采摘機械手的抓取動力源是由抓取電動機驅動滑塊實現機械爪頭的張開和閉合，其機構簡圖如圖9所示。

圖9 采摘機械手機構簡圖

根據下式

可以計算出采摘機械手的機構自由度為1，而該抓取動作是由一個電動機作為原動件的，該采摘機械手的運動是確定的，符合運動學原理。式中：F為機構的自由度；n為活動構件的數目；Pl為低副的數目；Ph為高副的數目。

根據機構簡圖繪制出采摘機械手的封閉矢量圖，如圖10 所示。該機構的矢量方程為：

式中：l1、l2分別為采摘頭旋轉點到固定鉸鏈、滑塊的長度；h為固定鉸鏈到滑塊的偏心距；S 為滑塊移動的距離。

圖10 采摘機械手矢量圖

矢量方程在x、y上投影關系如下：

式中：θ1、θ2分別為l1、l2與水平面的夾角；ω1、ω2分別為l1、l2對應的角速度；a1、a2分別為l1、l2對應的角加速度。

2.2 受力分析

機械采摘頭共有3 個均勻對稱分布的爪片，采摘蘋果時，機械采摘頭的多個爪片共同配合夾持水果，爪片在夾持和松開水果時相互間均保持120°的幾何對稱關系且動作一致。因此不考慮微觀上的影響，3 個爪片受力相同。如圖11 所示，以1 個爪片夾持蘋果時的情形作為研究對象進行分析。F1為第一個爪片作

圖11 蘋果受力分析圖

用于蘋果的夾持力，F1f為第一個爪片作用于蘋果的摩擦力，θ為夾持爪片與蘋果中心的夾角，將F1和F1f分解成水平和豎直方向上的分力如下：

同理，由式（8）可得F2、F2f、F3和F3f在水平和豎直方向上的分力，因此可以列出蘋果在夾持時的平衡方程：

考慮到3 個爪片對蘋果的夾持力相等，式（9）可以簡化為：

如果取摩擦系數μ為已知值，可以由式（10）進一步求解，得：

由（11）可知，夾持力F1的大小取決于水果的重量、爪片的材質和水果的大小，水果越重，所需的夾持力就越大；爪片材質越粗糙，所需的夾持力就越小。

3 采摘機械手仿真分析

3.1 運動學仿真

為了驗證采摘機械手的運動特性，對其進行運動學仿真。利用Solidworks［16］建立采摘機械手的三維模型，并在其motion環境下設置運動副的類型和加載電動機驅動進行運動學仿真。

圖12 所示為采摘機械爪片的角速度曲線圖，在整個抓取過程中，角速度每秒變化只有±0.4°，運動平穩性好，可以完成相應動作。隨著爪片的閉合，角速度的變化逐步變小。

圖12 采摘機械爪片的角速度

圖13 所示為采摘機械爪片的角加速度曲線圖，在整個抓取過程中，角加速度的變化為0.34°／s，故在采摘過程中無劇烈振動。

圖13 采摘機械爪片的角加速度

3.2 力學分析

由前面分析可知，該采摘頭的3 個爪片之間的受力基本一致，故只對其中一個爪片進行ANSYS有限元仿真分析。采摘過程不允許采摘頭出現塑性變形，必須保證受力過程中處于它的彈性范圍內。采摘頭的材料選擇PE，其密度為950 kg／m3，彈性模量為0.8 GPa，抗拉強度為30 MPa，抗壓強度為20 MPa，網格劃分單元采用6 面體Hex Dominant，如圖14 所示。

圖14 采摘機械爪片網格劃分

在網格劃分完成后，添加左側和底部兩個圓柱孔為固定約束，加載抓取水果時傳感器設定的最大壓力為60 N［17］，通過有限元計算出采摘頭的應變分布如圖15 所示，最大的變形出現在爪片的頭部上，變形量為0.194 mm，滿足結構的基本要求。

圖15 采摘機械爪片應變分布圖

采摘機械爪片的應力分布圖如圖16 所示，最大應力出現在底部凸耳與主體連接處，其值為3.25 MPa，低于其抗拉和抗壓強度值，故該采摘機械爪片的設計符合強度要求。

圖16 采摘機械爪片應力分布圖

4 實 驗

根據蘋果采摘包裝機的結構設計和運動分析，制作的蘋果采摘器實物樣機如圖17 所示，實驗在室外進行，經過多次不同高度的采摘試驗，均能完成水果采摘和包裝。該裝置采用單片機控制機械手抓取水果，掉落的水果經管道到達包裝機處，包裝機在傳感器的控制下完成水果的包裝，整個過程自動化程度高，采摘效率高，3 s左右即可完成水果的自動采摘和包裝，且適用于多種采摘場地。

圖17 蘋果采摘器實物圖

5 結 語

本文提供了一種集采摘和包裝于一體的多功能采摘器，可應用于多種水果的采摘。通過分析，該采摘器的結構合理，強度滿足要求，經試驗采摘效率也明顯高于人工采摘。其設計特點主要有：自適應機械手，可以自動抓取且力度可控；自動化包裝機及碼箱于一體，實現了從采摘到包裝的自動化過程；模塊化的設計結構巧妙、簡易，裝拆便捷，可配置不同類型的采摘頭，適用于不同種類水果的采摘。該裝置具有良好的應用前景和推廣價值，目前該項項裝置已經申請國家發明專利（ZL201820866606.7、ZL201820816431.9）。