一種新型草莓采摘機(jī)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

溫博閣

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116028)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異，草莓因其特有的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值而備受人們喜愛(ài)，但是很少有人關(guān)注草莓是如何采摘而流向市場(chǎng)的。因草莓獨(dú)特的生長(zhǎng)特性造成果實(shí)的不定期成熟，需要人工不定時(shí)地判斷和收獲，在草莓收獲期，每天至少收獲兩次，并且人工每采摘一處草莓，需要彎腰一次，勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)量都非常大。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力向第二、三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,以及農(nóng)村勞動(dòng)力的婦女化和老齡化，用于收獲草莓的勞動(dòng)力日益緊張，急需大量普及農(nóng)機(jī)設(shè)備，減少人工采摘，為提高生產(chǎn)效率，解決費(fèi)時(shí)費(fèi)力難題，設(shè)計(jì)一種能夠輔助人工作業(yè)的草莓采摘機(jī)器勢(shì)在必行。

草莓采摘設(shè)備國(guó)外種類(lèi)比較齊全，國(guó)內(nèi)近五年也開(kāi)始重視這方面研究和投入。范暉等[1]研制出手持式草莓采摘收集一體化裝置，該設(shè)備僅限于手持式，雖然小巧靈活，但末端執(zhí)行器的收集機(jī)構(gòu)一次收集數(shù)量很少。

文中以草莓為采摘對(duì)象，針對(duì)草莓視覺(jué)識(shí)別過(guò)程復(fù)雜、定位精度不高等問(wèn)題，提出了基于收集機(jī)構(gòu)配合機(jī)器視覺(jué)、應(yīng)用末端執(zhí)行器同時(shí)工作的草莓自動(dòng)采摘機(jī)，解決了原有采摘機(jī)器采摘效率低、損傷率較高的問(wèn)題，降低了人工重復(fù)購(gòu)買(mǎi)機(jī)具的成本。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該草莓采摘小車(chē)主要由橡膠輪、收集機(jī)構(gòu)、采摘機(jī)械手臂和車(chē)體構(gòu)成。本產(chǎn)品采用人力推動(dòng)便攜式草莓采摘小車(chē)，小車(chē)上帶有低成本的雙目視覺(jué)攝像頭，能夠快速識(shí)別并定位草莓梗，控制機(jī)械手采摘草莓。采摘機(jī)構(gòu)共有五個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)采摘所需要的位置和姿態(tài)[2]。該草莓采摘小車(chē)前兩個(gè)自由度由剪式機(jī)構(gòu)構(gòu)成，能提供水平面內(nèi)的二維運(yùn)動(dòng)，保證其在平面內(nèi)做高精度運(yùn)動(dòng)，第三個(gè)自由度由垂直于平面的絲杠導(dǎo)軌組成，并且與之配合構(gòu)成三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。具有體積小，便于在草莓壟之間移動(dòng)，采用便攜式人力推行，方便用戶(hù)更換采摘工作地點(diǎn)等。針對(duì)本產(chǎn)品做如下設(shè)計(jì)，技術(shù)指標(biāo)外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高分別為900 mm×320 mm×700 mm；單次停留采摘空間：長(zhǎng)×寬×高分別為600 mm×400 mm×250 mm,裝置整體機(jī)構(gòu)如圖1所示[3]。

1.2 滾珠絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

選取時(shí)代超群線性滾珠導(dǎo)軌滑臺(tái)，滑臺(tái)的導(dǎo)程是5 mm,有效行程400 mm，采用42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，節(jié)省能耗。在空間Z軸方向上位置坐標(biāo)確定，文中采用絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，使用42/57線性滾珠導(dǎo)軌滑臺(tái),如圖2所示。

1.橡膠輪; 2.收集盒; 3.可調(diào)長(zhǎng)度的收集板;

(a) 滾珠絲杠工作臺(tái)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳送帶設(shè)計(jì)

由于草莓運(yùn)輸需要保證草莓不被損壞，并能夠有效循環(huán)地進(jìn)行收集，筆者采用減速電機(jī)帶動(dòng)同步輪，驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)，在草莓不被損壞的情況下運(yùn)輸草莓[4]。采用GM37-520微型直流減速電機(jī)，電壓DC12 V，減速比1∶50；同步輪大齒32，小齒20，構(gòu)成傳動(dòng)比8∶5，材料為鋁合金；傳動(dòng)主動(dòng)軸、從動(dòng)軸距離為0.5 m，材料為鋁合金，主動(dòng)軸直徑5 cm。傳送帶機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳送帶機(jī)構(gòu)

設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)速100 r/min，傳送帶外側(cè)線速度為

(1)

2.2 末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩個(gè)同步帶緊密貼合，在同步輪帶動(dòng)下相向運(yùn)動(dòng)夾緊草莓莖端，過(guò)程中借助前端刀片將草莓莖部切斷，隨后草莓繼續(xù)在同步帶的帶動(dòng)下向后運(yùn)動(dòng)，最后掉落在沖擊力小的棉布上，而后沿傳送帶進(jìn)入一端開(kāi)口的無(wú)蓋長(zhǎng)方體收集盒內(nèi)，收集盒由導(dǎo)軌連接，當(dāng)一個(gè)盒子收集滿(mǎn)后，進(jìn)入下一盒的收集，收集滿(mǎn)5個(gè)盒子后人工取下，便于收集的循環(huán)進(jìn)行[5]。在確定空間三維坐標(biāo)前提下，還需確定另外兩個(gè)自由度才能摘取草莓，于是，設(shè)計(jì)了末端草莓執(zhí)行器完成采摘草莓過(guò)程，采摘草莓機(jī)械手有2個(gè)自由度，通過(guò)兩個(gè)舵機(jī)以及舵機(jī)支撐架控制俯仰角和橫滾角，俯仰角由使用者根據(jù)不同的草莓壟坡度來(lái)確定，橫滾角來(lái)自攝像頭視覺(jué)定位識(shí)別的數(shù)據(jù)；通過(guò)末端執(zhí)行器完成切斷草莓莖、回收草莓、收集被采摘的草莓3個(gè)動(dòng)作，如圖4所示。

由圖4(b)可知，N20馬達(dá)帶動(dòng)兩個(gè)齒輪，齒輪和同步輪同步帶聯(lián)動(dòng)，草莓梗被旋轉(zhuǎn)的同步帶卷入后，2個(gè)6 mm寬的同步帶緊密貼合，在同步輪帶動(dòng)下反向運(yùn)動(dòng)夾緊草莓莖端，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中借助前端刀片將草莓莖部切斷，隨后草莓繼續(xù)在同步帶的帶動(dòng)下向后運(yùn)動(dòng)。草莓采摘與運(yùn)送是連續(xù)的，大大提高了采摘效率。

(a) 三維設(shè)計(jì)圖

2.3 末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析

作為采摘機(jī)械手最重要的一部分，末端執(zhí)行器必須保證在長(zhǎng)久有效采摘的基礎(chǔ)之上，保證各個(gè)部分彎曲變形十分微小[6]，為此，對(duì)設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器做應(yīng)力分析。將末端執(zhí)行器與舵機(jī)扭轉(zhuǎn)支架固定，綠色受力面為固定面，通過(guò)螺栓連接，給前端添加一個(gè)非均勻外部載荷，以上頂面為XOY面，以草莓運(yùn)動(dòng)方向以及工件的中軸為X軸正方向，建立笛卡爾坐標(biāo)系。

末端執(zhí)行器非均勻分布載荷應(yīng)力與形變圖如圖5所示。

(a) 施加載荷應(yīng)變圖

2.4 收集傳送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

草莓被運(yùn)送到同步帶末端后，將會(huì)掉落到柔性收集斜面上，收集斜面由光滑的布料支撐而成，支撐桿在斜面兩邊起支撐作用，如圖6所示。

(a) 收集斜面裝置

深色部分為傳送帶，其動(dòng)力來(lái)自減速組電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)同步輪將動(dòng)力傳給傳送帶，草莓從光滑的布上滑落到傳送帶上，被運(yùn)送到小車(chē)后面的收集盒中[7]。

2.5 收集盒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

大盒子中共含有6個(gè)一端開(kāi)口的無(wú)蓋長(zhǎng)方體小收集盒，從最下端的收集盒起，集滿(mǎn)一盒后人工取下放置在最頂端，隨之下面的盒子滑下繼續(xù)進(jìn)行收集工作，當(dāng)6盒全部集滿(mǎn)后將裝置從固定框上抽出[8]。收集機(jī)構(gòu)如圖7所示。

(a) 第一收集盒

當(dāng)最底層的小盒子被裝滿(mǎn)后，需要人工把小盒子從后面抽出來(lái)，放在整個(gè)草莓收集箱的上層，其余的小盒子會(huì)滑落到收集箱的底層繼續(xù)收集，循環(huán)往復(fù)，直到所有的小盒子都被集滿(mǎn)后，人工把整個(gè)收集箱提走，完成采摘工作。

3 樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)

最后，根據(jù)三維圖紙加工出實(shí)物，如圖8所示。

圖8 實(shí)物樣機(jī)

選取大棚種植壟地草莓環(huán)境為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了草莓采摘試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)量草莓果實(shí)大小見(jiàn)表1。

表1 草莓大小參數(shù)

測(cè)量草莓大小是評(píng)估采摘重要參數(shù)之一，通過(guò)表1可知,草莓平均重量在16 g左右，大小適中，結(jié)果用于后面草莓采摘工作效率實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表2。

表2 草莓采摘實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，按照草莓平均重量16 g估算，設(shè)置了五組采摘試驗(yàn)，結(jié)果表明，該設(shè)備采摘工作速度為368.6顆/h，采摘成功率為87.8%，可有效解決人工采摘費(fèi)時(shí)費(fèi)力的難題，大大提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

主要研究草莓自動(dòng)采摘機(jī)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)對(duì)草莓采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并利用三維軟件進(jìn)行力學(xué)受力分析，滿(mǎn)足強(qiáng)度校核，并且在此基礎(chǔ)上對(duì)收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后做出了實(shí)物樣機(jī)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該草莓采摘小車(chē)可以提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)力，具有一定市場(chǎng)推廣價(jià)值。