基于CATIA的水果采摘器運動模型參數化建模方法研究

木海達　趙錫鋒　陳哲權

摘? 要：采用CATIA設計并制作一種角度自調式水果采摘器。利用CAITA DMU模塊，完成內剪式剪刀機構主運動剪刀的運動仿真，輸出內剪式剪刀機構相互運動結合點的曲線;利用CATIA二次曲線開發功能，完成從動剪刀片的運動結合處滑動槽設計，將虛擬仿真技術與機構運動分析有效結合。通過實物驗證了該采摘器機構運行平穩，為廣大果農采摘樹上水果提供了一種有效采摘輔助工具，具有一定推廣價值。

關鍵詞：CATIA;水果采摘器;DMU;剪刀機構;運動仿真

中圖分類號：TP391.9;TH132.44? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-0105（2022）01-0069-03

The Parametric Modeling Method Study of Fruit Picking Motion Model Based on CATIA

MU Haida ZHAO Xifeng CHEN Zhequan

Abstract：? A fruit picking device which could adjust certain angle are designed and producted with CAITA software. Based on CAITA DMU module， the motion simulation of main movement scissors which are included in the shear mechanism with inside shearing style was finished. The mutual movement curve of combining point of shear mechanism was also exported. Using the secondary curve development function of CATIA， the sliding groove design of moving junction of driven? shearing blades was finished， which combined the virtual simulation technology with effective mechanism motion analysis. Through the physical verification， the picking device works steadily， which provides an effective auxiliary picking tool for orchardman when picking fruits in the tree. The fruit picking device has had a certain application value.

Key Words：? CATIA; fruit picking device; DMU; scissors mechanism; motion simulation

引言

采摘機器人是未來智能農業機械化的發展方向之一，具有廣闊的應用前景[1]，從20世紀40年代初開始，美國、英國、法國等西方國家就已經開始研究水果采摘機械，特別是在大型農用采摘機械方面，自動化和智能化程度日益提升[2]，已經在實踐應用中獲得了高度認可和肯定，如德國、日本、法國和荷蘭等國家相繼立項研究了采摘蘋果、柑橘、番茄、西瓜和葡萄等智能機器人[3]，但這些高端采摘機械裝備造價十分昂貴，普通農戶可望不可及[4]。

國內水果種植多分布于山區、丘陵地帶，且種植相對零散，不利于機械化集中采摘，除了少數果園配備半機械化輔助裝置，基本上停留在傳統采摘方式上[5]。對于市場出現的輔助水果采摘器械，普遍存在缺點分析：（1）采摘效率不高;（2）水果直接從樹上被硬拉下來，水果蒂部會被拉傷，原樣的保證率不高;（3）采摘角度不可調節，無法適應水果采摘角度變換需求。

1? 水果采摘器整體結構設計

針對果農使用需求，所要解決的技術關鍵點：（1）提供一種可修剪水果蒂的水果采摘裝置;（2）可自動調節采摘角度;（3）能夠采摘樹枝高處水果;（4）實現水果摘下后快速存儲。為此設計并制作出了一款角度自調式水果采摘器，輔助果農采摘水果，其主要結構如圖1所示。

1.1 內剪式剪刀機構設計

鋼絲繩牽引拉動的內剪式剪刀機構如圖2所示，設計步驟：（1）設計網兜框和主運動剪刀;（2）運用CATIA軟件DMU生成鉚接點軌跡線，如圖2局部放大圖所示;（3）利用CATIA二次曲線開發功能[6]，將鉚接點軌跡線提取并復制到左側剪刀滑動槽二維圖上，完成從動剪刀片運動結合處滑動槽的設計，如圖3所示;（4）DMU仿真運行剪刀機構，調整各裝配件。

1.2 角度自調式結構設計

樹上采摘水果時，需要時常調整采摘角度，同時不同的果樹樹枝韌性有所區別，這需要采摘器具有可以調整轉動力的功能，因此需要設計開發一套角度自調式結構。具體裝配如圖4所示。該機構由彈簧、摩擦輪組和轉動軸組成。

工作原理：摩擦輪1與轉動軸通過銷釘連接，銷釘限制在軸上槽里滑動，摩擦輪2與網兜剛性連接，轉動軸與連接桿由半月槽限制轉動。當螺母擰緊，摩擦輪1、2間摩擦力增大，即增加網兜轉動力，反之減小網兜轉動力。

1.3 柔性輸送布袋

為能夠快速、有效摘取樹上果子，輸送到果籃內，設計了一款水果柔性輸送布袋。在布袋內側加入一套錐形收縮口布袋，布袋選材具有摩擦力大、具有一定彈性的布料，布袋口上裝上松緊帶，使其具有調節錐形口大小的功能，能夠根據水果實物大小，進行相應布袋口大小的調整;由于采摘的高度不同，伸縮桿的長度在不斷變化，布袋的長度也要隨時更改，因此布袋的結構實現了拆裝的效果，布袋與布袋之間的連接通過拉鏈完成。如圖5所示。

2? 虛擬樣機運動分析

應用CATIA軟件下的DMU模塊，對該水果采摘器進行虛擬樣機運動分析，構建之間各部件均以實物制作要求進行約束定義。通過軟件檢查運動干涉，輸出內剪式剪刀機構和網兜支架旋轉機構運動曲線圖。如圖6-7所示，內剪式剪刀機構位移曲線順滑過度，位移約0～6 mm，與鉚接點軌跡位移基本一致。

3? 實物驗證

依據虛擬樣機1：1比例制作出如圖8所示實物。經實地采摘驗證，發現采摘如蘋果、梨和柑子等大個體水果時，樹枝較密處，網兜支架旋轉控制有難度，內剪式剪刀剪水果蒂效果較好;對于采摘如枇杷、橘子和棗子等小個體水果時，因水果生長密集，不容易單個摘下，經常需要將小樹枝一起剪下。

4? 結論

（1）利用CAITA軟件DMU模塊、二次曲線開發、虛擬仿真和機構運動分析等功能，可以快捷、有效進行機械產品結構設計和優化;

（2）通過實物多次驗證，該采摘器運行平穩，能為廣大果農采摘樹上水果提供一種有效采摘輔助工具，具有一定推廣價值;

（3）網兜支架過大，輸送布袋容易被樹枝勾住，導致采摘樹枝密集處水果時，容易被樹枝阻擋，需要調小網兜支架，尋找不容易被樹枝勾住的光滑布料作為輸送布袋外部材料。

收稿日期：2021-12-05

作者簡介：木海達（1988—），男，浙江溫州人，本科，浙江人馳汽車配件有限公司總經理、工程師，研究方向：機械設計與制造;趙錫鋒（1982—），男，浙江紹興人，碩士，浙江工貿職業學院副教授，研究方向：機械設計;陳哲權（1993—），男，浙江溫州人，碩士，浙江工貿職業技術學院助教，研究方向：機械設計。