榴蓮采摘機機械系統的設計★

于佳偉，蔣東霖，裴起超，肖 迪

（長春師范大學工程學院，吉林 長春 130032）

0 引言

近年來，隨著我國經濟水平的不斷提高，我國水果的種植面積和產量成為世界第一大國，同時，市面上開始涌現各類的水果采摘機，使得水果采摘既方便又迅速，而目前，因榴蓮所處的地域環境復雜，且果實所處高度較高，因此只能采取人工的方式進行采摘，采摘者存在安全隱患且過程耗時費力的問題[1]，而目前市面上存在的采摘榴蓮的機器相對較少且無法徹底解決安全等問題，對此設計并研發了新型榴蓮采摘機，此采摘機針對安全、便利、提高效率等問題做出有效處理。本文主要對榴蓮采摘機的機械系統進行設計。

1 榴蓮采摘機的整體設計

榴蓮采摘機可以完成對榴蓮是否可以采摘進行判斷、抓取、采摘，運輸和收集等工作。車體采用與貨車相仿的結構，從而使得整個機器重心平穩，在工作過程中可以避免因重心不穩發生側翻。如圖1 所示，榴蓮采摘機由傳送系統、伸縮系統、采摘系統等組成[2]，伸縮系統分別與傳送系統和采摘系統相連，采摘者通過機械爪前端的攝像裝置，將所錄到的畫面傳輸到終端，采摘者對榴蓮是否可以采摘進行判斷，并對機器進行操作控制，通過控制伸縮系統將采摘系統運送至相應高度位置，通過控制六軸機械臂，將機械爪傳送到相應位置，通過控制爪手，調整方位，對榴蓮進行抓取采摘，接著，機械爪將榴蓮放置傳送系統中，通過傳送系統將榴蓮放置收集系統，完成榴蓮采摘，系統可同時進行工作，既提高了榴蓮采摘效率，同時也降低了人工采摘危險系數，能夠最大程度上的保持榴蓮果實的完好。

為了滿足以上工作要求，設計了此榴蓮采摘機的機械系統，整體如圖1 所示

2 榴蓮采摘機主要組成部分結構設計

2.1 伸縮系統設計

伸縮系統如圖2 所示，為一個三節伸縮桿，電動伸縮桿主要由驅動電機、減速齒輪、螺桿、螺母、導套、推桿、滑座、彈簧、外殼及渦輪、微動控制開關等組成。電動伸縮桿作為執行機械使用，用以實現遠距離控制、集中控制或自動控制的有效裝置，已經廣泛應用于各種簡單或復雜的工藝流程中。

圖2 伸縮系統

2.1.1 工作原理

電動機經齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母。把電機的旋轉運動轉變成直線運動，利用電動機正反轉即可完成推桿的伸縮動作。另外，通過各種杠桿、搖桿或連桿等機構可完成轉動、搖動等復雜動作。通過改變杠桿力臂的長度，可以增大行程。

2.1.2 行程控制裝置

1）蝸輪蝸桿傳動形式。電機齒輪上的蝸桿帶動蝸輪轉動，使蝸輪內的小絲桿作軸向移動，由連接板帶動限位桿進行軸向移動，從而推動閘門上下移動。蝸桿傳動具有自鎖性，可使閘門停在任意高度上，而不會因自重落下。當所需行程時，通過調節限位塊下壓行程開關進行斷電，電動機停止運轉（正反控制相同）。

2）齒輪傳動形式。電機通過減速齒輪后帶動安裝于內管的小絲桿，從而帶動與之連接一起的螺母做軸向運行。當達到所設定的行程時，螺母觸角壓住限位開關斷開電源，電機停止運動（反向與之相同）。

3）電動伸縮桿是一種新型的電動執行機構，可以使伸縮桿在一定范圍行程內作往返運動。一般電動伸縮桿標準行程有1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m 以及4 m，根據榴蓮樹高的范圍進行具體選舉。可以根據不同的應用負荷而設計不同推力的電動伸縮桿，一般其最大推力可達6000N，空載運行速度為4～35mm/s，電動伸縮桿以24 V/12 V 直流永磁電機作為動力源，把電機的旋轉運動通過絲杠轉化為直線往復運動。本采摘機伸縮桿選用的標準行程為4 m，控制采摘系統到達合適高度，方便采摘，可以避免因榴蓮高度而導致的采摘困難等問題。

2.2 采摘系統設計

采摘系統如圖3 所示，主要由機械臂、機械手、和剪切機構所組成，剪切機構處包含信息收集模塊，采摘系統主要對榴蓮是否成熟進行判斷并且對榴蓮進行采摘。信息收集模塊的功能是剪切機構處的視覺傳感器對周圍榴蓮的情況進行收集，然后通過傳輸至終端的畫面進行判斷，將信息傳送至采摘者。在該系統中，通過畫面傳送至終端的畫面對榴蓮成熟度的信息收集和判斷，確定要采摘的榴蓮，通過六軸機械臂轉動調整整個采摘系統至榴蓮的位置，隨即機械爪抓住榴蓮，同時，剪切系統進行運作，將榴蓮梗剪斷，此時榴蓮采摘完畢。為了確保榴蓮能夠順利被抓住和剪切，對機械手進行了夾持型設計，同時采用單片機控制，增加其可靠性。為了能夠對榴蓮的成熟度及剪切位置控制得當，采用視覺傳感器進行輔佐，視覺傳感器主要由攝像頭、紅外傳感器、距離傳感器組成，通過攝像頭收集榴蓮所處環境，為采摘系統進行工作，提供了信息基礎，可以盡量避免由于榴蓮樹枝錯亂而導致榴蓮采摘不順利，機器損壞等問題，同時，通過距離傳感器與紅外傳感器相配合，可以使剪切系統更準確的對榴蓮梗剪切。

圖3 榴蓮采摘機的采摘系統

2.2.1 機械臂

機械臂的力學設計模仿了人的手臂動作，通過設定某種程序，實現搬運、抓取等一系列的操作，實現勞動的機械化與自動化。也就是最早出現的現代化機器人，取代了人力勞動，實現繁重勞動的機械化與自動化，能在危險的環境中，使用機械進行工作，進而有效保障工人的人身安全，其普遍應用于機械制造、冶金、電子、輕工業以及原子能等部門。機械臂通常有幾個自由度，用來抓取物體，因此對工業機械臂的理解可以是模擬人的手臂、手腕以及手功能的機械電子裝置，可以將任一物件以及工具按照空間的位置進行移動，進而實現工業生產作業的要求。六軸機械臂是一種新型機械裝置，可完成不同任務和復雜運動。機械臂如圖4 所示通過建模設計分析。采用六自由度機械手臂，其組成包括六軸機構[3]。因采摘環境復雜，所以對機械臂的柔性要求較高，因此采用動力學建模分析。六軸機械臂主要由六軸組成，一軸是用于連接底座，承載較大，主要用于整個采摘及系統的旋轉等運作方式；二、三軸的主要作用是前后擺動，同時也是機械臂的重要位置；四軸主要起自由回轉的作用，其結構也相對簡單；五軸，六軸主要起微調作用，且六軸可360°旋轉，在任何工作環境下都可以適應所需工作。六軸機械臂與上文伸縮桿進行鏈接，整個系統的靈活性可以使整個系統精確傳送至榴蓮所處位置，進行工作。

圖4 機械臂的機械系統

2.2.2 關于機械臂的應力分析

為了保證機械臂運動的穩定性，所選取的電機可以提供的扭矩遠大于拿起榴蓮所需要的力量，故將除校核部分以外的機械臂看作墻壁，以簡化校核過程。以下對校核過程進行說明。

借由截面法對比結構內力進行分析，得到此結構的剪力圖和彎矩圖，如圖5 所示由剪應力與彎矩圖可知，危險點在機械臂的端面處，最大剪刀Ft=F，最大彎矩M=FL。

圖5 結構的剪力圖與彎矩圖

式中：Ftmax為拿起榴蓮時產生的最大拉應力；Mmax為榴蓮拿起過程中產生的最大彎矩；l 為機械臂長，l＝0.7 m；m 為榴蓮與機械臂的重量和，取10 kg；g 取10 N/kg。

由式（1）、式（2）可得最大切應力，最大拉應力為Ft，max=200 N、Mmax=70 N·m。

為了簡化計算，將機械臂的截面形狀簡化為圓形，A、W 分別是此結構的當量面積和當量抗彎模量。τmax為機械臂工作過程中產生的最大切應力，Ft為上式中的最大拉應力，σmax為機械臂運作工程中產生的最大正應力，M 為上式中所求的Mmax；D 為簡化后截面圓的直徑取0.1 m。

通過計算得出τmax=0.025 MPa，σmax=0.714 MPa，W=0.000098 m3。

經查得資料可知，Q235 的許用切應力及其拉應力為[τ]=110.6 MPa，[σ]=158 MPa。

經過比較，結構中的最大彎曲應力和最大切應力小于材料的許用應力，經校核，滿足強度要求，可選用Q235 作為機械臂的材料。

2.3 傳送系統設計

傳送系統如圖6 所示，主要有伸縮式皮帶傳送機組成，其工作原理與普通的皮帶傳送機相同，但是我們將傳送帶與伸縮桿相連，并且在其結構上增加了儲存皮帶的裝置和收放皮帶的裝置，方便皮帶進行伸長和收縮。伸縮桿與傳送帶可以同步進行調節告知位置，方便在采摘系統結束后，機械爪可隨時將榴蓮放置于傳送裝置上。同時，皮帶所采用的材料為硅膠材質，增加皮帶的粗糙度并且每隔一定距離設置擋板，防止在運輸過程中榴蓮向下滾落速度太快，而導致損傷。

圖6 榴蓮采摘機傳送系統

3 伺服電機

伺服電機作為帶式輸送機傳動的動力裝置，預設傳送機卷筒直徑D=380 mm，有效拉力Fw=10000 N，滾筒的效率ηw=0.96，輸送帶速度vw=0.2 m/s。根據工作條件和要求，一般選用Y 系列三相異步電動機。

選擇電動機的容量。工作機所需的功率Pw為：

將相關參數代入式（6）得：Pw=2.08 kW。

電動機所需功率P0為式（7），從電動機至滾筒主動軸之間的傳動裝置的總效率η 為式（8）：

據查表得知η帶=0.95、η軸承=0.99、η齒輪=0.98、η聯軸器=0.99，將相關參數代入式（7）、式（8）得：η=0.868，P0=2.4 kW。

選取電動機額定功率Pn，使Pn=（1～1.3）P0，則Pn=3.1 kW。

確定電動機轉速。工作機卷筒軸的轉速nw為：

將相關參數代入式（9）得nw=10 r/min。

經查資料，推薦的傳動比合理范圍，取v 帶傳動的傳動比i帶=2～4，單極圓柱齒輪傳動比i齒=3～6，總傳動比合理范圍i'=18～144，故電動機轉速nm=i'nw=（18～144）×10 r/min=180～1440 r/min。

表1 Y132M2-6 電動機主要性能及主要尺寸

符合這一轉速范圍的同步轉速有750 r/min、1000 r/min 兩種，通過考慮尺寸、結構和減速器的傳動比等因素，因此選用電動機型號為Y132M2-6。

4 結語

本文主要介紹了一種榴蓮采摘機，其具有安全系數高，采摘效率快，操作方便等特點，并且能夠對采摘環境進行收集分析、從而高效、準確的對榴蓮進行采摘。榴蓮采摘機主要由三個系統所組成，通過視覺傳感器對周圍環境的觀察，對榴蓮成熟度信息的收集，并將信息傳送至果農手中，接著由采摘系統進行采摘，傳送系統進行運輸，從而完成榴蓮采摘一系列的運作。對比于人工采摘來講，榴蓮采摘機雖成本高，但其大大避免了人工采摘時的安全隱患，且提高了榴蓮采摘的速度。但榴蓮采摘機在傳送系統的設計仍需完善，榴蓮在傳送系統中向下運輸時也容易對果實造成損壞，在今后的研究中，需針對這一問題著重進行研究并改進。