剪切式油茶花采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

呂 輝,李立君,趙 青,吳澤超,郭 鑫

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

油茶是我國(guó)特有的木本油料作物之一[1],其籽榨取的茶油營(yíng)養(yǎng)豐富,是一種優(yōu)質(zhì)、保健、適宜人體吸收的高級(jí)植物食用油,也是一種重要的醫(yī)藥、化工等工業(yè)的原材料[2-3]。目前,油茶種植一直存在著“花而不實(shí)”的現(xiàn)象,導(dǎo)致油茶果的坐果率低,產(chǎn)量更低。人工授粉是提高油茶產(chǎn)量的重要方法,需要收集不同樹(shù)上的花粉來(lái)實(shí)現(xiàn)異花授粉[4],因此對(duì)油茶花粉的需求量大。目前,已有利用吸風(fēng)機(jī)將油茶花粉從柱頭上吸取下來(lái)的方法,但油茶花內(nèi)部花蜜多,粘度較大,花粉從柱頭所吸取量少,大部分花粉仍然附著在柱頭上。傳統(tǒng)花粉采集方式為整朵采摘,集中處理脫粉,脫粉率較高,但勞動(dòng)成本昂貴。因此,設(shè)計(jì)了一種油茶花采摘執(zhí)行器來(lái)進(jìn)行油茶花的整朵采摘。

目前,我國(guó)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的果蔬采摘末端執(zhí)行器正處于研究試驗(yàn)階段。盧偉等[5]研制了褐菇無(wú)損采摘柔性手爪,用于實(shí)現(xiàn)褐菇自動(dòng)化無(wú)損采摘;穆龍濤[6]等研發(fā)了一種采摘獼猴桃的末端執(zhí)行器,可實(shí)現(xiàn)高效率采摘;陳燕等[7]等制造了一種夾剪一體的荔枝采摘末端執(zhí)行器,用于采摘荔枝。

國(guó)外有很多學(xué)者致力于末端執(zhí)行器的研究。美國(guó)研究者Naveen Kumar Uppalapati[8]等人研制了一種具有紅外反射傳感系統(tǒng)的柔性手爪,并應(yīng)用于漿果的采摘;University of Malta設(shè)計(jì)了一種可以抓取任意形狀、大小和質(zhì)量的多功能機(jī)器人夾持器[9]。

雖然末端執(zhí)行器的研究都取得了較大的進(jìn)步,但還不能直接應(yīng)用于整花采摘,故通過(guò)分析油茶花的特性設(shè)計(jì)了一款油茶花采集執(zhí)行器,并制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 油茶花末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

在進(jìn)行末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)前,需要對(duì)油茶花進(jìn)行特性分析,以確保設(shè)計(jì)的理論可行性。

1.1 油茶花生物學(xué)特性

油茶果樹(shù)屬于花果同期,通常情況下是先將油茶果采摘后再進(jìn)行采授粉。油茶花開(kāi)放分為蕾裂、初開(kāi)、瓣立、瓣倒、柱萎5個(gè)時(shí)期,采取的花苞應(yīng)選擇前3個(gè)時(shí)期,采取的花粉此時(shí)正處于活性最高的時(shí)刻[10]。

油茶花是孕育種子與果實(shí)的繁殖器官。常見(jiàn)的油茶每天的開(kāi)花時(shí)間集中于上午9:00點(diǎn)到下午2:00;晚上6:00以后花瓣便開(kāi)始閉合,到第2天早晨又逐漸開(kāi)放,早上9:00左右恢復(fù)到原來(lái)盛開(kāi)的狀態(tài);持續(xù)3到4天后花瓣將不再閉合,到達(dá)第6～7天左右花瓣便開(kāi)始枯萎脫落。花粉的活性從開(kāi)花時(shí)就具有,一天中從早上7:00開(kāi)始油茶花粉的活性不斷增強(qiáng),在上午9:00到下午4:00時(shí)間段內(nèi)活性達(dá)到最高,也是收集花粉和采集花朵的最佳時(shí)間[11]。油茶花開(kāi)花如圖1所示。

圖1 油茶花圖Fig.1 Camellia flower illustration

1.2 油茶花力學(xué)特性

油茶花分散生長(zhǎng)于油茶樹(shù)上,花蕾呈圓錐狀,依附于枝梢上。油茶花蕾周?chē)忻苤θ~,且樹(shù)枝具有很好的韌性,若使用剪切方式采摘?jiǎng)t需要較大的剪切力,才能將花蕾摘下。

選擇10棵油茶果樹(shù)為測(cè)試對(duì)象,每棵樹(shù)選擇10朵油茶花作為1組,利用游標(biāo)卡尺測(cè)量油茶花的直徑和油茶花花莖的直徑;測(cè)量完成后,利用三量JDI17推拉力計(jì)(見(jiàn)圖2)進(jìn)行剪切力測(cè)試。

圖2 三量(sanliang)數(shù)顯推拉力計(jì)Fig.2 Three-quantity (sanliang) digital push-pull gauge

花柄的剪切力測(cè)量方法如圖3所示。

1.刀具 2.機(jī)架 3.花莖圖3 花柄剪切力測(cè)試Fig.3 Flower handle shear force test

將推拉力計(jì)轉(zhuǎn)換為推力模式,在刀具的上方施加壓力,使得刀具勻速向下運(yùn)動(dòng);接觸到花莖時(shí),增大壓力,使得刀具能夠緩慢將花莖切斷,并記錄每一次試驗(yàn)的最大壓力,與初始?jí)毫Α?/p>

刀具開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)需要對(duì)刀具施加一個(gè)力F0,當(dāng)切削結(jié)束后還得到一個(gè)Fmax,則花莖的切削力為F為

F=Fmax-F0

(1)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣與花莖剪切力試驗(yàn),將每組所得到的參數(shù)取平均值,得到油茶花的平均直徑、油茶花莖的平均直徑及花莖的平均剪切力,如表1所示。

表1 油茶花特性表

由表1可知:油茶花的平均直徑為18.23mm,油茶花花莖平均直徑最大為1.92mm,花莖剪切力平均大小為14.24N。

1.3 整體機(jī)構(gòu)及工作原理

人工采摘油茶花時(shí),需要夾住油茶花朵,然后將油茶花從端部枝莖處掰落下來(lái);當(dāng)用力或者油茶花受力方向不正確時(shí),花蕊將與花瓣分離,花蕊掉落到自然環(huán)境中,降低了采摘效率。為此,根據(jù)油茶花采摘的人工采摘方式設(shè)計(jì)了一種油茶花采摘末端執(zhí)行器,由犁狀刀爪、C型連桿、同步環(huán)構(gòu)成剪切模塊;運(yùn)輸管、機(jī)架連接桶構(gòu)成氣力輸送模塊;電推桿、靜平臺(tái)、支撐桿、支撐環(huán)構(gòu)成動(dòng)力輸出模塊。末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.犁狀刀爪 2.C型連桿 3.同步圓環(huán) 4.電推桿 5.靜平臺(tái) 6.鏈接桶 7.運(yùn)輸管 8.支撐桿 9.支撐環(huán) 10.機(jī)架Fig.4 末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)Fig.4 The overall structure of the end effector

采摘時(shí),電推桿推動(dòng)同步環(huán)沿機(jī)架外壁做往復(fù)運(yùn)動(dòng),同步環(huán)通過(guò)C型連桿推動(dòng)犁狀刀爪閉合剪切花柄;剪斷花柄后,電推桿復(fù)位,犁狀刀爪打開(kāi),油茶花脫落,掉落進(jìn)機(jī)架內(nèi)部中;通過(guò)風(fēng)機(jī)工作,使得運(yùn)輸管內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓,油茶花被運(yùn)輸?shù)绞占b置中。

2 主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算

2.1 驅(qū)動(dòng)力學(xué)模型

刀爪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程由圖5所示。其中,o點(diǎn)固定在機(jī)架上保持位置不變,A點(diǎn)沿著機(jī)架外壁直線運(yùn)動(dòng)。

圖5 刀爪工作過(guò)程Fig.5 Claw work process

圖5中,A1B1=A2B2=68mm,B1O=B2O=28mm,滑塊的垂直位移A1A2=27.32mm,B1C1=B2C2=70mm。為了避免在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)死角,所以在下極限位置時(shí)B1O與A1B1略大于90°,近似為垂直;當(dāng)運(yùn)動(dòng)到上極限位置時(shí)(即為B2C2位置),花莖被切斷。

當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到下極限位置時(shí),在ΔA1B1O中,∠B1A1O=22.4°,∠B1OA1=67.6°,B1O與A1B1垂直,∠OB1A1=90°;當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到上極限位置時(shí),在ΔA2B2O中,∠B2A2O=18.1°,∠B2OA2=131.2°,∠OB2A2=30.7°。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí),只受到1個(gè)向上的電推桿的推力,當(dāng)達(dá)到上極限位置時(shí)花莖被剪斷,其受力分析如圖6所示。

圖6 刀爪受力分析圖Fig.6 Claw force analysis diagram

由圖6可以繪制出刀爪部分的受力矢量圖,如圖7所示。

圖7 刀爪受力矢量圖Fig.7 Claw force vector illustration

由圖7得到如下數(shù)學(xué)關(guān)系,即

(2)

(3)

由公式(3)得到關(guān)于FC的表達(dá)式

(4)

根據(jù)已知的各連桿之間的角度可知

(5)

(6)

將公式(6)與公式(5)代入公式(4)中可得

(7)

根據(jù)上述公式,可以求得在80N電推桿合力的作用下刀爪驅(qū)動(dòng)力約為72.1N。

2.2 剪切力學(xué)模型

因?yàn)榈蹲υ诩羟虚]合時(shí)對(duì)犁狀刀爪是同步環(huán)同步推進(jìn)的,故在工作時(shí)根據(jù)圖8的刀爪俯視圖將犁狀刀爪部位進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到剪切力學(xué)模型,如圖9所示。末端執(zhí)行器工作時(shí),通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置將力傳遞到刀爪上得到力Fi,將Fi分解到刀片處,得到剪切力Fxi與Fyi。對(duì)花莖的剪切力記為FK1與FK2,在不考慮內(nèi)力的情況下,Fi分解到兩側(cè)刀具的力相等且等于枝莖的剪切力。

圖8 刀爪俯視圖Fig.8 Claw top view

圖9 刀爪剪力學(xué)模型Fig.9 Claw Shear Mechanics Model

由模型得到各力的關(guān)系式為

(8)

(9)

FK1—左側(cè)花莖剪切力(N);

FK2—右側(cè)花莖剪切力(N)。

其中,Fi為FC在刀爪上的表現(xiàn)形式,兩者大小相等。刀爪所傳遞到的力FC代入到公式(9)中,得到兩側(cè)剪切力FK1=FK2=62.5N。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量得到油茶花的花莖最大剪切力為14.24N,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到剪切力為62.5N>14.24N,所以能夠通過(guò)該刀爪成功將花莖剪斷,采下花朵。

2.3 ANSYS花莖剪切特性分析

通過(guò)理論計(jì)算分析可知,設(shè)計(jì)的刀爪可以將花莖成功剪斷。刀爪刀口的形狀分為弧形刀,考慮到剪切過(guò)程中刀爪末端的刀片屬于輕薄件,刀具在剪斷過(guò)程中可能出現(xiàn)大形變,會(huì)造成夾莖、切割不徹底的狀況。因此,利用ANSYS軟件對(duì)刀具剪切時(shí)進(jìn)行Explict Dynamics分析,觀察刀具的形變情況[12]。

2.3.1 材料選擇

刀爪的切割對(duì)象為花莖,屬于木材類(lèi),其硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬,是構(gòu)造不均勻的各項(xiàng)異性材料,所以刀具材料選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A即可[13-15]。

2.3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

根據(jù)刀爪的受力特點(diǎn),切斷方式為雙刀對(duì)切,力的大小相等、方向相向。花莖主要由皮和芯組成,將花莖的架構(gòu)用圓柱實(shí)體進(jìn)行代替[16-17]。因?yàn)锳NSYS的三維建模能力較差,選用Inventor建立三維模型,再將建立好的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得刀具的試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)圖,如圖10所示。

圖10 刀具模型簡(jiǎn)圖Fig.10 Tool model sketch

模型網(wǎng)格的數(shù)量、仿真時(shí)間與計(jì)算機(jī)的性能有關(guān)。為了提高切斷過(guò)程的精準(zhǔn)性,只對(duì)花莖枝條進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。實(shí)際采摘時(shí),剪刀將花莖的枝條剪斷,模擬實(shí)際剪切過(guò)程。仿真剪切時(shí),需要將刀具切斷樹(shù)枝實(shí)現(xiàn)剪切。因?yàn)榧羟羞^(guò)程中刀爪所提供的剪切力是大小不變的,所以在刀具上均施加作用于表面的恒力F,使得刀具緩慢切斷花莖。

2.3.3 數(shù)據(jù)分析

將建立好的模型分別進(jìn)行Explict Dynamics分析,得到切斷仿真結(jié)果,如圖11所示。

圖11 彎刀切割效果圖Fig.11 Scimitar cutting renderings

圖11可以表現(xiàn)出刀具形狀在切斷過(guò)程中的變形情況,通過(guò)該切斷效果可以得知:采用該刀具模型進(jìn)行切斷時(shí)花莖會(huì)被切斷,但切斷過(guò)程也會(huì)出現(xiàn)微小變形。刀具變形是發(fā)生在切削面的法線方向,模型中花莖是沿著刀具法向方向建立,故建立花莖的坐標(biāo)系,求解刀具在沿著花莖軸向的定性形變,如圖12所示。

圖12 彎刀刀具定性變形圖Fig.12 Qualitative deformation diagram of machete tool

由圖12可知:切斷過(guò)程中的最大形變量約為0.257mm,最小變形量約為0.199mm,上下兩刀的變形方向一致,形變量幾乎相同,不會(huì)產(chǎn)生太大的變形。所以,切斷時(shí)刀具之間會(huì)出現(xiàn)微小間隙,不會(huì)出現(xiàn)夾莖及切斷不徹底的情況。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與過(guò)程

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)采摘性能,設(shè)計(jì)了對(duì)于油茶花的采摘試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇望城油茶果試驗(yàn)基地,品種選擇“三華”品種的油茶。隨機(jī)選擇10棵油茶樹(shù),每棵油茶樹(shù)標(biāo)記10朵油茶花作為1組,使用末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘,記錄每棵樹(shù)的單朵平均采摘時(shí)間,采摘結(jié)束后計(jì)算采摘效率;通過(guò)3D打印技術(shù)加工出手爪樣機(jī),配合控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行采摘試驗(yàn),觀察并記錄采摘工作過(guò)程,如圖13所示。

圖13 手爪采摘過(guò)程圖Fig.13 Claw picking process diagram

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采摘方式采取就近原則,采完第1朵后采距離第1朵最近的1朵,直至采完小組中標(biāo)記的所有油茶花。采摘情況如表2所示。

表2 采摘情況

由表2可知:在該末端執(zhí)行器的采摘下,采摘效率為2.05s/朵。該末端執(zhí)行器為人工手持,所以總體時(shí)間主要受試實(shí)驗(yàn)員熟練度影響。剪斷油茶花莖后,油茶花被收集到收集器中,如圖14所示。

圖14 油茶花收集圖Fig.14 Camellia flower collection

試驗(yàn)表明:油茶花在采摘后能夠通過(guò)中間的管道順利收集到收集箱中,所設(shè)計(jì)的剪切式油茶花采摘末端執(zhí)行器能夠完成采花工作,達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

4 結(jié)論

針對(duì)油茶花的無(wú)損采摘,設(shè)計(jì)了一種單一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的油茶花采摘末端執(zhí)行器。分析了油茶花花莖的生物學(xué)特性與力學(xué)特性,進(jìn)行了采摘機(jī)構(gòu)的受力分析。采用三電推桿作為刀爪的切割源動(dòng)力,能夠有效將油茶花花莖剪斷,實(shí)現(xiàn)剪切方式采摘,避免采摘過(guò)程中對(duì)周?chē)ǘ渲θ~的影響。考慮薄刀片受力會(huì)產(chǎn)生變形從而影響正常采摘,經(jīng)過(guò)ANSYS有限元分析,選用的刀具應(yīng)在保證正常剪切時(shí)不會(huì)出現(xiàn)夾莖與切割不徹底的情況。試驗(yàn)表明:利用該執(zhí)行器采摘油茶花效率達(dá)到2.05s/朵,能夠?qū)崿F(xiàn)油茶花的機(jī)械采摘。