剪切夾持一體化水果采摘末端執行器的設計與分析

裴雙成 ，鐘 波

（1.湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省長沙市開福區福安水利管理所，湖南 長沙 410003）

0 引言

水果是一種富含鈣、鐵、鋅等微量元素的食物，對人體的健康有著重要的影響。這些微量元素在人體內起著吸收營養和排解毒素的作用，對維持人體正常功能發揮著重要的作用。同時，水果產業也是我國重要的經濟支柱產業之一，對農業產業的發展和國民經濟的增長具有重要的貢獻[1]。

然而，目前我國水果收獲的機械化覆蓋率較低，大部分水果采摘仍然依靠人工作業，采摘機械的利用率不足[2]。這導致了采摘成本較高、采摘效率低下的問題，制約了水果產業的發展。因此，實現水果采摘的機械化成為水果產業發展的一個重要突破口。

機械化采摘水果具有許多優勢。首先，它可以降低人工成本，減少勞動力的投入，提高生產效率。由于水果采摘是一項繁瑣而費時的工作，采摘機械的使用可以大大減輕人工勞動的負擔，提高采摘的效率和速度[3-5]。其次，機械化采摘可以減少對水果的損傷。人工采摘時，由于操作不當或手法不準確，往往會導致水果的損壞或受傷。而采摘機械可以通過精確的操作和合適的力度，避免對水果造成不必要的損傷。最后，機械化采摘還可以延長水果的保鮮時間，提高水果的品質和市場競爭力。機械化采摘可以更加精確地控制采摘的過程，避免水果在采摘過程中受到擠壓或碰撞，從而減少水果的損傷，延長水果的保鮮期。

在水果采摘中，末端執行器的設計和選擇起著關鍵作用。適用的末端執行器能夠更加精確地采摘水果，減少對水果的損傷[6-10]，并且能夠實現連續采摘和果實集中回收[11]。目前，國內外有許多研究學者致力于設計和改進水果采摘機械的末端執行器[12-14]。李國利等設計了一種多末端的機械手，可以在采摘區內同時連續采摘多個水果并將果實集中回收[15]。魏博等設計了一種用于柑橘采摘的欠驅動式末端執行器，通過三指的柔順抓取實現無損采摘[16]。成亮等采用氣壓傳動的方式驅動手指式采摘末端執行器，旋轉水果促使果柄斷裂進行采摘[17]。夾持式采摘末端執行器是目前使用范圍較廣、適用性較強的機械化采摘裝置[18-23]。王毅等通過仿照蛇嘴結構設計咬合式末端執行器，對不同傾角的柑橘果梗進行切斷[24]。本文基于剪切夾持一體化的方式，設計了一種適用于大多數水果的采摘末端執行器，利用剪切的作用力，結合柔性材料夾持果梗，實現剪切和夾持的一體化采摘。

水果采摘機械化是水果產業發展的重要方向。通過機械化采摘，可以降低人工成本，提高采摘效率，減少對水果的損傷，延長水果的保鮮時間，從而增加產量和提高水果質量。未來，應該繼續加大對水果采摘機械化研究的投入力度，不斷改進和創新末端執行器的設計，推動水果產業向更高效、更可持續的方向發展。

1 末端執行器組成和工作原理

1.1 組成部分

末端執行器主要由動力結構、傳動結構和剪切夾持結構組成。直流減速電機作為末端執行器的動力來源，提供減速后較大的轉矩，用于帶動螺桿旋轉。傳動機構中的法蘭盤與螺桿套接，固定于連接件上。傳動機構還包括左右連桿、導軌滑塊、鉸鏈、基座等部件。刀片、移動刀臺及柔性墊片構成了剪切夾持結構，末端執行器機構簡圖如圖1所示。

圖1 末端執行器機構簡圖

1.2 工作流程

直流減速電機通過旋轉提供長螺桿轉動力，從而驅動法蘭盤在螺桿上前后移動。同時，法蘭盤的運動也帶動了連接件的運動。連桿作為連接件的一部分，受到連接件的推力影響，改變了與導軌滑塊之間的角度。這個角度的改變進一步施加了橫向的作用力，使得導軌滑塊在導軌上滑動。

移動刀臺與滑塊連接在一起，實現了橫向的張開與閉合，從而完成了剪切夾持機構的動作。當直流減速電機正轉時，法蘭盤向后運動，導軌滑塊向中心滑動，刀片逐漸閉合，實現了對果梗的剪切。而當直流減速電機反轉時，法蘭盤向外移動，導軌滑塊向外滑動，移動刀臺逐漸張開，松開對果梗的夾持。

這樣的設計使得末端執行器能夠在工作中準確地切斷水果的果梗并夾持住果實。直流減速電機的旋轉提供了足夠的動力，使得法蘭盤能夠在螺桿上前后移動。同時，連桿的推力改變了導軌滑塊的角度，施加了橫向的作用力，使得導軌滑塊能夠在導軌上滑動。移動刀臺與滑塊的連接實現了橫向的張開與閉合，從而實現了剪切夾持機構的動作。

1.3 力學分析

末端執行器工作時需要能夠將一般的水果果梗切斷并夾持住，作用于果梗的剪切力來源于通過傳動機構傳遞的直流減速電機的扭矩。當刀片完全閉合時，連桿與導軌滑塊的夾角達到最大，傳遞的橫向作用力達到最小值。因此，計算刀片閉合狀態下末端執行器需要的剪切力，通過力學模型得到此時直流減速電機需要的扭矩，即可計算需要的電機參數以及連桿尺寸。力學分析如圖2所示。

圖2 力學分析圖

圖中，F為直流減速電機扭矩轉化后施加在法蘭盤上的作用力，F1為法蘭盤對連桿的拉力，F2和F3分別為連桿對導軌滑塊在豎直和水平方向上的分力，F4為刀片及夾持體作用于果梗的力，α和β分別為連桿與導軌、連桿與法蘭盤的夾角。

經過受力分析可得以下公式：

由式（1）、式（2）、式（3）可得：

確定采摘水果類型后測試剪斷果梗的作用力大小，根據水果的體積大小確定導軌滑塊的運動行程，當刀片閉合時α最小，將此時的角度代入式（4）計算后選定直流減速電機的扭矩參數，因末端執行器結構左右對稱，計算后的F4的兩倍即直流減速電機的扭矩參數。

2 末端執行器的仿真分析

根據末端執行器的結構簡圖建立SolidWorks仿真模型，如圖3所示。

圖3 末端執行器仿真模型圖

考慮到末端執行器的便捷性及易操作性，導軌滑塊選定MGN7C微型導軌滑塊，導軌長度為100 mm，單個滑塊運動行程為30 mm。為確保剪切力能夠剪斷一般的水果果梗，選定N20直流減速電機作為動力部件，提供高轉速的同時還能保障較大的旋轉扭矩。當移動刀臺向內運動，以硅膠為材質的柔性夾持體先接觸果梗，隨著移動刀臺持續運動，兩邊的柔性夾持體將果梗夾持住，同時刀片向內剪切果梗。當法蘭盤移動至一定位置時觸發微動開關，電機停止轉動，防止刀片閉合時電機持續堵轉燒毀。刀片完全閉合將果梗剪斷，柔性夾持體的擠壓力將與果實連接的果梗夾住，移動至果籃中后電機反轉松開果梗，采摘下一個水果。

當需要采摘不同類型的水果時，根據該類型水果的果梗大小及所需要的剪切力，適當調整刀片與移動刀臺的位置，使柔性夾持體能夠充分夾持住果梗。當果梗較大時，柔性夾持體相對刀片位置更加向內凸出，以便刀片剪切后仍能夾住果梗防止松脫。通過移動微動開關與法蘭盤的相對位置，控制導軌滑塊的運動行程，以適應不同的果梗大小，減少采摘時間。

利用SolidWorks軟件的Motion運動仿真模塊對末端執行器進行運動學分析，在直流減速電機的螺桿上施加固定扭矩，通過運動算例圖添加刀片處的作用力變化曲線，得到直流減速電機的扭矩與刀片處的剪切力的關系系數。實驗結果顯示，施加于螺桿的扭矩與刀片完全閉合處的剪切力的比例系數為3.697，考慮到鉸鏈的摩擦力與導軌滑塊運動的摩擦力，扭矩與剪切力的比例系數修正為4.0，結合N20直流減速電機的扭矩可知，末端執行器的剪切力大于小型水果的果梗剪切強度，滿足采摘要求。

3 結論

水果采摘機械化是水果產業發展的重要方向。通過機械化采摘，可以降低人工成本，提高采摘效率，減少對水果的損傷，延長水果的保鮮時間，從而增加產量和提高水果質量。本文基于輕便化、無損采摘水果的方式，設計了一種剪切夾持一體化的水果采摘末端執行器。該執行器采用直流減速電機推拉螺桿套接的法蘭盤來改變連桿與導軌滑塊間的角度，從而帶動移動刀臺的往復運動，實現剪切夾持與松開的動作。刀片下端配備了硅膠材質的柔性夾持體，可以在剪切力增大時夾緊果梗，便于剪斷。為了確保末端執行器的穩定性和可靠性，研究小組在設計中設置了微動開關停止電機轉動，以保護電機的安全運行。為了進一步分析末端執行器的運動學特性，使用SolidWorks軟件進行運動學仿真分析，以防止電機長時間堵轉而燒壞。當法蘭盤移動到一定位置觸發微動開關時，進行運動學分析。將固定的扭矩施加于螺桿，并通過運動算例中刀片尖端的作用力曲線來得到直流減速電機的扭矩與刀尖剪切力的比例系數。通過對比設計使用的N20電機的參數，可以確定剪切力是否滿足一般小型水果的采摘要求。

在實際應用中，可以根據不同類型水果的特點對刀片與移動刀臺的位置進行調整。例如，當采摘果梗質地較硬或較粗時，可以更換扭矩較大的直流減速電機，以確保剪切力足夠強大。同時，根據果梗的粗細不同，可以調整微動開關的位置和刀片與柔性夾持體的相對位置，以適應不同水果的采摘需求。通過以上設計和分析，可以確保末端執行器的準確性、穩定性和可靠性，使其能夠輕便地剪切和夾持水果的果梗，實現無損采摘，提高水果采摘的效率和質量。未來，應該繼續加大對水果采摘機械化研究的投入力度，不斷改進和創新末端執行器的設計，推動水果產業向更高效、更可持續的方向發展。