基于SolidWorks 的鮮棗采摘末端執行器設計與運動仿真*

趙華民 ，劉凱鑫 ，王 鑫 ，焦海峰 ，許德芳

（1.山西農業大學農業工程學院，山西 晉中 030801；2.呂梁學院礦業工程系，山西 呂梁 033001）

隨著科學技術的進步和機器人技術的發展，農業機器人成為學者的研究熱點。農業機器人的發展是農業智能化的重要標志[1]，對提升農業生產效率、解決人口老齡化問題具有重要意義。鮮棗采摘目前依舊采用人工方式，費時費力，因此對采摘自動化的需求十分迫切。末端執行器是機器人的執行機構，目前已有學者對農業采摘用末端執行器進行了研究，陳真真[2]、李寧[3]研究了蘋果采摘用末端執行器。朱容芳等[4]基于UG 軟件研究了蘋果采摘機械臂及末端執行器。周科宏[5]、楊樂平等[6]研究了番茄采摘末端執行器。李秉旭[7]研究了三爪氣動式采摘用末端執行器。孫金風等[8]研究了水果被動抓取末端執行器。李小平[9]進行了圣女果采摘機器人末端執行器的結構設計與仿真分析。以上末端執行器的研究和設計為本末端執行器的研究提供了理論和方法借鑒，但是目前鮮棗采摘專用末端執行器的研究還較少。因此，本課題針對溫室鮮棗的采摘，研究設計了一種鮮棗采摘專用末端執行器。

1 鮮棗采摘末端執行器工作原理

通過分析鮮棗采摘的過程，降低采摘過程中對鮮棗的損傷，并減少采摘過程中樹枝搖晃帶來的同根上面的鮮棗脫落，設計了鮮棗采摘末端執行器裝置，其結構如圖1 所示。該鮮棗采摘末端執行器由電機、聯軸器、絲桿、光軸、夾爪、絲桿螺母、齒輪、齒條、吸盤、驅動齒輪、相機等零部件組成。該末端執行器選擇電機作為驅動裝置，通過聯軸器將電機動力傳遞至絲桿，兩根絲桿螺紋方向相反，實現夾爪的相向運動，為了提高夾爪運行過程中的穩定性，在其后方安裝有一根光軸，使每個夾爪都能實現兩根軸一起固定；通過電機驅動齒輪旋轉，齒輪齒條嚙合驅動吸盤做往復移動，當夾爪機構將鮮棗夾緊后，吸盤伸出將鮮棗吸住后再放至指定位置；通過驅動齒輪將電機的轉速降低后再驅動傳動軸轉動，傳動軸一端安裝有掃描相機，相機能在一定角度內往復旋轉并將影像回傳至控制系統。在上述機構的相互配合下實現鮮棗的采摘。

圖1 鮮棗采摘末端執行器結構

2 總體方案設計

通過鮮棗采摘末端執行器結構特點以及工作原理分析，可以將其結構分為動力機構、夾爪機構、吸盤機構、相機掃描機構和機架五個部分。鮮棗采摘末端執行器動力機構，選用電機作為動力源，電機驅動驅力大且結構緊湊，成本相對較低，能夠使末端執行器操作靈活。夾爪機構的作用就是在不損傷采摘對象的前提下夾持住對象，減少吸盤機構采摘時枝條的震動，造成采摘目標棗附近的成熟棗脫落。吸盤機構，通過電機驅動齒輪旋轉，齒輪齒條嚙合驅動吸盤做往復移動，當夾爪機構將鮮棗夾緊后，吸盤伸出將鮮棗吸住后再放至指定位置。相機掃描機構，通過電機帶動掃描相機在一定角度內往復旋轉并將影像回傳至控制系統。機架各部分采用焊接固定，并提供各個零件的安裝位置，保證所有零件的運行穩定性。

2.1 夾爪機構設計

本末端執行器夾爪機構主要由電機、聯軸器、左旋絲桿、右旋絲桿、光軸、夾爪、絲桿螺母和直線軸承等組成，如圖2所示。

圖2 末端執行器夾爪機構

夾爪通過電機驅動，電機的選型通常要考慮的因素包括載荷大小、功率大小、安裝位置、方式和轉速等[10]。首先進行電機功率計算。設計執行器兩夾爪相向運動的額定速度為0.1 m/s，夾爪機構最大需負載50 g 的質量，計算夾爪機構在正常工況下所需功率大小P0=0.005 W。根據兩夾爪相向運動的速度計算所需電機轉速n=60v/πd=159.24 r/min，傳動效率P=0.005 W，計算夾爪機構扭矩T=9 550P/n=0.3 N·m，綜合各項因素，最終選用57BYG250H 型電機。

根據傳動方案、空間大小等因素，設計絲桿采用不銹鋼材質，導程5 mm，絲桿直徑12 mm。通過計算其轉速和最大載荷，得出材質和尺寸符合穩定運行的要求。

2.2 末端執行器吸盤機構設計

吸盤機構主要由電機、齒輪、齒條、吸盤安裝塊和吸盤等組成，其作用是通過電機驅動齒輪旋轉，齒輪齒條嚙合驅動吸盤做往復移動，吸盤機構如圖3所示。

圖3 鮮棗采摘末端執行器吸盤機構

根據上文電機功率計算過程，計算功率、轉速、扭矩等參數，最終選擇電機型號同樣為57BYG250H。

齒輪齒條的選型計算。根據設計需要，取模數m=1.5，小齒輪齒數取40，查閱機械設計手冊，計算得到齒輪分度圓直徑為40 mm，齒條齒根高為2.22 mm，中心距30.63 mm，齒條長度為100 mm，齒數為42。

2.3 末端執行器相機掃描機構設計

相機掃描機構主要由電機、驅動齒輪、傳動軸、軸承和相機等組成，如圖4 所示。經計算，其驅動電機型號選擇57BYG250H。

圖4 鮮棗采摘末端執行器相機掃描機構

相機掃描機構選擇直齒圓柱齒輪作為軀體轉動的傳動機構。齒輪的材料采用45 鋼材質，硬度可以達到240 HBS，并且其接觸疲勞極限為σHlim2=550 MPa，同時齒輪精度為7 級。根據減速需求，將小齒輪齒數定為z1=30；按照工作需求，傳動比i=1.65，則能夠計算出大齒輪齒數z2=49.5，將其圓整為50。

應力循環次數N1=9.6×104，N2=N1÷i=5.82×104，通過查閱相關資料，可得接觸疲勞壽命系數KHN1=0.9，KHN2=0.95，由此計算得到其接觸疲勞許用應力。根據上述已知，計算大小齒輪接觸疲勞許用應力[σH]1=495 MPa，[σH]2=522.5 MPa，由其計算得到小齒輪分度圓直徑d1t=36.9 mm，進而算出圓周速v=0.386 m/s。根據相關資料可得，載荷系數K=1.92。根據實際載荷系數，對分度圓直徑進行校正，讓載荷系數Kt=KA=1.1，分度圓直徑如式（1）所示：

將計算結果圓整為d1=45 mm。然后根據齒輪各參數間的關系，在滿足齒輪的強度要求的前提下，設計齒輪相關參數，如表1所示。

表1 齒輪參數表

3 鮮棗采摘末端執行器的運動學仿真

3.1 仿真軟件設置

為保證末端執行器運行平穩無干涉，將所有零件在SolidWorks 中進行裝配后，進行運動學仿真，步驟如下。

1）在組合體界面，點擊運動算例，在運動算例左上角選擇“Motion分析”，如圖5 所示。

2）然后選擇旋轉馬達，在軟件中設置好馬達位置和馬達方向，選擇相對于馬達移動的零部件，選擇數據點，如圖6 所示。

圖6 選擇馬達位置與馬達方向

3）數據點參數編輯如圖6 所示，編輯完成后右下角點擊確定，馬達左上角打鉤，完成吸盤運動編輯。

4）重復以上增加旋轉馬達的相關步驟，增加夾爪運動、馬達位置等相關設定。仿真時間設置10 s，點擊左側計算進行仿真計算。計算完后，點擊結果和圖解選項選擇位移，速度選擇線性速度，方向為Z分量，選擇夾爪頂點，生成運動曲線。

3.2 運動仿真結果

在SolidWorks 左下角結果中右擊圖解。選擇顯示圖表，顯示線性速度、線性位移曲線，如圖7、圖8所示。

將設計的采摘末端執行器導入運動仿真分析軟件中，繪制末端執行器在運行過程中的速度和位移曲線，曲線平滑無明顯沖擊，表明末端執行器運行平穩、零件無干涉。

4 結論

本文以鮮棗采摘末端執行器裝置為研究對象，采用SolidWorks 軟件對末端執行器進行零件建模和仿真，并結合機械設計知識，對各零件尺寸和參數進行計算，各零件配合良好，材料選擇滿足強度要求。最后利用SolidWorks運動仿真分析軟件對末端執行器進行運動仿真，結果表明，末端執行器能夠順利進行開合和抓取，并且運動曲線平滑，表明各部件之間運轉正常，零件無干涉現象。本末端執行器的研究為鮮棗采摘機器人的研發提供了理論借鑒。

圖7 末端執行器在Z方向的線性速度曲線

圖8 末端執行器在Z方向的線性位移曲線