青皮核桃擠壓式撿拾機構的設計與試驗*

陜 巖 ， 徐道春

（1.北京林業大學工學院，北京 100083；2.林業裝備與自動化國家林草局重點實驗室，北京 100083）

0 引言

核桃又稱胡桃，與杏仁、腰果和榛子一起被稱為四大干果[1-2]。中國居世界核桃生產國首位，核桃種植業已成為很多地區農民增收致富的支柱產業[3-4]。隨著種植成本提高和果園種植規模化，核桃采收的機械智能化需求逐漸增強。國外采收通過振動落果機將核桃振落，集中成條后由撿拾機將其收集[5]。由于我國多數地區的核桃樹只能種植于淺山丘陵地區，這類機械體積龐大，不適用于我國[6]。

將智能機器人應用在農林作業中，國內外學者已有大量的研究[7-9]。目前應用于農林作業的末端執行器主要為真空吸附、柔性機械手等[10-12]。其中，真空吸附主要應用于表面光滑的目標，如甜椒等，而青皮核桃表面較粗糙，對吸附力要求較高；柔性機械手普遍應用于體積較大且位置復雜的目標，如蘋果、番茄等，而青皮核桃掉落環境簡單，數量多。至今，現有的末端執行器雖然對智能機器人在農林領域的應用起到推動作用，但針對青皮核桃收集的研究很少。上述研究無法應用于核桃收集的核心問題在于作業環境與目標數量的差異較大，因此課題組提出了一種擠壓式的青皮核桃撿拾機構，該機構控制難度低、與機械臂集成度高，可為后期青皮核桃撿拾機器人的整體設計提供技術支持。

1 撿拾機構的設計

1.1 青皮核桃物理參數

撿拾機構關鍵部件設計以青皮核桃的物理參數為依據。本文選擇陜西黃龍的青皮核桃，其品種為香玲，外形呈橢球形，青皮核桃三維尺寸如圖1 所示。隨機選擇青皮核桃樣品100 個，分別測定其橫徑、縱徑、棱徑、質量等物理參數。其中，青皮核桃橫徑a是核桃沿著短軸方向的最大尺寸，縱徑b是核桃沿著長軸方向的最大尺寸，棱徑c是核桃沿著縫合線短軸方向的最大尺寸[13]，具體參數如圖2 所示。數據顯示，果實最大外形尺寸（a×b×c）為45.74 mm×54.53 mm×48.18 mm，最小外形尺寸（a×b×c）為41.76 mm×45.03 mm×43.45 mm，本文只考慮撿拾橫徑范圍為30 mm～60 mm 的青皮核桃，其他特例不在本文考慮范圍內。

選取30 個成熟果實對其進行測量計算，采用近似球度公式來表示青皮核桃的外觀特征，由公式（1）得到青皮核桃平均球度系數為0.94。由此定義青皮核桃模型為標準長橢球體，果實表面任意一點的坐標（x，y，z）滿足公式（2）。

式中，Sp為球度系數，%；a為青皮核桃橫徑，mm；b為青皮核桃縱徑，mm；c為青皮核桃棱徑，mm；Dmax為最大直徑，mm。

1.2 主要技術參數及工作原理

末端執行器是實現撿拾操作的主要執行部件。其結構設計將影響其撿拾的工作空間以及運動的靈活性和穩定性，這對整個智能撿拾的實現起著決定性作用[14-17]，因此對其進行尺寸參數計算，最終得到理想參數：撿拾葉片的長度為35 mm，撿拾葉片末端滾輪長度為18 mm，撿拾葉片和基座連接銷軸與基座中心的長度為35 mm，撿拾葉片與基座的夾角為50°。當撿拾葉片處于初始狀態時夾持范圍最小，此時夾持直徑為30 mm，當撿拾葉片繞銷軸的轉角為40°時，有效夾持范圍達到最大，此時夾持直徑為60 mm。

根據青皮核桃末端執行器撿拾葉片的運動特點，它的抓持模式為夾持，即由3 個撿拾葉片的末端夾住目標物體，依靠末端與物體之間的摩擦力克服物體重力實現抓取。基于上述理想情況的描述對青皮核桃撿拾末端執行器夾持模型進行受力分析，如圖3所示。

圖3 不同階段撿拾機構受力分析

在空載階段中，如圖3（a）所示，撿拾葉片和滾輪的重力與連接架壁提供的支持力和扭力彈簧產生的扭力所抵消，使撿拾葉片固定在初始位置，此時受力滿足公式（3）。

式中，Fa12為銷軸對撿拾葉片的拉力，N；G為撿拾機構重力，N；M0為扭力彈簧產生的扭矩，N·m；Fa32為機架對撿拾葉片的支持力，N；θ1為重力與撿拾葉片垂線夾角，°；x1為撿拾葉片重心距銷軸長度，mm；x2為機架對撿拾葉片支持力作用點距銷軸長度，mm。

在擠壓階段中，如圖3（b）所示，要保證撿拾葉片能夠被青皮核桃撐開，使得青皮核桃順利進入到撿拾機構內，則需要保證撿拾葉片及滾輪重力和核桃對滾輪的接觸力沿垂直于撿拾葉片平面的分力大于扭力彈簧產生的扭力，此時受力滿足公式（4）。

式中，Fb12為銷軸對撿拾葉片的支持力，N；G為撿拾機構重力，N；Fb42為青皮核桃對撿拾葉片的支持力，N；M0為扭力彈簧產生的扭矩，N?m；θ2為重力與撿拾葉片垂線夾角，°；α為Fb42與水平線的夾角，°；x為撿拾葉片長度，mm；r為滾輪半徑，mm；xb0為撿拾葉片重心距銷軸長度，mm。

在過渡階段中，如圖3（c）所示，此時青皮核桃已被撿起，要保證撿拾機構的撿拾葉片能夠正常關閉，需要保證青皮核桃、撿拾葉片及滾輪的重力小于扭力彈簧產生的扭力，此時受力滿足公式（5）。

式中，Fc12為銷軸對撿拾葉片的拉力，N；G為撿拾機構重力，N；Fc42為青皮核桃對撿拾葉片的壓力，N；M0為扭力彈簧產生的扭矩，N?m；β為Fc42與水平線的夾角，°；x為撿拾葉片長度，mm；r為滾輪半徑，mm；xc0為撿拾葉片重心距銷軸長度，mm。

通過計算可以得出，扭力彈簧圈數范圍為6～28，結合實際成本，選取圈數為10 和20 的扭力彈簧進行后續仿真分析和試驗。青皮核桃撿拾末端執行器整體結構如圖4 所示，主要包括：與自主設計的機械臂相連接的連接架、基座、暫存空腔、撿拾葉片、滾輪、扭力彈簧、銷軸等。青皮核桃撿拾機構工作過程及原理如圖5 所示。在擠壓過程中，撿拾葉片末端的滾輪接觸青皮核桃，隨著機械臂的下降，兩者間壓力逐漸增強，撿拾葉片繞銷軸線旋轉，青皮核桃逐漸進入撿拾機構的空腔中，當青皮核桃的赤道面高過滾輪軸線后，扭力彈簧的扭力作用從阻力轉化為動力，這一階段為過渡過程；當青皮核桃全部高于滾輪軸線時，此時葉片末端的滾輪脫離青皮核桃表面，撿拾葉片恢復到初始角度，撿拾機構閉合，完成撿拾工作，準備下一個工作周期。

圖4 末端執行器結構

2 動力學仿真分析

2.1 仿真模型建立

通過數學建模確定了末端執行器結構參數，進一步采用Adams 多體動力學軟件進行仿真分析，獲取該參數下末端執行器的運動和動力性能。由于果實表面不同位置彈性模量和剛度均有不同，實際撿拾問題變得非常復雜，仿真中采用球形模型代替類球形果實，將撿拾機構觸碰果實的過程理想化。本文為探討該末端執行器在撿拾運動過程中各部件運動和動力學性能以及撿拾機構與果實之間力的關系，采用球形模型模擬實際果實進行仿真，可觀測該設計參數下撿拾機構運動和輸出力的情況，并作為該末端執行器的運動特性。

2.2 仿真結果分析

動力學分析中，在連接架上設置固定力進行仿真，獲取滾輪部件質心點的豎直方向位移變化曲線及接觸點受力變化曲線，探究不同運行速度和不同圈數扭力彈簧對撿拾效果的影響。

撿拾機構仿真位移曲線如圖6 所示，由圖6 可知，不同扭力彈簧圈數對滾輪部件質心點豎直方向位移變化無影響，不同運行速度決定了撿拾工作的效率，整個階段位移和時間量近似于線性關系，這滿足了實際撿拾的設計要求。

圖6 撿拾機構仿真位移曲線

接觸點受力變化曲線如圖7 所示。由圖7 可知：相同運行速度時，隨著扭力彈簧圈數的增多，撿拾過程中的最大接觸力隨之增大，在運行速度為5 mm/s時，彈簧圈數n=10時最大的接觸力約為10.2 N，彈簧圈數n=20 時最大的接觸力約為15.1 N；在運行速度為10 mm/s 時，彈簧圈數n=10 時最大的接觸力約為11.8 N，彈簧圈數n=20 時最大的接觸力約為17.3 N；在運行速度為15 mm/s 時，彈簧圈數n=10 時最大的接觸力約為16.1 N，彈簧圈數n=20 時最大的接觸力約為20.2 N，均發生在撿拾機構剛接觸到青皮核桃時。由此發現在撿拾機構剛接觸到核桃時，會產生較大的接觸力，其余階段雖有上下波動，但遠小于剛接觸時的作用力。通過對比不同運行速度及彈簧圈數下的撿拾機構受力變化，得出運行速度為10 mm/s、彈簧圈數為20 時，撿拾機構與青皮核桃的接觸力相對較小，遠小于材料的強度，且運行速度較快，撿拾效率高，扭力彈簧彈力較大，可以保證機構回彈，且撿拾機構工作具有一定的準確度和穩定性。

3 驗證試驗

利用壓力試驗機與擠壓式青皮核桃撿拾機構連接，方便進行撿拾試驗。通過調節壓力試驗機的運行速度，模擬撿拾機構向下運動的不同速度，驗證撿拾機構設計的合理性，同時測量撿拾機構在撿拾過程中的受力變化，來驗證仿真結果的正確性，撿拾試驗如圖8 所示。由于本文不涉及撿拾機構連接的機械臂部分，假設青皮核桃的位置已給出，質心處在撿拾機構中軸線上，通過控制壓力試驗機位移進行撿拾試驗。

圖8 青皮核桃撿拾試驗

根據仿真結果，選取扭力彈簧圈數為20、運行速度為10 mm/s 進行試驗，選取30 個青皮核桃進行試驗，分為3 組，橫徑范圍分別為41 mm～44 mm、44 mm～47 mm、47 mm～50 mm，測量撿拾過程中撿拾機構受力變化，驗證該機構的撿拾成功率和無損率，受力變化曲線如圖9所示。

圖9 不同尺寸青皮核桃撿拾受力變化曲線

由圖9 可以得出，由于青皮核桃的不同，撿拾過程產生的接觸力不是固定值，撿拾機構在剛接觸到核桃時，接觸力急劇增加，與仿真曲線趨勢相同，接觸力隨時間增加不斷減小，撿拾工作結束時接觸力趨于0 N，由于實際青皮核桃形態各異，撿拾機構與青皮核桃間的接觸力會與仿真結果存在一定差異，數值在4 N～18 N波動。青皮核桃平均撿拾時間約為2.7 s，同時試驗過程中產生的接觸力不會損壞青皮核桃表面，青皮核桃撿拾無損率為98%。

4 結論

本文針對青皮核桃撿拾過程中的重復性工作問題，設計了一種擠壓式青皮核桃撿拾機構，用于代替人工撿拾。對該撿拾機構的設計進行了理論和仿真分析，根據結果對相關結構參數進行了完善，并進行了驗證試驗。本文所獲得的研究結論有：

1）設計的青皮核桃撿拾機構，利用擠壓原理，基座均布3 個撿拾葉片，撿拾葉片的長度為35 mm，滾輪長度為18 mm，撿拾葉片與基座的夾角為50°；

2）運行速度為10 mm/s、彈簧圈數為20 時，整個撿拾階段位移和時間量近似于線性關系，速度波動較小，產生的接觸力較小；

3）青皮核桃平均撿拾時間約為2.7 s，同時試驗過程中撿拾機構產生的接觸力最大為22.3 N，滿足強度要求，青皮核桃撿拾無損率為98%，表明該撿拾機構的設計是可行的。