紅花柔性夾取裝置設計與試驗

摘要：針對紅花人工采收勞動強度大、切割式采收破損率高等問題，設計一種仿形抓取的紅花柔性夾取裝置，該裝置采用連桿機構模擬人手抓取拉拔動作，利用彈簧預緊力實現花絲低損柔性夾取，并基于VB參數化編程，優化夾取機構設計。通過對夾花板夾持力的計算分析，設計柔性機構，降低花絲破損率。通過Adams軟件進行運動學仿真分析，驗證夾取機構運動滿足花絲夾取要求。搭建試驗平臺并進行對比試驗。結果表明，紅花柔性夾取裝置的采凈率為94.76%，破損率為2.53%，相比切割采收方式采凈率提高1.55%，破損率降低1.15%。紅花柔性夾取裝置滿足紅花采收作業要求，有效降低花絲破損率。研究結果可為紅花產業進一步機械化發展提供技術參考。

關鍵詞：紅花；柔性夾取裝置；Adams仿真；采凈率；收獲機械

中圖分類號：S223.2""""""文獻標識碼：A""""""文章編號：2095?5553"（2025）"02?0014?06

Design and test of flexible clamping device for safflower

Yang Shuangping， Ye Yunxia， Guo Gang， Zhang Yi

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830000， China）

Abstract： Aiming at the problems of high labor intensity and high breakage rate in manual harvesting of safflower， a kind of flexible clamping device for safflower with copying and grasping was designed. The device uses linkage mechanism to simulate manual grasping and drawing action， and uses spring pre?tightening force to realize flexible clamping of filaments with low loss.And optimize the design of clamping mechanism based on VB parametric programming. Through the calculation and analysis of the clamping force of the clamping plate， a flexible mechanism is designed to reduce the breakage rate of filaments. Through the Adams software kinematics simulation analysis， it is verified that the movement of the clamping mechanism meets the requirements of filament clamping. The experimental platform was set up and the comparative experiment was carried out. The results showed that the removal rate of safflower flexible clamping device was 94.76%， and the breakage rate was 2.53%. Compared with cutting harvesting method， the removal rate increased by 1.55% and the breakage rate decreased by 1.15%. Safflower flexible clamping device meets the requirements of safflower harvesting operation and effectively reduces the breakage rate of filaments. The research results can serve as a valuable technical reference for the advancement of mechanization in the safflower industry.

Keywords： safflower; flexible clamping device; Adams simulation; removal rate; harvesting machinery

收稿日期：2023年9月26日""""""" 修回日期：2023年11月30日

? 基金項目：新疆維吾爾自治區自然科學基金資助項目（2022D01B30）

第一作者：楊雙平，男，1995年生，甘肅武威人，碩士，講師；研究方向為農業機械化裝備。E?mail： ysp845@126.com

0 引言

紅花是一種集藥材、染料、香料于一體的經濟作物[1]，具有極高經濟價值。新疆的紅花配套產業是其主要經濟支柱之一[2]。然而，傳統手工采摘方式效率低，成本較高，已經無法滿足現代農業大規模、高效益的生產需求。隨著農業科技的不斷發展，機械化收獲成為現代農業生產的重要手段[3]。因此，研究紅花的機械化收獲技術對提高生產效率和降低生產成本具有重要意義。

目前，紅花機械化采收形式主要分為切割式采收、拉拔式采收和機械臂采收[4]。前兩種主要是人工采收輔助裝置，需要人力背負完成采收作業，區別在于末端執行器不同。切割式采收主要依靠刀具對花絲進行切斷采收，雙動對切式可控性好[5]，裁剪抓取式收集效果顯著[6]，旋轉剪切式效率高[7]，但均存在花絲破損率較高的問題。拉拔式采收是將花絲從花球上拉拔下來，可在一定程度上提高花絲完整度，但三手指拉拔花絲效率不高[8]。梳夾式拉拔采收作為盲采形式缺乏有效定位輔助，還在研究階段[9， 10]。機械臂采收主要依靠紅花采摘識別[11]、并聯機械臂[12]、紅花花冠檢測定位[13]等形式對花絲進行識別定位采收，其末端執行器可按照需求自由選擇切割或拉拔形式。該形式理論上可在根本上降低勞動強度，但由于紅花種植地形特殊、植株長勢奇特、且裝置成本較高，還處于試驗研究階段，未能大面積推廣。

針對紅花人工采收強度大，切割采收破損率高等問題，本文模擬人手抓取動作，設計一種紅花柔性夾取裝置。通過理論分析設計夾取機構，基于VB進行參數化編程優化桿件，仿真分析機構運動特性，搭建試驗裝置，進行試驗驗證，以期為紅花產業機械化發展提供理論幫助。

1 結構與工作原理

1.1 整體結構

紅花柔性夾取裝置（圖1）主要包括夾花機構、動力輸送機構、輔助采收機構。夾花機構主要包括夾取臂、拉動桿、彈簧等，是對花絲進行夾取和拉拔的關鍵部件。動力輸送機構由電機、偏心圓盤、連桿、活塞桿等組成，安裝在夾花機構上方，為夾花機構運動提供動力。輔助采收機構由固定槽、護罩等組成，護罩包覆在夾花機構外側，在夾花機構周圍形成較為密閉的腔體，固定槽安裝在夾花板下方，用于限位花球，輔助夾花部分拉拔采收。

1.2 工作原理

如圖2所示，工作時，將裝置下方固定槽對準紅花，紅花絲通過固定槽上的開口進入花絲夾取位置。電機通過偏心圓盤和活塞桿拉動夾花臂對花絲進行夾取，活塞桿上升時，夾花板持續收緊，在夾緊花絲后，彈簧壓縮，從而避免夾花板對花絲施加剛性力。活塞桿持續上升，彈簧不斷壓縮，拉動臂向上擺動，夾花板夾著花絲到達花絲拉拔位置，并繼續向上運動，但固定槽限制花球向上運動，使得花絲與花球分離。

活塞桿回程時，在花絲夾取位置，夾花板打開，在護罩形成的密閉腔體內負壓氣流的作用下，拉拔下來的花絲沿著負壓氣吸口被輸送到集花箱。

2 關鍵部件設計

2.1 夾取機構設計

紅花柔性夾取裝置中動力輸送機構將電機旋轉運動轉化為活塞桿上下往復運動，夾取機構通過多連桿模擬人手抓取動作，將活塞桿往復運動轉換為夾花臂的夾取和拉拔運動。如圖3所示，由于拉動臂實際安裝位置與中線位置較為相近，為計算方便，將拉動臂安裝位置近似到中線位置。簡化后柔性夾取機構包括拉動臂、夾取臂和拉動桿，拉動臂在扭轉彈簧預緊力作用下，張開角度θ1，拉動桿一端跟隨活塞桿向上運動，在扭轉彈簧預緊力和限位塊作用下，夾取臂上端連接拉動臂而相對固定，夾取臂下端收緊，夾緊花絲。隨著活塞桿不斷上升，夾取臂夾緊花絲到極限位置，此時，扭轉彈簧壓縮，拉動臂向上擺動到角度θ2，在拉動桿作用下，夾取臂夾著花絲向上運動，完成花絲拉拔作業。

為順利完成花絲拉拔作業，要求夾花板在夾緊花絲后運動的高度h3不低于試驗測定的花絲拉拔行程，即夾花板運動行程[h3=A1C1-A2C2]。

為滿足花絲拉拔要求，夾花板夾緊花絲后的拉拔行程[h3≥15]"mm，為減輕勞動強度，裝置盡量設計小巧，綜上，a的長度取20"mm，拉動臂運動極限位置夾角[θ1]取60°，[θ2]取30°，代入式（1）、式（2），計算可得[17.3≤b≤19.6]，本次設計中取b為18"mm。

記活塞桿帶動拉動桿D點運動的行程為H，則有[H=A0D0-A2D2]。

為便于花絲進入夾花區域，夾花板預設的最大張開行程須大于紅花花簇的平均直徑，即[B≥25]"mm，c、kb分別取15"mm、13"mm，代入式（3）、式（4），計算可得所需活塞桿的運動行程[H≥8.67]"mm，本次設計取偏心圓盤的偏心距為4.5"mm。

為進一步優化夾取機構，VB對機構桿件進行參數化編程，如圖4所示，可在參數輸入區調節連桿長度、擬設機具寬度等參數，圖形顯示區實時顯示機構運動效果，在運動一個周期后，參數輸出區顯示拉拔所需高度等參數。

在設計值附近調整參數取值，查驗參數輸出結果是否滿足設計要求，選取最優值。當夾取機構a、b、c、kb參數分別為20"mm、18"mm、15"mm、13"mm，偏心圓盤偏心距為4.5"mm時，夾花板運動軌跡先迅速收緊，后在豎直方向上移動，收緊后向上移動的距離為18.47"mm，滿足拉拔花絲的設計要求。

2.2 夾花板設計

夾花板以一定角度安裝在夾取臂下端，當夾取臂收緊開始接觸花絲時，此時要求夾花板內曲面恰好與花絲完整接觸，即此時夾花板安裝角度與夾取臂在豎直方向的角度一致，為[a1]。夾花板長度要求完整包覆花絲以增大接觸面積，提高采凈率降低花絲損傷。

將設計值代入式（5），計算可得夾花板安裝角度[a1]為33.75°。在執行夾取作業時，夾花板在圓周上均布3組，相互配合，對花絲進行仿生抓取，如圖5所示，在夾緊后要求直徑[D1]小于花絲簇直徑，確保順利夾緊花絲，且不能過小，以免與花絲接觸面積減少，夾不住花絲。設計中取夾緊后直徑[D1]為5"mm，夾花板高度h取10"mm。

2.3 柔性機構設計

彈簧是紅花柔性夾取裝置工作的重要部件，安裝在上蓋固定板和拉動臂之間，要求拉動臂在受到一定程度的力后，能夠帶動夾取臂向上運動，夾取花絲并將其拉拔下來。因此，選用扭力彈簧安裝在該位置，其中軸線繞著拉動臂上鉸鏈，安裝時扭簧存在預緊力，與限位塊配合后短時相對靜止。接觸到花絲后，隨著夾取臂不斷運動，夾花板對花絲的夾持力不斷增大至F夾1，此時扭簧開始被繼續壓縮，直至夾花板將花絲從花球上拉拔下來，此時夾花板對花絲的夾持力達到最大值為F夾2，如圖6所示。若扭簧選取剛度過大，則不能很好保護花絲，容易造成花絲損傷，扭簧剛度過小，不能有效夾緊花絲，將導致采凈率降低，甚至裝置失效。因此，合理選擇扭簧參數是柔性夾取機構正常工作的關鍵。

作業過程中要求夾花板對花絲的作用力F小于致使花絲損傷的剛性力F損，且大于能夠有效夾取花絲的最小夾持力F夾。則對剛開始夾取花絲時，夾持力F夾1需滿足式（6）。

前期試驗測定能夠保證紅花絲不被夾損的最大夾持力[F損]為28.5"N，即有[F夾2lt;F損]，將參數代入式（15），計算可知扭轉彈簧的圈數[ngt;4.23]，因此，本次設計中取扭轉彈簧圈數為4.3，此時扭轉彈簧的初始角恰好為120°，滿足設計要求。

3 運動仿真

3.1 仿真設計

為驗證紅花夾取機構的運動特性，利用Adams軟件對機構進行運動仿真。根據設計參數，在Adams中建立如圖7（a）所示的連桿模型，此時夾取臂完全張開，偏心圓盤位于最低點，拉動臂與水平面角度為60°。建立如圖7（b）所示的連桿模型，此時夾取臂完全收緊，之后做豎直方向的移動。

紅花柔性夾取裝置的工作頻率取80次/min，圓盤每秒轉動480°，轉動一周需要0.75"s，仿真時設置偏心圓盤的驅動函數為-480"d×time。

3.2 仿真結果分析

夾取階段仿真終止時間設置為0.2"s，在夾取臂末端測量x方向的位移和速度，結果如圖8所示。夾取點在x方向行程為15"mm，工作時在豎直方向均布3組，夾花板張開直徑大于25"mm，花絲可順利進入夾取區域。在0.2"s內夾取點運動位移至零點，夾取點速度平緩增大后逐漸降低，0.185"s時達到極值0.18"m/s，可迅速夾緊花絲。

拉拔階段終止時間設計為0.2"s，在夾取臂末端測量y方向的位移和速度，結果如圖9所示。夾取點在y方向的位移變化量為10"mm，夾緊花絲后在固定槽的作用下，可順利將花絲拉拔下來。夾取點拉拔瞬時y方向速度為0.15"m/s，可迅速拉斷花絲，后夾取點速度逐漸降低至零并反向運動，夾取臂下降并張開夾花板，釋放拉拔下來的花絲，開始下一次作業。

4 驗證試驗

4.1 試驗方法

2023年8月以新疆地區廣泛種植的無刺紅花作為試驗材料，在新疆奇臺縣南溝村開展試驗。試驗材料的花株平均高度約為980"mm，開花后1～3天內的紅花花球直徑大小約為15"mm，花絲平均長度約為12"mm。為驗證柔性夾取裝置的采收性能，選取衡量采收程度的采凈率和衡量采收質量的破損率作為主要指標。

1）"采凈率y1：由裝置采收下來的花絲質量在采收過程中接觸到花絲總質量中的占比。

[y1=m1/（m1+m2）]×100% （16）

式中： m1——紅花柔性夾取裝置采收下來的紅花質量，g；

m2——采收過程中未被裝置采收下來的紅花質量，g。

2）"破損率y2：由裝置采收下來的花絲中有明顯破損花絲質量的占比。

y2=（m3/m1]×100% （17）

式中： m3——裝置采收下來的花絲中有明顯破損的花絲質量，g。

為確保試驗數據的準確性和可靠性，將試驗分為6組，分別在不同時間段進行（不同時間段內，花絲含水率不同），每組試驗進行10次，取平均值。每采收100個花球記為1次試驗，并分別對集花箱、花球上殘留花絲、集花箱中有明顯破損的花絲稱重記錄。在同時段，選用切割式采收裝置進行對比試驗，并分別記錄每次采收試驗所耗費的時間，試驗過程如圖10所示。

4.2 試驗結果與分析

經多次對比試驗并取平均后得到以下6組試驗的采凈率和破損率，如表1所示，紅花柔性夾取裝置的平均采凈率為94.76%，破損率為2.53%，相比切割采收方式采凈率提高1.55%，破損率降低1.15%，單次采收試驗的采收時間僅延長了0.05"min。

從表1可以看出，采收時間從早到晚的過程中，柔性夾取裝置的采凈率不斷增大，在下午16：00時逐漸降低，破損率平穩在16：00時增大。主要原因是清晨紅花花絲含水率較大，柔性夾取花絲后，花絲易粘結，負壓收集存在困難，導致采凈率較低，但此時花絲不易損傷。隨光照和氣溫升高，花絲含水率降低，易于收集，花絲采凈率增大。經過一日光照高溫，16：00時花絲含水率較低，此時花絲在拉拔時易斷裂，導致花絲采凈率降低，破損率上升。因此適宜柔性夾取裝置采收紅花花絲的時間為14：00—16：00。

5 結論

針對新疆地區紅花花絲人工采收勞動強度大，切割式采收花絲破損率高等問題，模擬人手抓取動作，設計一種柔性夾取裝置。

1）"通過仿形抓取動作，理論分析計算，設計夾取機構的連桿長度分別為20"mm、18"mm、15"mm、13"mm，偏心圓盤的偏心距為4.5"mm，基于VB參數化編程，優化夾取機構，驗證在該參數下，夾花板夾取花絲后拉拔行程為18.47"mm，滿足拉拔花絲要求。

2）"分析夾取機構對花絲的加持力大小，依據花絲夾取所需的加持力、夾取機構的運動特性，選用彈性模量為2.1×107"kPa，線徑為1"mm，中徑為5"mm，初始張開角為120°，圈數為4.3的扭轉彈簧作為柔性夾取機構的關鍵部件。

3）"對夾取機構進行運動學仿真分析，驗證夾花板運動滿足花絲夾取要求。對柔性夾取裝置進行試驗驗證，得到采凈率為94.76%。破損率為2.41%，滿足采收要求，為紅花機械化采收機具的設計提供參考依據。

參 考 文 獻

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