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　　菠蘿采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)果實(shí)精準(zhǔn)化、智能化收獲是現(xiàn)代果業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向之一。提出了一種由夾持機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)組成的菠蘿采摘機(jī)械手。介紹了各主要部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)參數(shù)，利用SolidWorks軟件建立了采摘機(jī)械手的虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。項(xiàng)目研究成果可為中國(guó)現(xiàn)代果園全程機(jī)械化研究提供技術(shù)參考。

菠蘿原產(chǎn)巴西，16世紀(jì)傳入我國(guó)，目前在我國(guó)廣東、福建、海南和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)等地廣泛種植，其中廣東和海南是我國(guó)主要菠蘿種植產(chǎn)區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)菠蘿種植面積約6.67萬hm2，年總產(chǎn)量155萬t，年產(chǎn)值達(dá)47億元，已成為我國(guó)最具特色和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的熱帶水果之一。

但是目前菠蘿種植過程全程機(jī)械化程度較低，尤其是收獲環(huán)節(jié)，由于菠蘿果實(shí)生長(zhǎng)在蓮座狀葉叢中心，傳統(tǒng)機(jī)械化收獲手段容易造成果實(shí)和果樹的損傷，嚴(yán)重影響菠蘿品質(zhì)和銷售價(jià)格，因此多數(shù)地區(qū)仍然采用人工收獲方式。但是菠蘿成熟時(shí)果皮堅(jiān)硬且?guī)в忻⒋?，葉緣密布鋒利銳齒，人工采摘不僅勞動(dòng)量大，還容易造成手部傷損，導(dǎo)致收獲高峰期雇傭采摘人手困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，菠蘿采收作業(yè)成本占到菠蘿生產(chǎn)總成本40%左右。

因此，研究開發(fā)菠蘿采摘的機(jī)械手及配套裝備，對(duì)減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度、提高現(xiàn)代果業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)菠蘿采摘機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。

Li Bin等提出利用機(jī)器視覺識(shí)別田間菠蘿果實(shí)方法；Xia H M等提出基于雙目機(jī)器視覺的菠蘿田間定位與采摘運(yùn)輸方法，并對(duì)菠蘿采摘混聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；胡杰文等、張日紅等和施俊俠等設(shè)計(jì)出一種菠蘿自動(dòng)采摘機(jī)并進(jìn)行了相關(guān)的仿真與優(yōu)化；陳章恒等設(shè)計(jì)出一種菠蘿采摘車，采用特殊收集裝置將菠蘿引導(dǎo)并切斷；吳沛晟等提出了一種實(shí)用化采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路。上述研究對(duì)菠蘿的機(jī)械化采摘提供了良好的支撐，但是目前研究多是方案理念，沒有相關(guān)實(shí)用樣機(jī)或者田間試驗(yàn)的報(bào)道。

該文研制的菠蘿采摘機(jī)械手，針對(duì)菠蘿自身的結(jié)構(gòu)特征，通過夾持機(jī)構(gòu)與刀組，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采摘菠蘿，避免人工采摘過程中的刺傷，并且通過傳感器與擋板的配合設(shè)計(jì)減少對(duì)成熟菠蘿果實(shí)的損傷，菠蘿采摘機(jī)自動(dòng)化控制能夠有效解決勞動(dòng)力缺乏的現(xiàn)狀。

1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的菠蘿采摘機(jī)械手工作時(shí)，需安裝在機(jī)械臂上，機(jī)械臂安裝在能夠在菠蘿田中行走的機(jī)器上，如拖拉機(jī)、田間行走機(jī)器人等，從而實(shí)現(xiàn)完整的菠蘿果實(shí)采摘系統(tǒng)。

圖1 菠蘿采摘機(jī)械手

菠蘿采摘機(jī)械手由夾持機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)3部分組成，如圖1所示。夾持機(jī)構(gòu)包括伸縮步進(jìn)電機(jī)、伸縮絲杠、伸縮絲杠滑塊、承載臂、移動(dòng)菠蘿擋板和固定菠蘿擋板等，主要用于固定菠蘿位置。剪切機(jī)構(gòu)包括切割切刀、剪切支架和齒輪齒條傳動(dòng)系，通過旋轉(zhuǎn)切割刀片將菠蘿切下。支撐機(jī)構(gòu)主要由支撐臂、步進(jìn)電機(jī)、絲杠、前進(jìn)絲杠滑塊、滑道滑塊和滑道等組成，主要用于連接機(jī)械臂與機(jī)器。

1.2工作原理

裝置整體運(yùn)行流程如圖2所示。

工作人員操作機(jī)械臂，控制菠蘿采摘裝置移動(dòng)到使菠蘿處于兩菠蘿擋板之間，前進(jìn)步進(jìn)電機(jī)通過前進(jìn)絲杠驅(qū)動(dòng)承載臂帶動(dòng)整個(gè)末端裝置使固定菠蘿擋板接觸到菠蘿并貼緊，然后控制伸縮步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)伸縮絲杠帶動(dòng)移動(dòng)菠蘿擋板向菠蘿一側(cè)運(yùn)動(dòng)，直至前進(jìn)菠蘿擋板與菠蘿接觸并貼緊。

彈簧連接在彈簧擋板與菠蘿擋板之間，彈簧擋板是固定的，菠蘿擋板可以繞軸運(yùn)動(dòng)，并在彈簧作用下歸位，這樣的設(shè)計(jì)可以使裝置在適合不同形態(tài)菠蘿的同時(shí)，將菠蘿更好地固定，可以有效避免損傷到菠蘿果實(shí)。

圖2菠蘿采摘工作流程

剪切機(jī)構(gòu)如圖3所示。動(dòng)力來源于剪切步進(jìn)電機(jī)，在夾持機(jī)構(gòu)夾緊菠蘿果實(shí)后，剪切步進(jìn)電機(jī)通過齒輪齒條帶動(dòng)剪切刀片向前運(yùn)動(dòng)，剪切刀片在剪切步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下一直轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的剪切刀片運(yùn)動(dòng)到果柄位置時(shí)將其切斷，切割刀片運(yùn)動(dòng)到極限位置自動(dòng)歸位，完成切割。

切割刀片歸位后，移動(dòng)菠蘿擋板歸位，菠蘿果實(shí)掉落。工作過程可實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化采摘，解放了大量的勞動(dòng)力，同時(shí)避免了人與菠蘿果實(shí)的直接接觸，將果實(shí)對(duì)工人的傷害降到最低。

圖3菠蘿采摘執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

2主要部件設(shè)計(jì)

2.1夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由承載部分、擋板部分和控制伸縮部分組成。裝置工作時(shí)，固定菠蘿擋板處于固定位置，移動(dòng)菠蘿擋板與絲杠上的滑塊螺母連接，當(dāng)裝置運(yùn)動(dòng)致使菠蘿處于兩擋板之間時(shí)，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下通過絲杠上的滑塊螺母帶動(dòng)前端擋板向菠蘿一側(cè)運(yùn)動(dòng)，直至兩擋板與菠蘿緊密結(jié)合。彈簧可以控制擋板的上下活動(dòng)角度，以便于適應(yīng)不同生長(zhǎng)狀態(tài)的菠蘿，避免損傷菠蘿表面和根部。

1.伸縮絲杠2.伸縮絲杠滑塊3.軸承座4.承載臂橫梁5.彈簧支架6.彈簧擋板7.彈簧8、9.移動(dòng)菠蘿擋板10.伸縮步進(jìn)電機(jī)11.承載臂

圖4夾持裝置結(jié)構(gòu)

2.2剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

切割裝置由剪切支架、齒條齒輪組、剪切步進(jìn)電機(jī)、齒輪盒和剪切刀片5部分組成，如圖5所示。剪切支架固定在承載臂上，剪切刀片旋轉(zhuǎn)切割運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)全部由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。

切割刀片一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)屬于間歇運(yùn)動(dòng)。當(dāng)擋板夾緊菠蘿果實(shí)之后，會(huì)給切割裝置的步進(jìn)電機(jī)傳輸信號(hào)，切割刀片通過齒輪與齒條的配合使刀片前進(jìn)進(jìn)行切割，當(dāng)達(dá)到固定位置之后刀片做反向歸位運(yùn)動(dòng)。刀片的切割半徑大于菠蘿的根部直徑，刀片到達(dá)固定位置時(shí)可以保證將菠蘿根部切斷。

1.齒條2.剪切支架3.剪切刀片4.齒輪盒5.步進(jìn)電機(jī)

圖5剪切裝置結(jié)構(gòu)

2.3支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐部分如圖6所示，主要功能是連接菠蘿采摘裝置與田間作業(yè)裝置，裝置安裝在機(jī)器上進(jìn)行田間菠蘿采摘。支撐臂上裝有步進(jìn)電機(jī)，通過滑道和滑塊連接承載臂，承載臂可以在支撐臂上前后移動(dòng)以尋找合適的套入位置。承載臂的移動(dòng)通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)承載臂的滑移?；啦捎?根滑道的滑移方式，即增加了承重能力，同時(shí)也提高了承載臂的運(yùn)行平穩(wěn)性。

1.承載臂2.滑道支撐座a3.滑塊4.滑道5.滑道支撐座b

6.絲杠滑塊7.步進(jìn)電機(jī)8.支撐臂

圖6支撐裝置結(jié)構(gòu)

3主要技術(shù)參數(shù)確定

裝置的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)定是為了能順利將菠蘿果實(shí)夾緊并順利剪切。主要技術(shù)參數(shù)示意如圖7所示。

圖7主要技術(shù)參數(shù)示意

3.1夾持距離

裝置的夾持機(jī)構(gòu)為2個(gè)菠蘿擋板，固定菠蘿擋板固定不動(dòng)，移動(dòng)菠蘿擋板在伸縮步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下向固定菠蘿擋板一側(cè)靠攏。根據(jù)測(cè)量，一般菠蘿果實(shí)的直徑在10～20 cm，因此，設(shè)計(jì)兩菠蘿擋板中心位置距離L=30 cm，足以順利將菠蘿套入，實(shí)施夾持。

3.2擋板高度

一般菠蘿果實(shí)的高度在10～17 cm，因此，設(shè)計(jì)的擋板上下寬度H=10 cm，足以將菠蘿1/2以上的高度包圍，有利于擋板與果實(shí)更好貼合，便于對(duì)果柄的剪切。

3.3刀片半徑

菠蘿果實(shí)果柄直徑一般在5～8 cm，因此，設(shè)計(jì)剪切刀片的半徑為R=9 cm，足以將菠蘿果實(shí)果柄切斷，保證菠蘿果實(shí)的順利采摘。

3.4伸縮距離

菠蘿果實(shí)被夾緊后，果實(shí)緊貼固定菠蘿擋板。齒條長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為S=30 cm，剪切刀片通過齒輪齒條配合前進(jìn)的行程S大于菠蘿果實(shí)半徑與果柄半徑之和，在菠蘿順利套入后可以保證將根部完全切斷。

4樣機(jī)試驗(yàn)

2018年5月27—29日，在廣東省中山市小欖鎮(zhèn)進(jìn)行了菠蘿采摘機(jī)械手的田間試驗(yàn)，試驗(yàn)樣機(jī)如圖8所示，田間示范試驗(yàn)如圖9所示。

圖8試驗(yàn)樣機(jī)

圖9采摘試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置對(duì)于果實(shí)夾持位置的判斷準(zhǔn)確率達(dá)到90%，裝置在試驗(yàn)過程中能夠準(zhǔn)確地下移到需要夾持菠蘿的位置。果實(shí)夾持力度的設(shè)置將果實(shí)損傷率降低到5%，基本沒有出現(xiàn)損傷果實(shí)的現(xiàn)象。

試驗(yàn)存在的問題是裝置在田間運(yùn)作比較依靠田間行走裝置的穩(wěn)定性，主要原因一是裝置需要依靠田間行走裝置達(dá)到相對(duì)于菠蘿果實(shí)水平的位置，二是在田間行走過程中，需要保證裝置不被損壞。

設(shè)計(jì)了一種可與田間行走裝置結(jié)合的菠蘿采摘機(jī)械手，并完成樣機(jī)制作，田間試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)良好。裝置能夠很好地與田間行走裝置結(jié)合，結(jié)構(gòu)緊密，系統(tǒng)可靠，能夠完成菠蘿的自動(dòng)化采摘工作，既能保證不損傷菠蘿果實(shí)與植株，也能夠有效地提高效率，解放勞動(dòng)力，在菠蘿種植地區(qū)有廣大的經(jīng)濟(jì)效益。

（作者：李道義 陳雷 尚小龍 王梓超 王威 楊旭龍）