基于双往复丝杠机构的便携式水果采摘机械的设计

刘丁宁， 赵红霞， 钟昊天， 高国强， 杜克祥， 袁江雄， 唐梦园

（井冈山大学机电工程学院， 江西 吉安 343009）

引言

我国是苹果生产大国，然而，目前绝大部分苹果采用纯手工采摘，效率低下，劳动强度大，需要弯腰或爬高，具有一定的危险性。现有的苹果采摘机械大多功能单一，可靠性差，效率不高，难以满足果农的实际需要。国外发达国家的苹果采摘机械体型大，且价格昂贵，使用技术要求较高，不适合我国作业条件。随着人工成本的提高，果农对水果采摘机械的需求也日益提高。本研究旨在设计一种半自动化便携式水果采摘杆，通过手柄上按钮就能完成水果的采摘工作，对减轻劳动强度、促进苹果产业发展具有重要的应用价值[1]。

1 系统构成及总体工作原理

如图1所示，该机具由采摘机械爪、伸缩杆、手柄、控制器、落果收集及缓冲装置五大部分组成。机械爪的夹持机构关节处装有扭簧，使夹紧力度控制在一定范围内，具有一定的自适应作用，防止对果实造成物理损伤。在靠近伸缩杆的丝杠螺母底端安装了一个微动开关，用于校准机械爪的初始位置，防止机械累积误差。采用肠胃式收集装置，使果实经过缓冲环后储存在收集馕中。

机械爪的运动过程，在伺服电机的驱动下，经过齿轮传动和特殊螺旋传动带动机械爪旋转，使两丝杠螺母完成周期性的旋转和直线运动，通过连杆传动实现机械爪的收缩和扩张。初始状态为张开状态，短按按钮机械爪收缩后扯，碰到微动开关后机械爪张开，使果实通过落果收集及缓冲装置到收集馕中，同时机械爪恢复到初始张开位置，即完成一次采摘任务[2]。

图1 简易总体结构示意图

2 机械爪的传动机构设计

2.1 双往复丝杠机构

往复丝杠在不改变主轴转动方向前提下，使滑块实现往复运动。如下页图2所示，两段往复丝杠可使两丝杠螺母的相对位置不同，形成一种时而远离、时而靠近、时而相对静止的奇妙运动现象。该机械爪的设计也是在此机构的基础上完成的。

2.2 连杆机构

如下页图3所示，连杆机构是用铰链、滑道方式，将构件相互联接成的机构，用以实现运动变换及传递动力。在该产品连杆传动机构的设计中，主要作用是将丝杠螺母的直线相对运动位置来控制末端执行器的开合状态。

图2 双往复丝杠轴（单位：mm）

为实现机械爪的周期运动，本次设计的重点在于往复丝杆在不改变主轴转动方向前提下，使滑块实现往复运动的特点，以尽量使机械爪轻巧、紧凑和运动稳定为原则，合理设计丝杆螺母的外形尺寸以及传动齿轮组的尺寸和位置，然后根据丝杆螺母的位置与安装爪盘后的效果，设计爪盘和三爪夹持机构间的连杆机构。

图3 机械爪总体结构设计图

2.3 末端夹持机构的设计

该采摘机械爪采用三爪夹持机构，如图4所示。采摘环境复杂多变，加之周边枝叶和果实的干扰，在满足抓取任务的前提下三爪能做到结构简洁，同时受力均匀，大大提高了灵活性。末端夹持结构的设计直接影响苹果的采摘效率和损伤程度，在执行器抓牢果实后利用机械爪的旋转拧断果柄。如果利用电极或者切刀直接切断果柄，则对苹果的果柄方位的定位要求较高。结合实际采摘要求，为更加方便采摘作业，提高采摘效率，第一种方案更符合要求。

摘取方式采用包络抓取拧断方式。对于苹果这样的硬度较大、受力形变较小、形状较规则、体积适中的水果，采用包络抓取能稳定地抓住水果，然后采用拧断方式能成功达到无损采摘。

通过采摘手与连杆机构的链接与配合，将导杆的直线运动转化为末端执行器的夹、合运动。采摘手经过一定的外形设计加上特定扭簧的配合，能够较好地降低苹果的损伤率。这样不仅省去了检测果柄这一复杂过程，而且还提高了扭断果柄的准确度和采摘效率，容错率较高[3]。

图4 末端夹持机构整体外形

3 控制系统的设计与分析

该系统使用LQFP48封装的STC11F32XE单片机为主控芯片，主程序主要功能为：检测按键是否被按下及复位。控制器检测到采摘按钮按下后，判断是短按或长按，短按时主程序将进入采摘子程序，采摘子程序会自动控制系统进行采摘作业。完成本次采摘作业后，将继续等待采摘按钮的下一次按下。长按为连续转动，直到触碰到复位开关。

4 结语

该研究就基于双往复丝杠机构的便携式水果采摘机械的设计进行了论述，其关键在于采用包络抓取拧断的摘取方式，往复丝杠的特殊螺旋传动将旋转转化为直线运动，经过连杆传动和两螺母的相对位置使末端夹持机构完成张合动作，与此同时完成机械爪的直线运动。采用欠驱动的方式，用一个电机的转动实现三爪的张合动作、机械爪的升降和转动。这样使结构更加的紧凑，操作更为方便，体积小，便携，可以满足广大果农的日常采摘需求，具有非常广阔的发展前景[4]。