一种苹果采摘机的结构组成与设计

于宝群 赵珊

摘  要：随着我国制造业的高速发展和机械化水平的不断提高，苹果采摘实现机械化是一种必然趋势。苹果采摘是整个苹果生产中最为重要的一个环节。当前苹果采摘大多是以人工为主，同机械化采摘相比费时费力，同时高枝苹果的采摘还具有一定的危险性。因此实现苹果采摘的机械化变得越来越迫切，发展机械化的采摘技术，有助于解放劳动力，提高生产效率，降低生产成本。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景。

关键词：制造业;苹果采摘;采摘机器人;农业机械化

中图分类号：S225          文献标志码：A

1 研究内容

该文设计了一种经济可靠的采摘机，此采摘机虽不能完全解决采摘过程中的所有难题，实现全部自动化，但是却可以解决苹果采摘过程中的部分问题，以减轻果农采摘的艰辛，解放劳动力，提高生产率，降低成产成本。它可以通过机械与电气综合控制系统对机器各部分运转进行准确调控，具有定点多方位采摘、灵活无伤害采摘苹果及安全传送等功能，同时可以提高劳动生产率，解决劳动力不足等问题。

2 采摘机结构介绍

2.1 整体结构

可控式苹果采摘机包括底座、水平旋转机构、俯仰摆转棘轮机构、大臂伸缩及末端执行器。底座是一个剪式升降机，可在竖直方向水平升降，增加机械手的采摘范围。在底座上安装水平旋转机构，水平旋转机构顶端安装俯仰摆动棘轮机构，棘轮机构再与直线电机固接，直线电机后设计连接旋转机构用以连接末端执行器，末端执行器正下方有苹果输送管道。本采摘机利用剪式升降机与模仿人体手臂设计的机械手相结合，充分發挥机械臂的灵活性，使末端执行器能够在水平面和铅垂面内全方位、多角度转动抓取苹果，从而实现车停臂动灵活采摘，性能强、使用方便。

2.2 各部件介绍

2.2.1 机械臂伸缩结构

采用电动推杆实现带动机械臂以及执行器末端的伸缩运动，增加工作行程，同时电动推杆既可以减轻机械臂重量，又可节能。

2.2.2 水平旋转机构

大臂通过一级齿轮传动实现小臂360°转动，齿轮传动精度高、扭矩大。通过旋转力采摘苹果。

2.2.3 末端执行器（爪类型）

材质：塑料橡胶。原理：三爪张开，中心接触苹果，拉紧钢丝爪子收紧抓住苹果，松开钢丝内部弹簧恢复带动爪子张开。其具有质量轻、与苹果软接触、无损伤等特点。

2.2.4 关节（棘轮）

关节指腰部与大臂连接处，并且能够实现一定角度摆动，特点是结构简单、使用灵活、角度可控、手动控制。

2.2.5 腰部

动力源是步进电机。传动方式：一级斜齿轮传动。具有可360°连续旋转、可以任意角度停止、无积累误差、精度高等特点。

2.2.6 剪式升降结构

动力源是24 V直流直线电机。特点是剪式升降具有结构简单，操作灵活，伸缩高度可随意增加，平台面积大，稳定性好。

2.3 操作方法

首先将苹果采摘机放置到要采摘的果树旁，通过底座连接的剪式升降结构、电动推杆、棘轮机构以及一级齿轮啮合机构进行腰部的水平旋转和末端执行器的360°转动，对苹果进行旋转采摘。齿轮传动精度高、扭矩大，通过齿轮转动预定角度，实现定点多方位采摘。苹果采摘机通过钢丝的拉伸对苹果抓取。采摘机具有操作简单、结构灵活、速度可控等特点。通过机械与电气综合控制系统对机器各部分运转进行准确调控，能够对水果精确定位、灵活无伤害采摘及安全传送，同时可以提高劳动生产率，解决劳动力不足等问题。

3 产品特点

产品具有5个特点。1）多自由度机械臂对水果进行多角度灵活夹紧、采摘及安全输送。2）操作简单、结构灵活、速度可控。3）在执行器内侧附着一层软质弹性材料避免抓力对果实的伤害。4）末端工具可以方便拆装，更换为剪刀可摘取橘子、荔枝等水果。5）应用太阳能电池板积蓄能量，给蓄电池充电，提供采摘机电源，循环使用，节省能源。

4 主要零部件设计

4.1 主轴设计（腰部旋转轴）

4.1.1 最小直径确定

材料选用：选45号钢回火。硬度为170～217HBS;抗拉强度бb=570MPa;屈服强度极限бs=285MPa;弯曲疲劳极限б-1=245MPa;剪切疲劳极限τ-1=135MPa;许用弯曲应力[б-1]=55MPa。

圆周扭转强度条件：

（1）

由式（1）可得轴的直径计算公式：

（2）

注：D为轴的直径;Wp为抗扭截面系数;T为扭矩;p为功率;n为转速;τ为实际切应力;[τ]为许用切应力。

联立以上式（1）式（2），代入已知数据解得

D≥23 mm，因轴上有键槽和螺纹，因此最小直径d=27mm。

轴的结构设计（如图1所示）。

第一段：直径d1=27 mm，加工M27×1.5螺纹，装锁紧螺母，l1=34 mm。第二段：螺纹退刀槽d2=23 mm，l2=2 mm。第三段：装齿轮d3=30 mm，l3=44 mm，齿轮配合选G7/h6。第四段：装30206圆锥滚子轴承d3=30mm，l4=17.25mm，轴承配合选K7/h6。第五段：d5=34.6mm，l5=250mm。第六段：装6007深沟球轴承d6=35mm，l6=22.75mm，轴承配合K7/h6。第七段：轴肩d7=41mm，l7=130 mm。第八段：装棘轮机构部分d8=50 mm，l8=100 mm。总长l=600 mm。

注：di为直径li为长度。

4.1.2 压杆稳定性校核

主轴长600mm，将关节大小臂旋转到最大角度可简化为在轴的顶端竖直加一工作力P=2 kN，一端固定，另一端自由，故压杆长度因数μ=2。材料：45钢，屈服极限σs=350MPa，比例极限σp=280 MPa，弹性模量E=210 GPa，长度的l=500 mm，最大工作压力Fmax=2 kN，直径d=24 mm。

（用欧拉公式计算临界应力）

λ≥λ1，

临界压力

因此符合稳定性校核。

注：λ1为压杆柔度的极限值λ为压杆的柔度;i为惯性半径，σcr为临界应力;I为横截面惯性矩;A为截面面积;E为弹性模量。

5 改进方向

当前苹果采摘尚未完全实现自动化，加入智能识别定位系统，去除人工是采摘机发展所要攻克的重要难题。因为工作环境和采摘过程复杂，所以加大行走的自动化，如何做到即走即停、快慢转变、灵活转向是采摘机推广的重要前提。

参考文献

[1]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]王世斌.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]濮良贵.机械设计（第9版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[4]成大先.机械设计图册[M].北京：化学工业出版社，2000.

[5]郭洪红.工业机器人技术[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2006.