菠萝辅助采摘机械臂＊
2019-03-22吴思宇张雨佳王一函
吴思宇，张雨佳，王一函
菠萝辅助采摘机械臂＊
吴思宇，张雨佳，王一函
（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）
由于菠萝树和果实的特殊结构，以及菠萝茎芽的经济价值，目前国内绝大多数的菠萝采摘还是纯手工操作，效率低，易伤害手部。设计了一种新型菠萝辅助采摘机械臂，通过机构组合创新设计实现菠萝掰断和采摘这两个过程，将有效解决菠萝采摘效率低、采摘难的问题，促进菠萝行业发展。
菠萝采摘；剪叉机构；动力特性；剪叉机构
菠萝是最受欢迎的热带水果之一，其果实品质优良，营养丰富，含有大量果糖和维生素，主要种植地区为广东、海南、广西、云南、福建和台湾等。菠萝采摘季节性较强，只有半个月左右的收获高峰期，需要在短时间内及时采摘，菠萝采收成本占据菠萝总生产成本的40%，占比最大。对全国菠萝第一生产县——广东湛江徐闻县进行实地调研和查阅报道、文献等研究资料后了解到，目前全国菠萝采摘仍然以人工采摘为主。在我国，菠萝多以小型农户自发种植为主，注重产量化种植，在不影响菠萝正常生长的情况下，保持较高的菠萝种植密度。菠萝种植田测量行距为50 cm，株距为25～35 cm。
1 菠萝采摘研究现状
由于我国菠萝种植方式缺乏规划，植株高度不一，植株密度大，难以在较短的时间内实现统一化。菠萝生长地理环境既有低丘陵也有平原，地理环境复杂；菠萝种植多以小型农户自发种植为主，因此使菠萝运输车难以进入及自由穿梭作业，同时机械会对菠萝植株造成损伤，成本昂贵，且难以满足果农对于保护托芽的采摘要求，因此菠萝自动采摘机难以实现大规模的普及利用，国内菠萝采摘仍以人工为主。菠萝叶子锋利的锐齿和果皮坚硬而带有芒刺的凸起使人在纯手工采摘过程中很容易受伤，严重影响菠萝的采摘效率，菠萝采摘这种既辛苦又有较高体力和技能要求的人工作业，面临日益严重的劳动力紧缺和成本快速上涨问题。因此，我们设计一台菠萝辅助采摘机械臂，辅助果农采摘，在提高采摘效率的同时，保护托芽，避免对菠萝造成伤害。
2 方案设计
本项目菠萝辅助臂主要通过剪叉传动机构、弹性滑轨机构、抓取执行机构等实现对菠萝的采摘，达到运动完成抓取和掰断两个采摘步骤的目的。同时，本装置兼具轻便、携带使用灵活的特点。其整体结构如图1所示。
2—导向槽板；3—手臂支撑板；4—径向固定钩；5—抓取爪头；6—弹簧；7—剪叉连杆；8—拉线杆；9—拉线轴；10—动力杆；11—握把；12—手握柱；13—内滑板；14—外固定导轨；15—铰接轴；16—推板。
2.1 剪叉传动机构设计
此部分整体由四级X型单元组成，以保证足够的纵向伸展位移完成掰断过程，菠萝采摘时左端手铰链处通过增力机构施加水平向内的推力，由于第二铰接点固定于机架上，第四铰接点与下端滑轨相连滑轨同时运动，右端X型单元的各铰接点均向内和纵向伸展运动，实现将手部施加拉力转化为内向收缩和纵向伸展运动。
2.2 弹性滑轨机构
为保证机构运行的稳定，本项目利用滑轨机构与剪叉机构相固定，使其同步运动，解决在装置采摘过程中机构平面运动的不稳定和因级数过多而带来的组合多杆承载能力弱、易弯曲的问题，使结构更紧凑。滑轨复位机构主要由滚珠式抽屉滑轨和复位弹簧组成，滑轨外轨槽通过与机架固定，使内轨道在滚珠作用下与剪叉机构纵向同步运动，同时复位弹簧与内轨道固定，当菠萝采摘过程完成后，松开拉环，在弹簧作用下滑轨和剪叉运动复位，完成一次采摘过程。
2.3 抓取执行机构
抓取运动模块实现抓取和掰断的同步动作，弧形夹持板通过果茎拉钩限制菠萝茎的运动，由推板在向前运动过程中抵住菠萝使其掰断，同时弧形夹持板随之收缩将菠萝夹持住。菠萝板通过螺栓与剪叉机构的第四铰接点固定，弧形夹持板与末端铰接点相连并可开合运动，约束滑槽固定于机架顶部，其上的滑道杆保证对菠萝的对称夹持。
采摘时，利用果茎拉钩卡住菠萝茎，同时手指弯曲施力，剪叉机构的伸展和内向运动带动菠萝推板向前运动并抵住菠萝，夹持板随之收缩，由于果茎钩限制菠萝茎的移动，在一定范围内掰断菠萝时将菠萝抓紧，实现一个运动完成抓取和掰断两个采摘过程。
3 动力特性分析
3.1 剪叉机构的尺寸设计与分析
在剪叉机构的尺寸设计中，综合考虑手部可弯曲收缩量、菠萝直径、机构伸缩量以及在推断落下时能够抓住菠萝这些因素来设计尺寸。手部伸缩量小于20 mm，按照普遍人手握手时，关节间角度变化产生手部的伸缩量，即手部伸缩量。根据我们调研实地测量的数据，夹持位置与菠萝根部的距离在130～160 mm，按照一般菠萝只需推转45°就会折断，为满足所有菠萝能够在菠萝被推断掉落的过程中被夹住夹紧，确定总伸缩量在100～120 mm。考虑在实际采摘过程中，人直立行走不弯腰，人手到菠萝夹持部位的间距，原长在220～250 mm，得出：（cos+－cos）＜20，100＜（cos+－cos）＜120，220＜cos＜250.
同时鉴于剪叉机构转动到角度越大，传递的力越大，最终定下的尺寸为原长100 mm，为四级剪叉机构，初始角度为38°，转动角度为33°。
3.2 四级剪叉机构的力学计算
由于剪叉机构具有对称性，所以取机构的一半进行研究，其受力分析，先分析二级剪叉机构的受力特点，再推算出四级剪叉机构的力学传递计算。
剪叉臂力分析如图2所示。图中点1、3和点4、6分别为剪叉臂a和b的端部铰接点，为剪叉臂a端部铰接点1处所承受的拉力。由于铰接点3和4的受力互为作用力和反作用力，因此有：x3=x4，y3=y4.由剪叉臂在和方向上的受力平衡关系，得y1=y3.
对铰接点3进行取矩得：
结合以上公式可计算得x3=﹣x1－2y1tan，y3=y1.
这是计算了一级剪叉机构的力，四级剪叉机构就是4个一级的叠加，初步设定输入的值为：x1=100，y1=146，=38°，该初始值的设定根据是普通成年人手最小握力。
最终在ADAMS中建模进行力学分析测量可得，在初始状态最终的夹力=24.8 N，且不断增大。但是在菠萝采摘的过程中所需握力为大约10 N，可知该4级剪叉机构在力的传递方面满足夹持菠萝的需求。
图2 剪叉臂力分析图
4 结语
本作品所设计菠萝辅助采摘装置从人性化和实用化角度出发，解决现有人工采摘弯腰费力和容易受伤等问题，实现辅助采摘在较低的装置成本下满足果农采摘菠萝的要求，简化烦琐的采摘动作，由于人手持机构果农可自行调整保护菠萝托芽不受损伤，借助合理的省力结构实现辅助果农进行菠萝采摘，具有较高的实用性，更具推广价值。
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2095－6835（2019）05－0150－02
S225.93
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.150
国家大学生创新创业训练计划（编号：201810497036）
〔编辑：严丽琴〕
