基于慧鱼模型水果采摘机的机械臂设计

庞培钊，丁 颂，孙立巍，王 铭，郭 爽

(长春师范大学 工程学院，吉林 长春 130032)

近年来，随着果品质量和机械化生产水平的不断提高和发展。果品产业已经成为继粮食、蔬菜之后的第三大农业种植产业。水果采摘作业作为水果生产链中耗时最多，费力最多的一个环节，占到整个水果生产过程的30%～50%[1]。目前我国的水果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。使用水果采摘辅助设备可以提高采摘效率，降低损伤率，节省人工成本，提高果农的经济效益。为提高采摘效率，国内已出现许多半自动化辅助采摘设备[2]。本文针对水果采摘作业问题进行研究，设计了水果采摘机的机械臂，能够有效地解决水果采摘效率低，损伤严重的问题。

1 机械臂设计方案

1.1 机械臂的整体结构设计

在将采摘器准确送到采摘对象位置的过程中，机械臂需要求平稳无晃动，快速准确定位，为后续的采摘工作奠定基础[3]。机械臂的运动过程是一次采摘作业中用时最多的环节，机械臂的自由度越高，结构越复杂，控制系统越难控制，成本也越高[4]。因此在设计机械臂时除考虑本身的强度、刚度等，还应考虑在能将采摘器避开树枝、未成熟果实等送到采摘对象位置的同时，尽量减少机械臂的自由度。设计机械臂分为主支架、旋转臂、传动系统和控制单元，如图1所示。

1.2 机械臂主支架结构设计

机械臂主支架是旋转臂带动采摘器在采摘作业运动过程中的载体，对整个机械臂起到支承的作用。为减少设备的整体空间及自重，主支架采用两节式设计，每一节主支架选用4根长度为20 cm的铝合金型材。两节机械臂主支架中心位置均选用传动精度高的丝杠作为传动件。第二节主支架与第一节主支架中间的丝杠、旋转臂底端与第二节主支架中的丝杠通过螺母连接，组合成具有自锁功能的丝杠螺母机构。

1.3 机械臂旋转臂结构设计

为保证采摘过程中整个装置平稳，旋转臂选用质量轻，且有较高强度的气动装置作为传动件。在气泵电机带动，两侧导轨支撑与导向作用下，实现旋转臂20～25 cm的伸缩运动，两侧导轨在采摘作业运动过程中形成力偶，平衡旋转臂运动过程中产生的弯矩。旋转臂底端蜗轮与第二节主支架上的随旋转臂移动的蜗杆配合，组合成具有自锁功能的蜗轮蜗杆机构，防止工作过程中掉电带来的安全隐患。

1.4 传动系统及运动原理分析

主支架底端和旋转臂底端通过9 V直流电机与蜗杆相联，带动蜗轮转动，主支架底端蜗轮蜗杆机构控制机械臂整体，在Z轴方向的转动，旋转臂底端蜗轮蜗杆机构控制旋转臂在Y轴方向的转动。主支架中丝杠与9 V直流电机通过齿轮联接，降低了丝杠转动速度，增大了丝杠扭矩，保证结构稳定，便于控制旋转臂在Z轴方向的升降运动。旋转臂中的气动机构，在气泵电机的驱动下，通过气压传动，控制旋转臂在X轴方向的伸缩运动。多种运动相互配合，实现机械臂在避开树枝、未成熟果实等后，将采摘器送到采摘对象位置停止，并完成采摘过程。

2 基于慧鱼模型水果采摘机的机械臂试验与分析

基于慧鱼模型水果采摘机的机械臂如图2所示[5]。为优化机械臂主支架中传动件、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构和旋转臂作旋转运动时的传动方式。验证旋转臂旋转过程中提供电能的9 V直流电机能否满足最低设计要求。

基于慧鱼模型进行试验，实验数据如表1～表3所示。

表1 主支架传动件比较

表2 旋转臂的传动方式比较

经过对比齿轮齿条机构和丝杠螺母机构、蜗杆传动与齿轮传动，丝杠螺母机构和蜗杆传动因传动效率低，更易于控制，自锁功能防止工作过程中掉电后的安全隐患，传动精度高，能准确定位。故设计选择以丝杠螺母机构作为主支架的传动机构，以蜗杆传动作为旋转臂运动过程中的传动机构更佳。

表3 9 V直流电机在采摘过程中的试验参数

旋转臂在9 V直流电机的驱动下，旋转过90°角所需要的时间、瞬时峰值电流、瞬时峰值电压，如表3 所示，结合采摘机慧鱼模型相关参数理论计算如下：

旋转臂自重184 g，位于旋转臂末端的采摘器重157 g。将旋转臂看作质地均匀的杆，采摘器看作质点。G1=m1g=1.57 N,G2=m2g=1.84 N，Mmax=FL=G1L1+G2L2=0.62 N·m，故该9 V直流电机需要至少提供0.62 N·m的扭矩才能满足旋转臂伸长到最大位置时能正常工作。9 V直流电机的最小启动扭矩：Tmin=9 550P/n，转速：n=0.25 r/1.8 s=8.33 r/min，Pmin=UI=0.81 W,Tmin=9 550P/n=0.93 N·m，该9 V直流电机能提供的最大扭矩为0.93 N·m，Tmin>Mmax，故该9 V直流电机能满足旋转臂在运动过程的要求。

3 水果采摘机的机械臂控制单元设计

水果采摘机的机械臂整个控制单元包括机械臂整体的旋转和升降，旋转臂的旋转和伸缩，根据采摘对象的位置和操作人员的操作，利用的ROBO控制，实现水果采摘机的机械臂的控制，控制程序如图3所示。

选中采摘对象后，按下控制开关I1，在电机M1的驱动下，机械臂带动采摘器旋转到与采摘对象同一竖直平面，按下停止开关I5，M1停止转动。按下控制开关I2，在电机M2的驱动下，采摘器升降到与采摘对象同一高度，按下停止开关I5，M2停止转动。按下控制开关I3，电机M3驱动下，通过气压传动控制旋转臂伸缩，采摘器到达采摘对象正下方，按下停止开关I9，M3停止转动。按下控制开关I4，电机M4驱动下，旋转臂向上旋转，直至采摘器中的光敏传感器检测到果实，M4停止转动，再次按下I4，旋转臂向下旋转，按下I5，M4停止转动。操作人员根据采摘对象与机械臂的相对位置，选择适当的控制开关，即可实现采摘机机械臂定位过程。

4 结束语

本文针对目前我国水果采摘过程耗时长，劳动力需求大，果实损伤严重，现有辅助采摘设备采摘效率低等问题，基于慧鱼模型设计了一种水果采摘机机械臂，要实现机械臂对采摘对象精确、快速定位，应以丝杠螺母结构和恒功率控制作为升降方式，以蜗轮蜗杆传动作为旋转方式，以气压传动作为伸缩方式为最佳。本文为半自动化水果采摘机机械臂的设计提供了理论支持，并为传动方式以及参数设计方面进行了实验对比和验证。