一种新型草莓采摘机末端执行器的设计与实现

2021-03-23温博阁

长春工业大学学报 2021年1期

温博阁

(大连交通大学机械工程学院, 辽宁大连 116028)

0 引言

随着经济发展，科学技术日新月异，草莓因其特有的营养价值而备受人们喜爱，但是很少有人关注草莓是如何采摘而流向市场的。因草莓独特的生长特性造成果实的不定期成熟，需要人工不定时地判断和收获，在草莓收获期，每天至少收获两次，并且人工每采摘一处草莓，需要弯腰一次，劳动强度和作业量都非常大。随着农村劳动力向第二、三产业转移,以及农村劳动力的妇女化和老龄化，用于收获草莓的劳动力日益紧张，急需大量普及农机设备，减少人工采摘，为提高生产效率，解决费时费力难题，设计一种能够辅助人工作业的草莓采摘机器势在必行。

草莓采摘设备国外种类比较齐全，国内近五年也开始重视这方面研究和投入。范晖等[1]研制出手持式草莓采摘收集一体化装置，该设备仅限于手持式，虽然小巧灵活，但末端执行器的收集机构一次收集数量很少。

文中以草莓为采摘对象，针对草莓视觉识别过程复杂、定位精度不高等问题，提出了基于收集机构配合机器视觉、应用末端执行器同时工作的草莓自动采摘机，解决了原有采摘机器采摘效率低、损伤率较高的问题，降低了人工重复购买机具的成本。

1 整体设计

1.1 整体结构

该草莓采摘小车主要由橡胶轮、收集机构、采摘机械手臂和车体构成。本产品采用人力推动便携式草莓采摘小车，小车上带有低成本的双目视觉摄像头，能够快速识别并定位草莓梗，控制机械手采摘草莓。采摘机构共有五个自由度，能实现采摘所需要的位置和姿态[2]。该草莓采摘小车前两个自由度由剪式机构构成，能提供水平面内的二维运动，保证其在平面内做高精度运动，第三个自由度由垂直于平面的丝杠导轨组成，并且与之配合构成三维运动机构。具有体积小，便于在草莓垄之间移动，采用便携式人力推行，方便用户更换采摘工作地点等。针对本产品做如下设计，技术指标外形尺寸：长×宽×高分别为900 mm×320 mm×700 mm；单次停留采摘空间：长×宽×高分别为600 mm×400 mm×250 mm,装置整体机构如图1所示[3]。

1.2 滚珠丝杠电机驱动机构分析

选取时代超群线性滚珠导轨滑台，滑台的导程是5 mm,有效行程400 mm，采用42步进电机驱动，节省能耗。在空间Z轴方向上位置坐标确定，文中采用丝杠电机驱动装置，使用42/57线性滚珠导轨滑台,如图2所示。

1.橡胶轮; 2.收集盒; 3.可调长度的收集板;

(a) 滚珠丝杠工作台

2 关键部件设计

2.1 传送带设计

由于草莓运输需要保证草莓不被损坏，并能够有效循环地进行收集，笔者采用减速电机带动同步轮，驱动传送带运动，在草莓不被损坏的情况下运输草莓[4]。采用GM37-520微型直流减速电机，电压DC12 V，减速比1∶50；同步轮大齿32，小齿20，构成传动比8∶5，材料为铝合金；传动主动轴、从动轴距离为0.5 m，材料为铝合金，主动轴直径5 cm。传送带机构如图3所示。

图3 传送带机构

设负载转速100 r/min，传送带外侧线速度为

(1)

2.2 末端执行器机构设计

两个同步带紧密贴合，在同步轮带动下相向运动夹紧草莓茎端，过程中借助前端刀片将草莓茎部切断，随后草莓继续在同步带的带动下向后运动，最后掉落在冲击力小的棉布上，而后沿传送带进入一端开口的无盖长方体收集盒内，收集盒由导轨连接，当一个盒子收集满后，进入下一盒的收集，收集满5个盒子后人工取下，便于收集的循环进行[5]。在确定空间三维坐标前提下，还需确定另外两个自由度才能摘取草莓，于是，设计了末端草莓执行器完成采摘草莓过程，采摘草莓机械手有2个自由度，通过两个舵机以及舵机支撑架控制俯仰角和横滚角，俯仰角由使用者根据不同的草莓垄坡度来确定，横滚角来自摄像头视觉定位识别的数据；通过末端执行器完成切断草莓茎、回收草莓、收集被采摘的草莓3个动作，如图4所示。

由图4(b)可知，N20马达带动两个齿轮，齿轮和同步轮同步带联动，草莓梗被旋转的同步带卷入后，2个6 mm宽的同步带紧密贴合，在同步轮带动下反向运动夹紧草莓茎端，运动过程中借助前端刀片将草莓茎部切断，随后草莓继续在同步带的带动下向后运动。草莓采摘与运送是连续的，大大提高了采摘效率。

(a) 三维设计图

2.3 末端执行器机构应力分析

作为采摘机械手最重要的一部分，末端执行器必须保证在长久有效采摘的基础之上，保证各个部分弯曲变形十分微小[6]，为此，对设计的末端执行器做应力分析。将末端执行器与舵机扭转支架固定，绿色受力面为固定面，通过螺栓连接，给前端添加一个非均匀外部载荷，以上顶面为XOY面，以草莓运动方向以及工件的中轴为X轴正方向，建立笛卡尔坐标系。

末端执行器非均匀分布载荷应力与形变图如图5所示。