馮文博 丁頌 王鑫力

摘?要：為解決人工采摘速度緩慢、效率低下的問題，在研究機械傳動的基礎(chǔ)上，設(shè)計了蘋果采摘系統(tǒng)傳動模塊，該模塊包括360°整體旋轉(zhuǎn)裝置、豎直伸縮裝置、折疊裝置和橫向伸縮裝置四部分。360°整體旋轉(zhuǎn)裝置由蝸桿帶動蝸輪實現(xiàn)繞Z軸360°旋轉(zhuǎn)，豎直伸縮裝置和橫向伸縮裝置由齒輪齒條傳動實現(xiàn)Z軸和Y軸方向升降、伸縮運動，折疊裝置在氣泵傳動作用下實現(xiàn)對橫向伸縮裝置和采摘模塊的折疊。四部分的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)了蘋果遠(yuǎn)距離和快速采摘。

關(guān)鍵詞：蘋果采摘;傳動模塊;伸縮裝置;慧魚模型

中圖分類號：S225????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.01.002

Design of Transmission Module for Apple Picking System

Feng Wenbo， Ding Song， ?Wang Xinli

（School of Mechanical Engineering，Changchun Normal University，Changchun 130032 china）

Abstract： In order to solve the problem of slow and inefficient manual picking， this paper designs the transmission module of apple picking system on the basis of studying the mechanical transmission. The device consists of four parts： 360 degree integral rotating device， vertical telescopic device， folding device and transverse telescopic device. The integral rotating device of 360 degrees is driven by worm to rotate 360 degrees around Z axis; the vertical and transverse telescopic device is driven by gear and rack to realize the movement of Z axis and Y axis; the folding device can fold the transverse telescopic device and the picking module under the action of air pump. The four part of coordination has achieved Apples long distance and quick picking.

Keywords： apple picking; transmission module; telescopic device; fischertechnik

現(xiàn)階段我國蘋果采摘主要依靠人力采摘，耗時多且效率低，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人工采摘勞動力占總體勞動力的40%以上，而這種高強度、重復(fù)性的采摘動作適合使用采摘機器來完成。為了解決蘋果采摘中勞動力成本過高的問題，設(shè)計了蘋果采摘系統(tǒng)，減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中勞動力成本。本文針對蘋果采摘系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計了蘋果采摘系統(tǒng)傳動模塊，能有效的解決蘋果采摘中勞動力成本過高問題。

1?傳動模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳動模塊如圖1所示，由360°整體旋轉(zhuǎn)裝置、豎直伸縮裝置、折疊裝置和橫向伸縮裝置四部分組成。360°整體旋轉(zhuǎn)裝置由步進(jìn)電機、蝸輪和蝸桿組成，通過步進(jìn)電機驅(qū)動，帶動蝸桿和蝸輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)整體的自由轉(zhuǎn)動;豎直伸縮裝置由9 V編碼電機、齒輪箱和齒條組成，通過9 V編碼電機驅(qū)動齒輪箱，傳遞給與齒條嚙合的小齒輪實現(xiàn)豎直伸縮裝置的豎直伸縮;折疊裝置由9 V編碼電機、齒輪箱、齒條、氣泵電機、氣泵和氣泵閥組成，通過9 V編碼電機驅(qū)動齒輪箱，齒輪箱和齒條的配合并與氣泵同時工作實現(xiàn)折疊與展開;橫向伸縮裝置由9 V編碼電機、齒輪箱和齒條組成，通過9 V編碼電機驅(qū)動齒輪箱，傳遞給與齒條嚙合的小齒輪實現(xiàn)橫向伸縮裝置伸縮運動。

2?傳動模塊工作原理

傳動模塊工作原理如圖2所示，360°整體旋轉(zhuǎn)裝置的步進(jìn)電機連接蝸桿，配合蝸輪固定在最下方的橫板上，豎直伸縮裝置和整體支架鉸鏈連接在一起，轉(zhuǎn)動支架和整體支架頂端連接在一起，轉(zhuǎn)動支架左端和豎直伸縮裝置鉸鏈連接在一起，折疊裝置將動支架右端和伸縮裝置連接在一起。確定采摘目標(biāo)后，傳動模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，圖2a中：折疊裝置的電機正轉(zhuǎn)，氣泵閥打開，氣泵將氣體推入到氣壓缸的無桿腔內(nèi)，在氣體壓力的作用下，推桿推出，推桿向上做直線運動，橫向伸縮裝置橫臂以鉸鏈為轉(zhuǎn)軸做逆時針轉(zhuǎn)動，升至和轉(zhuǎn)動支架處于同直線上，折疊裝置展開。圖2b中：360°整體旋轉(zhuǎn)裝置的電機驅(qū)動，通過蝸桿帶動蝸輪及其整體繞Z軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到采摘目標(biāo)同向。圖2c中：豎直伸縮裝置的電機正轉(zhuǎn)，通過鉸鏈帶動轉(zhuǎn)動支架左端向下運動，轉(zhuǎn)動支架繞轉(zhuǎn)動中心逆時針轉(zhuǎn)動，通過杠桿使轉(zhuǎn)動支架右側(cè)及橫向伸縮裝置橫桿向上運動，達(dá)到采摘目標(biāo)的高度;橫向伸縮裝置的電機正轉(zhuǎn)，帶動采摘模塊在橫桿上做平移運動，抵達(dá)蘋果梗處。傳動模塊可以提高采摘范圍和工作效率。

3?基于慧魚模型傳動模塊樣機設(shè)計

傳動模塊基于“慧魚模型”進(jìn)行樣機設(shè)計來模擬傳動模塊的旋轉(zhuǎn)、伸縮、抬升和折疊過程，如圖3所示。

3.1?360°整體旋轉(zhuǎn)裝置電機的選擇

根據(jù)設(shè)計要求，旋轉(zhuǎn)時間t約為4 s，旋轉(zhuǎn)周長S為0.26 m，旋轉(zhuǎn)的速度v

v=S/t=0.26/4=0.065 m/s（1）

360°旋轉(zhuǎn)裝置承載傳動模塊和采摘模塊的重量，由實驗測量可知，蝸輪以上總重m為6 kg，蝸輪與蝸桿之間為滾動摩擦，取滾動摩擦系數(shù)μ=0.2，則蝸輪與蝸桿之間的摩擦力f：

f=G·μ=6×9.8×0.2=11.76 N（2）

則旋轉(zhuǎn)電機的所需功率P：

P=f·v=11.76×0.065=0.7644 kW（3）

選用了9 v直流編碼器電機為360°旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)電機。該電機的輸出最大功率為1.096 kW，最大轉(zhuǎn)速為173.5 r/min，輸出最大扭矩為1.52 N·m。所需功率在所用電機范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

3.2?豎直伸縮裝置和橫向伸縮裝置電機的選擇

為提高豎直伸縮移動和橫向伸縮移動的效率，豎直伸縮裝置伸縮時間不超過6 s，設(shè)計伸縮時間t1為4 s，最大伸縮的長度H1為0.15 m;橫向伸縮裝置伸縮時間不超過6 s，設(shè)計伸縮時間t2為4 s，最大伸縮的長度（模擬長度）H2為0.18 m，伸縮速度v1、v2

v1=Ht1=0.15÷4=0.0375 m/s（4）

v2=Ht2=0.18÷4=0.045 m/s（5）

豎直伸縮裝置的電機需提供向下拉動轉(zhuǎn)動支架左端的力，測量出向下的拉力F1為9.8 N;橫向伸縮裝置需承載采摘模塊的重量，測量出采摘模塊重量m1為1 kg。摩擦力f1主要為橫向伸縮裝置和齒條之間的滑動摩擦，取滾動摩擦系數(shù)μ=0.5，豎直伸縮裝置和橫向伸縮裝置中電機功率P1、P2

P1=F1·v1=9.8×0.0375=0.3675 kW（6）

P2=（G1+f1）·v2=（9.8+9.8×0.5）×0.045

=0.6615 kW（7）

選用9 V直流XS馬達(dá)作為動力源，該電機輸出最大功率為0.955 kW，最大轉(zhuǎn)速為5995 r/min（RPM），輸出最大扭矩為60.29 N·m，滿足設(shè)計要求。

3.3?折疊裝置電機的選擇

為提高折疊展開效率，折疊和展開時間不超過3 s，可設(shè)計折疊時間t3為2 s，所以最大長度（模擬長度）H3為0.43 m，則其折疊速度v3

v3=H3/t3=0.043/2=0.0215 m/s（8）

折疊裝置的電機需提供拉動橫向伸縮裝置所在橫臂的力，經(jīng)實際測量，所需拉力F2為25 N，因電機不直接承受載荷只提供力，所以摩擦力可忽略，則折疊裝置中電機功率P3

P3=F2·v1=25×0.0215=0.5375 kW（9）

對電機功率計算，選用9 V直流XS馬達(dá)作為動力源。該電機輸出最大功率0.955 kW，最大轉(zhuǎn)速5995 r/min，輸出最大扭矩60.29 N·m，滿足設(shè)計要求。

4?傳動模塊控制系統(tǒng)設(shè)計

傳動模塊根據(jù)采摘對象的位置和操作人員的操作流程，采用ROBO接口板作為I/O通道，實現(xiàn)傳動模塊半自動化控制?？刂瞥绦蛉鐖D4所示。程序中符號含義如下：M1、M2、M3、M4為電機，I1為控制按鍵。選中采摘對象后，啟動外接電源的氣泵電機并按下控制開關(guān)I1，手動打開氣泵，在電機M3和氣泵的驅(qū)動下，折疊裝置打開，按下停止開關(guān)I1，M3停止轉(zhuǎn)動。按下控制開關(guān)I1，在電機M1的驅(qū)動下，360°旋轉(zhuǎn)裝置帶動采摘模塊旋轉(zhuǎn)到與采摘對象同一豎直平面，按下開關(guān)I1，M1停止轉(zhuǎn)動。按下控制開關(guān)I1，電機M2驅(qū)動下，豎直伸縮裝置向下運動，通過轉(zhuǎn)動支架使采摘模塊升降到與采摘對象同一高度，按下開關(guān)I1，M2停止轉(zhuǎn)動。按下控制開關(guān)I1，電機M4驅(qū)動下，橫向伸縮裝置帶動采摘模塊向外部待采摘蘋果方向伸長，人工識別到采摘剪已抵達(dá)待采摘蘋果梗處，按下控制開關(guān)I1，M4停止轉(zhuǎn)動。操作人員根據(jù)采摘對象與采摘模塊的相對位置，完成對采摘目標(biāo)的半自動化定位及校準(zhǔn)。

5?結(jié)語

本文針對目前中小型果園蘋果采摘勞動強度大、人工采摘效率低下及成本過高等問題，基于慧魚模型設(shè)計了一種半機械自動化的蘋果采摘系統(tǒng)，對其傳動模塊進(jìn)行設(shè)計分析。根據(jù)分析結(jié)果顯示，理想的傳動方式應(yīng)采用齒輪齒條機構(gòu)傳輸和恒功率的方式控制，能夠保證各個裝置在傳動過程中的平穩(wěn)性與高效性。本文為蘋果采摘系統(tǒng)傳動模塊的設(shè)計提供了理論支持，并為其采摘范圍和驅(qū)動方式的選擇等方面進(jìn)行了實踐驗證。

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