高玉 楊賀緒 李樹軍,2 宋明燕 張國圣

1.寧夏理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院； 2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院

一、引言

在水果生產(chǎn)周期中，采摘是最后也是最耗時費(fèi)力的一個環(huán)節(jié)，但由于采摘環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致采摘環(huán)節(jié)的機(jī)械化程度不高，多數(shù)是人力手工采摘，高枝水果采摘通常需要借助梯子、搖臂式升降機(jī)構(gòu)等輔助器具，或者通過振動和敲打樹枝使其自然下落，整體工作效率低、對水果損傷率大，還具有一定的危險(xiǎn)性。因此，設(shè)計(jì)一種簡單易行的高空水果采摘器尤為重要。

二、國內(nèi)外水果采摘器現(xiàn)狀分析

（一）國外水果采摘器發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，美國學(xué)者 Schertz和 Brown首次提出應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行果蔬收獲，當(dāng)時開發(fā)的機(jī)器人樣機(jī)幾乎都需要人的參與，只能算是半自動化的收獲機(jī)械，且無法進(jìn)行選擇性收獲。從20世紀(jì)80年代中期開始，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日漸成熟，以日本為代表的西方發(fā)達(dá)國家都在水果采摘機(jī)器人方面做了大量研究工作，試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的收獲采摘機(jī)器人，應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行水果的自動化收獲得到了快速發(fā)展[1]。

（二）國內(nèi)水果采摘器研究現(xiàn)狀

目前我國研發(fā)的水果采摘器有上百種，包括機(jī)械式、電動式、氣動式等，有的僅可實(shí)現(xiàn)單方向水果采摘，有的可改變方向以實(shí)現(xiàn)全方位水果采摘。其中，大型水果采摘機(jī)因價格昂貴且占地較大不適用于個體農(nóng)戶，果農(nóng)多傾向于選擇小型簡易水果采摘器，但多數(shù)小型簡易水果采摘器僅以拉力分離果柄與樹枝，不能提供果柄與樹枝分離所需的扭轉(zhuǎn)力，不符合人手采摘原理，容易造成水果內(nèi)、外傷，影響果品質(zhì)量，且不利于保鮮儲藏，從而影響經(jīng)濟(jì)效益[2]。因此，急需設(shè)計(jì)一種符合人手采摘原理的水果采摘器。

三、水果采摘器設(shè)計(jì)

（一）水果采摘原理研究

水果在采摘過程中的基本受力有拉伸、扭轉(zhuǎn)、剪切、碰撞等。經(jīng)過水果采摘者的多年采摘勞動經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了一套較為實(shí)用的水果采摘原理：在采摘過程中用手指輕輕握住果實(shí)——夾緊，食指按住果柄——旋轉(zhuǎn)，其他手指配合拇指施加力使果柄與樹枝受剪切而斷開——扭轉(zhuǎn)，取下果實(shí)，如圖1所示。本設(shè)計(jì)以蘋果采摘為例，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、省力、不傷果實(shí)，且制造成本低的新型水果采摘器，也適用于橘子、梨等水果的采摘。

圖1 水果采摘原理示意圖

（二）水果采摘器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中僅依靠拉力或剪力采摘水果的缺陷，設(shè)計(jì)出一種自適應(yīng)彎扭變胞水果采摘器，由提供夾持和彎扭運(yùn)動的凸輪機(jī)構(gòu)、帶動凸輪機(jī)構(gòu)平動的平行四邊形傳動機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)和牽引驅(qū)動機(jī)構(gòu)等組成，巧妙利用變胞原理[3-4]，僅通過單一驅(qū)動就可根據(jù)采摘工藝過程使兩組機(jī)構(gòu)自適應(yīng)切換，實(shí)現(xiàn)對水果尺寸和形狀的自適應(yīng)調(diào)整和鎖緊果實(shí)，并在采摘過程中提供所需的拉力和彎扭力，完全符合人手采摘原理，操作簡單、工作可靠、經(jīng)濟(jì)性好。

1.水果采摘器結(jié)構(gòu)組成

自適應(yīng)彎扭變胞水果采摘器左右對稱，由機(jī)架（撐桿）1、導(dǎo)桿2、從動桿3、L型搖桿4、短銷5、搖桿6、連桿7、長銷8、彈簧9、小銷釘10和皮碗11構(gòu)成。其中：導(dǎo)桿2與機(jī)架（撐桿）1通過滑動副連接；從動桿3一端和導(dǎo)桿2通過鉸鏈連接，另一端和L型搖桿4利用小銷釘10連接；L型搖桿4通過小銷釘10與機(jī)架（撐桿）1連接；搖桿6通過長銷8與機(jī)架（撐桿）1連接；短銷5安裝于L型搖桿4上；彈簧9一端安裝于長銷8上，另一端安裝于短銷5上；連桿7下端通過小銷釘10分別與L型搖桿4和搖桿5連接，上端與皮碗11通過球面副和槽銷副連接，構(gòu)成一凸輪機(jī)構(gòu)；機(jī)架（撐桿）1、L型搖桿4、搖桿6和連桿7構(gòu)成一平行四邊形機(jī)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)組成如圖2、圖3所示。

圖2 結(jié)構(gòu)組成視圖（一）

圖3 結(jié)構(gòu)組成視圖（二）

連桿7上端銷桿與球頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。皮碗11的槽副是一段圓弧，與皮碗幾何中心距離為L，球槽與該段圓弧相切，長度一致，如圖5所示。

圖4 連桿7結(jié)構(gòu)圖

圖5 凸輪結(jié)構(gòu)11圖

2.水果采摘器工作過程

自適應(yīng)彎扭變胞水果采摘器具體過程如下：機(jī)架（撐桿）1下端驅(qū)動部分握于采摘者手中，用于支撐和調(diào)節(jié)采摘器位置，便于皮碗11鎖住水果，同時減輕了機(jī)械臂末端的重量。導(dǎo)桿2下端通過可調(diào)節(jié)的鋼絲與手柄連接，驅(qū)動采摘器完成水果采摘。非工作狀態(tài)下，采摘器執(zhí)行部分在彈簧9的拉力作用下處于張開狀態(tài)。采摘時，驅(qū)動手柄，導(dǎo)桿2在鋼絲拉力的作用下動作，使從動桿3驅(qū)動L型搖桿4繞著小銷釘10處的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，搖桿6和連桿7隨之動作，向中間靠攏，皮碗11慢慢靠近水果，與水果接觸。L型搖桿4、搖桿6和連桿7繼續(xù)擺動，皮碗11根據(jù)水果形狀和位置利用其球面副自適應(yīng)調(diào)整方位直至兩個皮碗11鎖緊水果，彈簧9被拉至最長。此時由機(jī)架（撐桿）1、L型搖桿4、搖桿6和連桿7構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)自由度變?yōu)?，連桿7和皮碗11組成的球面副（如圖4所示）自由度由3變?yōu)?，槽銷副自由度為1。鎖緊水果后，向下輕拉機(jī)架（撐桿）1，拉力與皮碗11幾何中心距離為L，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，皮碗繞著球面副轉(zhuǎn)動（如圖4所示）；與此同時皮碗11沿著槽銷副滑動，即凸輪機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動，使果柄與樹枝連接部位產(chǎn)生彎扭效應(yīng)，如圖6所示。

圖6 連桿7和皮碗11組成的球面副剖面圖

四、結(jié)束語

本設(shè)計(jì)是全機(jī)械結(jié)構(gòu)，無需外接電源、傳感器之類的裝置，完全符合人手采摘原理，保護(hù)果梗自然斷裂，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低廉，攜帶方便、易損件更換方便等優(yōu)點(diǎn)，主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1.本設(shè)計(jì)提出一種新型變胞機(jī)構(gòu)，即連桿-凸輪變胞機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)采摘夾持構(gòu)態(tài)，凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)采摘翻轉(zhuǎn)構(gòu)態(tài)。2.該變胞機(jī)構(gòu)可以提供水果采摘過程中的所需的拉力和扭轉(zhuǎn)力，并實(shí)現(xiàn)夾持、拉、扭力的機(jī)械自適應(yīng)。結(jié)構(gòu)簡單、效率高、實(shí)用性強(qiáng)。3.利用皮碗和自由度為零的平行四邊形機(jī)構(gòu)夾持使水果表面受力均勻，防止果實(shí)受損，提高果實(shí)質(zhì)量。4.巧妙利用凸輪機(jī)構(gòu)在重力作用下能使果實(shí)一直保持自適應(yīng)狀態(tài)，當(dāng)施加拉力時用凸輪弧形滑槽使其用很小的力即可實(shí)現(xiàn)果實(shí)自動扭轉(zhuǎn)完成采摘動作。