杜帥

摘? 要：針對目前國內(nèi)水果采摘機械化程度低、采摘困難等問題，該文對現(xiàn)有的夾持式末端執(zhí)行器應(yīng)用于水果采摘中的可行性進(jìn)行研究。首先，通過建立夾持水果枝干的靜力學(xué)模型，推導(dǎo)了一種夾持力計算公式。然后，借助ANSYS對末端執(zhí)行器進(jìn)行有限元分析，確定了典型夾指應(yīng)力和應(yīng)變最大值，可針對不同采摘對象對末端執(zhí)行器的材質(zhì)和強度進(jìn)行調(diào)整。最后，利用Adams軟件建立虛擬樣機模型，驗證了夾持式末端執(zhí)行器在水果采摘中的合理性和可行性，為進(jìn)一步研究水果機械化采摘提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：末端執(zhí)行器;水果采摘;靜力學(xué)模型;ANSYS有限元分析

中圖分類號：TP24? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前，國內(nèi)水果采摘多采用人工采摘的方式，機械化程度低、采摘難度大。近幾年人們開始研究借助末端執(zhí)行器采摘水果。由于末端執(zhí)行器夾持果實表面的夾持力大小不好控制，且容易造成果實損傷，因此如何無損采收成為機械化采收果實的一個技術(shù)難點。如果將末端執(zhí)行器夾持水果表面改為夾持水果母枝，就能減少夾持力的控制難度，而夾持穩(wěn)定性和夾持力的大小就成為衡量夾持機構(gòu)性能的重要指標(biāo)。該文從末端執(zhí)行器和母枝之間的夾持力關(guān)系入手，建立兩者的靜力學(xué)模型，推導(dǎo)出一種適用于末端執(zhí)行器和水果母枝的夾持力計算方法。然后通過ANSYS有限元分析確定末端執(zhí)行器的夾持應(yīng)力和應(yīng)變量大小，以適應(yīng)不同夾持對象。最后借助Adams運動學(xué)仿真，驗證末端執(zhí)行器應(yīng)用于水果采摘中的可行性和合理性。

1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)原理

夾持式末端執(zhí)行器為雙四連桿結(jié)構(gòu)，通過驅(qū)動齒輪連桿向中間運動，連桿帶動左右夾指同時向中間運動，最終完成夾指的夾持動作[1]。其中，左右夾指的末端設(shè)計成“V”型結(jié)構(gòu)，利于水果母枝嵌入其中，其夾角為2α。末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 夾持靜力學(xué)模型

2.1 夾持力封閉性分析

末端執(zhí)行器夾指的夾持位置和夾持角度直接影響夾持力的封閉性。因此將水果母枝截面簡化成圓形，左右夾指“V”型面對接形成的菱形輪廓與母枝的接觸點為4個，可以根據(jù)多指抓取的力封閉條件判斷該模型是否符合力封閉性[2]。

如圖2所示，A1、A2、A3、A4分別為左夾指和右夾指與母枝的接觸點。n11和n12，n21和n22，n31和n32，n41和n42分別為A1、A2、A3、A4接觸點摩擦錐的矢量，S為矢量交集區(qū)域，o為夾持力矢量交點，β為接觸點摩擦錐角。

由圖2可以看出夾持力矢量的交點位于摩擦錐角的交集區(qū)域內(nèi)，滿足夾持力封閉條件，末端執(zhí)行器夾持水果母枝時比較平穩(wěn)。

2.2 夾持靜力學(xué)分析

末端執(zhí)行器夾持母枝的靜力學(xué)模型如圖3所示。以夾持方向為X軸，垂直于夾指夾持方向的為Y軸，母枝軸向為Z軸，建立如圖3所示的坐標(biāo)系。其中A和B為夾指與母枝的接觸點。由于在實際的采摘過程中，會產(chǎn)生干擾因素，比如自然風(fēng)會影響模型的受力，該文假定末端執(zhí)行器在采摘水果過程中會遇到垂直于夾持方向的干擾力，即Y軸負(fù)方向的Fd，如圖3（b）所示。

當(dāng)末端執(zhí)行器夾指完全夾住母枝時，可以完成采摘。根據(jù)夾持靜力學(xué)模型，分別過A、B兩點做垂直于YOZ面的旋轉(zhuǎn)軸，對兩點建立力矩方程

（1）

式中：d—2個接觸點之間的距離;L1—干擾點與Y軸的距離;G—夾持對象重力;L2—同一夾指上下接觸點的間距;θ—夾指邊緣夾角;FBy、FBz—B點在Y、Z方向的壓力分量;FAy、FAz—A點在Y、Z方向的壓力分量;Fd—采摘過程中干擾力;FNy—夾指抵抗擾動產(chǎn)生的壓緊力。

解得

夾指預(yù)緊力

夾指A側(cè)正壓力

夾指預(yù)緊力FB在x方向上的分力

正壓力FR在x方向上的分力

當(dāng)采摘對象受到干擾力Fd時，夾指所提供的的夾持力

通過靜力學(xué)模型推導(dǎo)出的夾持力計算公式，可以應(yīng)用于以后采摘末端執(zhí)行器驅(qū)動力計算與驅(qū)動元件的選型中。該計算方法適用于多種夾持模型。

3 末端執(zhí)行器仿真分析與驗證

末端執(zhí)行器在完成夾持母枝動作時，除了要考慮所需要的夾持力大小，還要考慮末端執(zhí)行器前端本身的材料特性和夾持能力。為分析末端執(zhí)行器在夾持母枝時本身所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變量，該文借助ANSYS的Workbench模塊對末端執(zhí)行器完成夾持動作時所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析，并通過Adams虛擬樣機驗證其夾持動作的合理性。

3.1 末端執(zhí)行器有限元分析

3.1.1 建立有限元模型

在有限元分析中，為保證仿真結(jié)果的真實性和可靠性，需要將大的模型劃分為許多細(xì)小的單元進(jìn)行分析[3]。要盡可能地將網(wǎng)格畫小一些，提高仿真分析的真實度。對末端執(zhí)行器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的有限元模型如圖4所示?？紤]到末端執(zhí)行器在夾持母枝時的真實情況，在夾持住母枝的一瞬間，末端執(zhí)行器沒有運動，因此將其合并成一個整體來分析，只在夾指的末端施加載荷。分析末端執(zhí)行器在夾持母枝時各部位的應(yīng)力和應(yīng)變大小。

3.1.2 仿真結(jié)果分析

該文選擇的末端執(zhí)行器材料為6061鋁合金，具有輕便、加工性能好、韌性高的特點。具體施加載荷情況可以根據(jù)夾持對象，通過夾持力計算公式計算出所需的夾持力，然后在有限元分析中對夾持部位施加相同的載荷，分析應(yīng)力和應(yīng)變情況。通過仿真結(jié)果可以分析末端執(zhí)行器材質(zhì)的選擇是否合適，以及應(yīng)力集中點是否需要加強材料強度。設(shè)置材料屬性為鋁合金，將典型荔枝采摘夾持力15 N作為載荷，以此來分析末端執(zhí)行器的應(yīng)變和各部分的應(yīng)力情況，其應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如圖5（a）、圖5（b）所示。

通過圖5（a）應(yīng)力云圖可以看出末端執(zhí)行器左右夾指的受力最大，其最大應(yīng)力為13.6 MPa，同時左右連桿和齒輪連桿的齒輪嚙合處所受應(yīng)力也比較大。這些部位在以后的實際應(yīng)用中應(yīng)該進(jìn)行加固處理，或者增強材料特性。通過圖5（b）可以分析出左右夾指指端的應(yīng)變量最大，然后由指端向中間遞減，齒輪連桿的前端應(yīng)變量最小。其夾指指端的最大應(yīng)變量可以達(dá)到0.019 mm，這個應(yīng)變量的大小跟選用的材質(zhì)有很大關(guān)系，6061鋁合金具有韌性高的特點。由于夾持對象為水果的母枝，因此應(yīng)盡量選擇韌性高一點的材質(zhì)，在保持合理夾持力的同時也會減少對母枝的破壞，做到無損采摘。

通過對末端執(zhí)行器應(yīng)力和應(yīng)變云圖的分析，可以為以后末端執(zhí)行器的設(shè)計提供一定的理論支持，尤其是在材質(zhì)選擇和夾指強度設(shè)計上。

3.2 末端執(zhí)行器運動學(xué)仿真

3.2.1 建立虛擬樣機模型

借助Adams虛擬樣機可以分析末端執(zhí)行器運動的平順性和合理性，判定該結(jié)構(gòu)是否在采摘工作中存在干涉問題[4]。將SolidWorks模型另存為parasolid（*.X_T）格式，導(dǎo)入Adams中進(jìn)行質(zhì)量屬性等的設(shè)置。由于模型導(dǎo)入后為了方便運算，需要將部分零件進(jìn)行布爾加運算。給末端執(zhí)行器關(guān)節(jié)部位添加旋轉(zhuǎn)副，非動作部位添加固定副。確保各部分之間有著約束又不影響相對運動。添加完的約束模型如圖6所示。在虛擬樣機中對齒輪連桿添加正反2個方向的驅(qū)動，并通過設(shè)置時間（time）和步長（step）實現(xiàn)夾指的夾持和松開動作。

3.2.2 仿真結(jié)果分析

在虛擬樣機模型中標(biāo)記夾指前端，并在后處理模塊導(dǎo)出該部位的速度、角速度以及位置曲線，如圖7（a）和圖7（b）所示。

通過圖7（a）速度、角速度時間曲線圖可以看出，末端執(zhí)行器在虛擬樣機中運行比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大的波動。從圖7（b）位置時間曲線圖中的也可以看出，其基本與假定的夾指運動軌跡一樣，能夠平穩(wěn)完成母枝的夾持動作。進(jìn)一步驗證了末端執(zhí)行器運用于水果采摘中的合理性與可行性。

4 結(jié)論

該文對夾持式末端執(zhí)行器應(yīng)用于水果采摘中的可行性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了一種夾持力的計算方法，借助有限元分析確定了該結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變最大的部位，為末端執(zhí)行器以后的設(shè)計和改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。最后通過Admas虛擬樣機驗證了末端執(zhí)行器在完成夾持動作時的連貫性和平順性。通過以上分析可以看出，該末端執(zhí)行器應(yīng)用于水果采摘中是切實可行的，具有一定的合理性和可行性。

參考文獻(xiàn)

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