多功能苹果采摘包装机的设计与仿真

左 斌， 张永康， 郭南初

（苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州215104）

0 引 言

中国是世界上苹果产量第一大国，其产量占世界苹果总产量的60%，也是世界苹果消费大国，每年苹果需求量达到了世界总量的50%［1-5］。农业农村部数据显示，最近10 年来苹果的种植产量和种植面积每年都在稳步增长，截止到2018 年年底，共有3 923 万t的苹果产量，随着苹果产量的增加却给采摘带来了一系列的问题［6-8］。

目前，国内苹果的采摘多采用人工进行，在采摘过程中存在劳动量大、人力成本高、耗时长，采摘效率低等问题［9-11］。国外早已从手工方式转变为机械化、智能化的机器人采摘。Brown 等［12］初次提出了以机器人技术为主的半自动化果蔬采摘技术，Kondo［13］等开发了番茄采摘机器手，Muscato 等［14］成功研发了柑橘采摘机器人。本文设计了一种新型的力度可控的多功能苹果采摘包装机，可实现不同大小的苹果采摘并实现自动包装，大大降低采摘成本、人工劳动强度，节约了采摘时间。

1 苹果采摘包装机整体设计结构与原理

苹果采摘器主要由机械采摘头、手持伸缩杆、控制系统、包装装置和行走小车组成，整体结构如图1所示。

图1 苹果采摘包装机整体结构

苹果采摘器的功能如下：采摘时，行走小车在控制系统作用下开至果园处，手持式伸缩杆将机械采摘头送至苹果附近，按下控制系统面板上的采摘键，机械采摘头抓取苹果；通过采摘头上的压力传感器控制抓取力大小，当抓取力达到设定值时，采摘头中的电动机会按照设定参数进行旋转拧断苹果根蒂；随后采摘头会自动松开采摘的苹果，掉落的苹果通过输送软管缓慢进入包装装置；包装装置在控制系统的作用下对苹果进行封装，最终完成从苹果采摘到包装的一体化采摘作业。该装置能满足不同高度的果树及不同大小的苹果采摘作业。

1.1 机械采摘头

目前国内现有的采摘头大多只能实现简易的拉拽或旋转功能，而水果采摘的力度和时间均需通过人力控制，效率较低［15］。本文中所提供的是一种自动化程度较高的机械采摘头，可以提高采摘效率，结构如图2所示，由三爪、压力传感器、连杆、抓取电动机和旋转电动机等部分组成。三爪外端装有橡胶套防止苹果损伤，三爪通过连杆连接在采摘头上，实现张开与闭合动作。抓取电动机则通过驱动滑块上下移动来控制三爪的抓取动作，旋转电动机固联在支撑杆上起到拧断苹果根蒂的作用。三爪上配有压力传感器，利用传感器特性控制抓取电动机在采摘水果时力的大小。以上结构中的压力传感器的型号为HX711，量程为0.5 ～5 kg，两种小型的电动机均为直流电动机，型号为25GA370，空载最高转速为2 000 r／min，电压为12 V，空载电流为100 mA。

图2 采摘机械手结构

1.2 自动包装装置

自动包装装置主要由自动包装机、自动码箱机构和行走小车组成，如图3 所示。

图3 自动包装装置结构

包装机用来包装水果，它是自动包装装置的核心机构；码箱机构是对水果进行自动装箱处理；小车是在包装装置的最下端，用来运送包装装置。

488 Effects of stromal cell-derived factor 1 of spinal dorsal horn on central sensitivity and allodynia in rats with persistent pain evoked by skin/muscle incision and retraction

自动包装机结构如图4 所示，由导向轮、合拢密封器、驱动轮和切断密封器组成。

图4 包装机结构

导向轮固定在包装装置的上部，包装时两个导向轮以相反方向转动，引导包装膜向前运动；合拢密封器分别固定在包装机正面的左右两侧，通过直流电动机带动两个合拢密封器实现相向运动完成包装膜的密封；驱动轮安装在合拢密封器的下部，密封的包装膜在驱动轮的牵引下继续向下运动一个水果的包装长度；切断密封器上配有电加热丝，通过电动机转动使得两个密封器相向运动完成包装膜的切断。

自动码箱机构如图5 所示，由水果箱、丝母座、丝杆、轴承座、固定架等组成。

图5 码箱机构

水果箱设计成与水平面倾斜20°，由此可利用引力使苹果始终处于最低处。苹果包装完成后自动落入最低处，当箱子最底部排满苹果后，丝杠会驱动丝母座带动水果箱移动大于一个苹果的直径距离，进行第2排的水果装箱，依此反复直至整个水果箱码箱完成，按下出箱键，码好的整箱水果从包装机内推出，完成操作。

行走小车如图6 所示，由底盘、动力轮、履带轮和履带组成，底盘是由多根型材组合而成，动力轮分别通过推力轴承连接在左右两侧的型材上，履带式运载底座确保在较为恶劣的环境下也能顺利作业，小车可以实现原地旋转、前后移动等动作。

图6 行走小车

1.3 控制系统

采摘器的控制系统由机械采摘手张、合和自动包装控制组成。以压力传感器为信号，通过单片机STC89C52RC-40I控制直流电动机来驱动机械手张、合动作。自动包装装置入口设有红外探测仪，当水果落下，探测仪感知后，输出信号，包装机开始运作，控制系统流程如图7 所示，通过伸缩杆将机械手送到水果附近，机械手自动抓取水果，当抓取力达到预设值抓取动作完成，机械手开始旋转拧下水果，随后机械手自动张开，水果落入输送管道进入包装系统，包装后水果落入自动码箱机构，进行自动码箱。控制电路实物如图8所示，包括电源、运行电动机、通信输出线、压力传感器开关和显示屏控制等组成。

2 采摘机械手相关计算

2.1 运动学分析

采摘机械手是苹果采摘器最为核心的部件，其结构设计不仅影响采摘的动作，而且影响采摘的效率，有必要对其进行运动学分析，以验证其动作的可靠性以及运行的灵活性。

图7 控制系统流程图

图8 操作控制面板

采摘机械手的抓取动力源是由抓取电动机驱动滑块实现机械爪头的张开和闭合，其机构简图如图9所示。

图9 采摘机械手机构简图

根据下式

可以计算出采摘机械手的机构自由度为1，而该抓取动作是由一个电动机作为原动件的，该采摘机械手的运动是确定的，符合运动学原理。式中：F为机构的自由度；n为活动构件的数目；Pl为低副的数目；Ph为高副的数目。

根据机构简图绘制出采摘机械手的封闭矢量图，如图10 所示。该机构的矢量方程为：

式中：l1、l2分别为采摘头旋转点到固定铰链、滑块的长度；h为固定铰链到滑块的偏心距；S 为滑块移动的距离。

图10 采摘机械手矢量图

矢量方程在x、y上投影关系如下：

式中：θ1、θ2分别为l1、l2与水平面的夹角；ω1、ω2分别为l1、l2对应的角速度；a1、a2分别为l1、l2对应的角加速度。

2.2 受力分析

机械采摘头共有3 个均匀对称分布的爪片，采摘苹果时，机械采摘头的多个爪片共同配合夹持水果，爪片在夹持和松开水果时相互间均保持120°的几何对称关系且动作一致。因此不考虑微观上的影响，3 个爪片受力相同。如图11 所示，以1 个爪片夹持苹果时的情形作为研究对象进行分析。F1为第一个爪片作

图11 苹果受力分析图

用于苹果的夹持力，F1f为第一个爪片作用于苹果的摩擦力，θ为夹持爪片与苹果中心的夹角，将F1和F1f分解成水平和竖直方向上的分力如下：

同理，由式（8）可得F2、F2f、F3和F3f在水平和竖直方向上的分力，因此可以列出苹果在夹持时的平衡方程：

考虑到3 个爪片对苹果的夹持力相等，式（9）可以简化为：

如果取摩擦系数μ为已知值，可以由式（10）进一步求解，得：

由（11）可知，夹持力F1的大小取决于水果的重量、爪片的材质和水果的大小，水果越重，所需的夹持力就越大；爪片材质越粗糙，所需的夹持力就越小。

3 采摘机械手仿真分析

3.1 运动学仿真

为了验证采摘机械手的运动特性，对其进行运动学仿真。利用Solidworks［16］建立采摘机械手的三维模型，并在其motion环境下设置运动副的类型和加载电动机驱动进行运动学仿真。

图12 所示为采摘机械爪片的角速度曲线图，在整个抓取过程中，角速度每秒变化只有±0.4°，运动平稳性好，可以完成相应动作。随着爪片的闭合，角速度的变化逐步变小。

图12 采摘机械爪片的角速度

图13 所示为采摘机械爪片的角加速度曲线图，在整个抓取过程中，角加速度的变化为0.34°／s，故在采摘过程中无剧烈振动。

图13 采摘机械爪片的角加速度

3.2 力学分析

由前面分析可知，该采摘头的3 个爪片之间的受力基本一致，故只对其中一个爪片进行ANSYS有限元仿真分析。采摘过程不允许采摘头出现塑性变形，必须保证受力过程中处于它的弹性范围内。采摘头的材料选择PE，其密度为950 kg／m3，弹性模量为0.8 GPa，抗拉强度为30 MPa，抗压强度为20 MPa，网格划分单元采用6 面体Hex Dominant，如图14 所示。

图14 采摘机械爪片网格划分

在网格划分完成后，添加左侧和底部两个圆柱孔为固定约束，加载抓取水果时传感器设定的最大压力为60 N［17］，通过有限元计算出采摘头的应变分布如图15 所示，最大的变形出现在爪片的头部上，变形量为0.194 mm，满足结构的基本要求。

图15 采摘机械爪片应变分布图

采摘机械爪片的应力分布图如图16 所示，最大应力出现在底部凸耳与主体连接处，其值为3.25 MPa，低于其抗拉和抗压强度值，故该采摘机械爪片的设计符合强度要求。

图16 采摘机械爪片应力分布图

4 实 验

根据苹果采摘包装机的结构设计和运动分析，制作的苹果采摘器实物样机如图17 所示，实验在室外进行，经过多次不同高度的采摘试验，均能完成水果采摘和包装。该装置采用单片机控制机械手抓取水果，掉落的水果经管道到达包装机处，包装机在传感器的控制下完成水果的包装，整个过程自动化程度高，采摘效率高，3 s左右即可完成水果的自动采摘和包装，且适用于多种采摘场地。

图17 苹果采摘器实物图

5 结 语

本文提供了一种集采摘和包装于一体的多功能采摘器，可应用于多种水果的采摘。通过分析，该采摘器的结构合理，强度满足要求，经试验采摘效率也明显高于人工采摘。其设计特点主要有：自适应机械手，可以自动抓取且力度可控；自动化包装机及码箱于一体，实现了从采摘到包装的自动化过程；模块化的设计结构巧妙、简易，装拆便捷，可配置不同类型的采摘头，适用于不同种类水果的采摘。该装置具有良好的应用前景和推广价值，目前该项项装置已经申请国家发明专利（ZL201820866606.7、ZL201820816431.9）。