李俊良 张天周 朱天奇 崔冰艳
摘 要：为提高苹果采摘作业效率，降低劳动强度与采摘过程中苹果的损坏率，根据连杆机构的运动特点，研制末端执行器为半圆形结构的新型采摘机械手。该采摘机械手具有四自由度，在作业中可以完成整机360°旋转、机械臂仰俯、末端执行器旋转和闭合抓取动作。连杆机构的创新性优化使得机构更为简单轻便，并可在其他领域进行创新性设计与应用。
关键词：连杆机构 采摘机械手 机构创新设计
中图分类号：S372 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（a）-0114-02
果实采摘是劳动密集型作业，果树种植园中果实采摘作业过程会消耗大量体力并且耗费大量时间，工作强度极大并且季节性强[1]。目前人工收获过程中主要是人工进行弯腰采摘或者借助梯子登高进行采摘，这样的方式不仅受天气的制约并且还具有一定危险性[2]。因此，研制一款基于连杆机构的采摘机械手，降低在采摘时对果实的伤害，降低人工采摘和水果采摘器采摘的费时、费力的特性，提高采摘效率，保证果实新鲜程度，进而使果园增多收益，具有很好的农业发展前景。
1 采摘机械手的设计
如图1所示，应用Solidworks软件构建基于连杆机构采摘机械手的三维模型，进行电机选型以及分析机械臂部分的运动轨迹，利用装配系统对各个构件进行装配从而装配成机械手，进一步完成机械手的参数化设计，进行机械手运动分析。
1.1 机械手半圆形末端执行器的设计
如图2所示该半圆形机械手主要由半圆开合机构1、连杆6、和齿轮传动器2等几大部分组成，在设计的齿轮传动结构中，电机齿轮与顶部传动齿轮啮合，实现动力的传输，顶部齿轮的两个方向分别铰接半圆形机械手，当电机转动时，通过齿轮啮合传动带动两个半圆形机械手爪部的闭合，进而实现切割果柄采摘果实的功能。末端执行器通过电机驱动轴与机械手臂部分结合，通过电机驱动轴的转动可调节末端执行器工作的角度，根据果实果柄生长方向的不同可选取不同的角度进行采摘。采摘过程中通过半圆形末端执行器开合动作，将目标果实覆盖的同时切断果柄，完成采摘作业。
末端执行器两侧是半圆结构，两个半圆形结构可以保证其合拢后的半球状包围空间稍大于果实尺寸，从而机械手弧形刀片可以实现对果柄的切割打断，同时保证果实划入设定的滑道缓冲装置中。
1.2 刀片与刀槽啮合切割果柄的实现
如图3和图4所示弧形刀片焊接于左侧半圆形机械手圆弧内侧，并在半圆形机械手右侧圆弧内侧设置刀槽，刀片切割果柄后进入刀槽，设置刀槽的目的在于为刀片切割提供充足切割空间以便于能够完全将果柄切断，半圆形机械手圆形内侧贴有海绵层，作为保护层来避免果实与半圆形爪部的直接接触。
半圆形机械手的闭合将目标果实包围其中，末端执行器下一步的任务就是要将果柄割断。通常果柄相对于末端执行器的方位有较大的随机性，半圆形弧形刀片与刀槽的啮合可将刀片与刀槽之间任意相位置的果柄切断。果实被包围在了合拢半圆形机械手的内部，果实顺着滑道下滑至缓冲机构。
1.3 机械手臂的设计
如图3所示连杆机构机械手臂，考虑到果树枝叶较为繁多，该设计结构简单、触及范围大、并且灵活轻便。通过伺服电机1的工作来实现机械手底座的旋转功能，可以实现360°旋转。通过伺服电机7的工作来控制连杆的摆动，实现整个机械手在前后空间的姿态调节。伺服电机5连接末端执行器的电机驱动轴，通过电机的工作实现对末端执行器采摘姿态的角度调节。
机械手臂作为实现采摘机器人灵活度的重要构件，机械臂的结构与功能对整个采摘机器人的性能起着至关重要的作用[3]。我们重点钻研了机械臂在运动时手部的位姿和机械手的参考点在不同位置所能够到达的点的范围，在设计中通过考虑机械臂各杆件的尺寸、运动副类型和杆间的相互关系来确定末端执行器所能实现的动作。通过Solidworks软件进行仿真模拟，获取在采摘作业时采摘机械手能够到达的作业范围。
2 结语
机械手的多个部位采用创新性设计，将采摘机械手爪部设计为半圆形，可以在采摘过程中将果柄剪断并且有效保护果实。根据连杆机构的运动特点对机械手臂进行设计，使得整个机械手结构简单轻巧，相关优化结构可在其他果蔬采摘工作中进行改进与应用。
参考文献
[1]陈川雄，张学明，汪小志.苹果采摘六自由度机械手设计[J].农机化研究，2016（7）：65-69.
[2]丁详青，马莉.采摘机器人机械手结构设计与分析[J].机床与液压，2017（23）：40-42.
[3]周巍，赵言正.七自由度机械臂结构设计与工作空间分析[J].機电一体化，2012（2）：13-16.
