菠蘿采摘機械手結構設計

利用機器人技術實現果實精準化、智能化收獲是現代果業(yè)生產技術的發(fā)展方向之一。提出了一種由夾持機構、剪切機構和支撐機構組成的菠蘿采摘機械手。介紹了各主要部件的結構特點和設計參數，利用SolidWorks軟件建立了采摘機械手的虛擬樣機，并進行了田間試驗。項目研究成果可為中國現代果園全程機械化研究提供技術參考。

菠蘿原產巴西，16世紀傳入我國，目前在我國廣東、福建、海南和中國臺灣地區(qū)等地廣泛種植，其中廣東和海南是我國主要菠蘿種植產區(qū)。據統(tǒng)計，我國菠蘿種植面積約6.67萬hm2，年總產量155萬t，年產值達47億元，已成為我國最具特色和競爭優(yōu)勢的熱帶水果之一。

但是目前菠蘿種植過程全程機械化程度較低，尤其是收獲環(huán)節(jié)，由于菠蘿果實生長在蓮座狀葉叢中心，傳統(tǒng)機械化收獲手段容易造成果實和果樹的損傷，嚴重影響菠蘿品質和銷售價格，因此多數地區(qū)仍然采用人工收獲方式。但是菠蘿成熟時果皮堅硬且?guī)в忻⒋?，葉緣密布鋒利銳齒，人工采摘不僅勞動量大，還容易造成手部傷損，導致收獲高峰期雇傭采摘人手困難。據統(tǒng)計，菠蘿采收作業(yè)成本占到菠蘿生產總成本40%左右。

因此，研究開發(fā)菠蘿采摘的機械手及配套裝備，對減輕農民勞動強度、提高現代果業(yè)市場競爭力具有重要意義。近年來，國內外學者對菠蘿采摘機器人技術進行了廣泛研究。

Li Bin等提出利用機器視覺識別田間菠蘿果實方法；Xia H M等提出基于雙目機器視覺的菠蘿田間定位與采摘運輸方法，并對菠蘿采摘混聯(lián)機構進行設計與運動學分析；胡杰文等、張日紅等和施俊俠等設計出一種菠蘿自動采摘機并進行了相關的仿真與優(yōu)化；陳章恒等設計出一種菠蘿采摘車，采用特殊收集裝置將菠蘿引導并切斷；吳沛晟等提出了一種實用化采摘機器人的設計思路。上述研究對菠蘿的機械化采摘提供了良好的支撐，但是目前研究多是方案理念，沒有相關實用樣機或者田間試驗的報道。

該文研制的菠蘿采摘機械手，針對菠蘿自身的結構特征，通過夾持機構與刀組，實現自動化采摘菠蘿，避免人工采摘過程中的刺傷，并且通過傳感器與擋板的配合設計減少對成熟菠蘿果實的損傷，菠蘿采摘機自動化控制能夠有效解決勞動力缺乏的現狀。

1總體結構及工作原理

1.1總體結構

設計的菠蘿采摘機械手工作時，需安裝在機械臂上，機械臂安裝在能夠在菠蘿田中行走的機器上，如拖拉機、田間行走機器人等，從而實現完整的菠蘿果實采摘系統(tǒng)。

圖1 菠蘿采摘機械手

菠蘿采摘機械手由夾持機構、剪切機構和支撐機構3部分組成，如圖1所示。夾持機構包括伸縮步進電機、伸縮絲杠、伸縮絲杠滑塊、承載臂、移動菠蘿擋板和固定菠蘿擋板等，主要用于固定菠蘿位置。剪切機構包括切割切刀、剪切支架和齒輪齒條傳動系，通過旋轉切割刀片將菠蘿切下。支撐機構主要由支撐臂、步進電機、絲杠、前進絲杠滑塊、滑道滑塊和滑道等組成，主要用于連接機械臂與機器。

1.2工作原理

裝置整體運行流程如圖2所示。

工作人員操作機械臂，控制菠蘿采摘裝置移動到使菠蘿處于兩菠蘿擋板之間，前進步進電機通過前進絲杠驅動承載臂帶動整個末端裝置使固定菠蘿擋板接觸到菠蘿并貼緊，然后控制伸縮步進電機驅動伸縮絲杠帶動移動菠蘿擋板向菠蘿一側運動，直至前進菠蘿擋板與菠蘿接觸并貼緊。

彈簧連接在彈簧擋板與菠蘿擋板之間，彈簧擋板是固定的，菠蘿擋板可以繞軸運動，并在彈簧作用下歸位，這樣的設計可以使裝置在適合不同形態(tài)菠蘿的同時，將菠蘿更好地固定，可以有效避免損傷到菠蘿果實。

圖2菠蘿采摘工作流程

剪切機構如圖3所示。動力來源于剪切步進電機，在夾持機構夾緊菠蘿果實后，剪切步進電機通過齒輪齒條帶動剪切刀片向前運動，剪切刀片在剪切步進電機的驅動下一直轉動，當旋轉的剪切刀片運動到果柄位置時將其切斷，切割刀片運動到極限位置自動歸位，完成切割。

切割刀片歸位后，移動菠蘿擋板歸位，菠蘿果實掉落。工作過程可實現機械自動化采摘，解放了大量的勞動力，同時避免了人與菠蘿果實的直接接觸，將果實對工人的傷害降到最低。

圖3菠蘿采摘執(zhí)行器結構

2主要部件設計

2.1夾持機構設計

夾持機構如圖4所示，主要由承載部分、擋板部分和控制伸縮部分組成。裝置工作時，固定菠蘿擋板處于固定位置，移動菠蘿擋板與絲杠上的滑塊螺母連接，當裝置運動致使菠蘿處于兩擋板之間時，在電機轉動的情況下通過絲杠上的滑塊螺母帶動前端擋板向菠蘿一側運動，直至兩擋板與菠蘿緊密結合。彈簧可以控制擋板的上下活動角度，以便于適應不同生長狀態(tài)的菠蘿，避免損傷菠蘿表面和根部。

1.伸縮絲杠2.伸縮絲杠滑塊3.軸承座4.承載臂橫梁5.彈簧支架6.彈簧擋板7.彈簧8、9.移動菠蘿擋板10.伸縮步進電機11.承載臂

圖4夾持裝置結構

2.2剪切機構設計

切割裝置由剪切支架、齒條齒輪組、剪切步進電機、齒輪盒和剪切刀片5部分組成，如圖5所示。剪切支架固定在承載臂上，剪切刀片旋轉切割運動和進給運動全部由步進電機帶動。

切割刀片一直處于旋轉狀態(tài)，進給運動屬于間歇運動。當擋板夾緊菠蘿果實之后，會給切割裝置的步進電機傳輸信號，切割刀片通過齒輪與齒條的配合使刀片前進進行切割，當達到固定位置之后刀片做反向歸位運動。刀片的切割半徑大于菠蘿的根部直徑，刀片到達固定位置時可以保證將菠蘿根部切斷。

1.齒條2.剪切支架3.剪切刀片4.齒輪盒5.步進電機

圖5剪切裝置結構

2.3支撐機構設計

支撐部分如圖6所示，主要功能是連接菠蘿采摘裝置與田間作業(yè)裝置，裝置安裝在機器上進行田間菠蘿采摘。支撐臂上裝有步進電機，通過滑道和滑塊連接承載臂，承載臂可以在支撐臂上前后移動以尋找合適的套入位置。承載臂的移動通過步進電機帶動，絲杠傳動實現承載臂的滑移。滑道采用4根滑道的滑移方式，即增加了承重能力，同時也提高了承載臂的運行平穩(wěn)性。

1.承載臂2.滑道支撐座a3.滑塊4.滑道5.滑道支撐座b

6.絲杠滑塊7.步進電機8.支撐臂

圖6支撐裝置結構

3主要技術參數確定

裝置的主要技術參數設定是為了能順利將菠蘿果實夾緊并順利剪切。主要技術參數示意如圖7所示。

圖7主要技術參數示意

3.1夾持距離

裝置的夾持機構為2個菠蘿擋板，固定菠蘿擋板固定不動，移動菠蘿擋板在伸縮步進電機的帶動下向固定菠蘿擋板一側靠攏。根據測量，一般菠蘿果實的直徑在10～20 cm，因此，設計兩菠蘿擋板中心位置距離L=30 cm，足以順利將菠蘿套入，實施夾持。

3.2擋板高度

一般菠蘿果實的高度在10～17 cm，因此，設計的擋板上下寬度H=10 cm，足以將菠蘿1/2以上的高度包圍，有利于擋板與果實更好貼合，便于對果柄的剪切。

3.3刀片半徑

菠蘿果實果柄直徑一般在5～8 cm，因此，設計剪切刀片的半徑為R=9 cm，足以將菠蘿果實果柄切斷，保證菠蘿果實的順利采摘。

3.4伸縮距離

菠蘿果實被夾緊后，果實緊貼固定菠蘿擋板。齒條長度設計為S=30 cm，剪切刀片通過齒輪齒條配合前進的行程S大于菠蘿果實半徑與果柄半徑之和，在菠蘿順利套入后可以保證將根部完全切斷。

4樣機試驗

2018年5月27—29日，在廣東省中山市小欖鎮(zhèn)進行了菠蘿采摘機械手的田間試驗，試驗樣機如圖8所示，田間示范試驗如圖9所示。

圖8試驗樣機

圖9采摘試驗

試驗結果表明，裝置對于果實夾持位置的判斷準確率達到90%，裝置在試驗過程中能夠準確地下移到需要夾持菠蘿的位置。果實夾持力度的設置將果實損傷率降低到5%，基本沒有出現損傷果實的現象。

試驗存在的問題是裝置在田間運作比較依靠田間行走裝置的穩(wěn)定性，主要原因一是裝置需要依靠田間行走裝置達到相對于菠蘿果實水平的位置，二是在田間行走過程中，需要保證裝置不被損壞。

設計了一種可與田間行走裝置結合的菠蘿采摘機械手，并完成樣機制作，田間試驗結果表現良好。裝置能夠很好地與田間行走裝置結合，結構緊密，系統(tǒng)可靠，能夠完成菠蘿的自動化采摘工作，既能保證不損傷菠蘿果實與植株，也能夠有效地提高效率，解放勞動力，在菠蘿種植地區(qū)有廣大的經濟效益。

（作者：李道義 陳雷 尚小龍 王梓超 王威 楊旭龍）