菠萝半自动采摘机的结构设计

刘玉杰　郭安福 姜涛

摘要 由于菠萝树和果实的特殊结构，导致目前国内绝大多数的菠萝采摘都还采用效率低、对手的伤害程度较大的纯手工采摘方式。 首先设计了菠萝半自动采摘机的整体结构，主要包括车身部分、收纳部分、控制部分、输送部分、采摘部分等。其次，采用三维数字化软件Solidworks对菠萝半自动采摘机进行三维建模。最后，对机械手的运动特性进行了分析。设计将有效地解决菠萝采摘难的问题，促进菠萝产业的发展。

关键词 菠萝采摘；机械手；仿真分析

中图分类号 S225.93 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2018）14-0194-04

Structural Design of Semiautomatic Pineapple Picking Machine

LIU Yujie，GUO Anfu，JIANG Tao （School of Mechanical and Automotive Engineering， Liaocheng University， Liaocheng， Shandong 252059）

Abstract Due to the specificity in pineapples shape， manual picking method， which has low efficiency and a great harm in hand， is commonly adopted in China. In order to improve efficiency in picking， the semiautomatic picking machine of the pineapple is firstly proposed in this paper， including the main body part， receiving part， control part， transmission part and picking part. And then， the pineapple semiautomatic picking machine is modeled in the SolidWorks. Finally， corresponding simulation analysis is conducted on motion characteristics of the manipulator. These challenges in picking pineapples will be effectively solved by this picking machine and it is a motivator in the development of pineapple industry.

Key words Pineapple picking； Manipulator； Simulation analysis

果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的环节。采摘季节性强，劳动力密集，价格昂贵。因此，确保及时收获水果，降低收获成本是提高農业收入的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍很低。目前，国内水果采摘作业基本上是人工完成的，其费用占成本的50%～70%，而且时间比较集中[1]。

由于菠萝种植空间均匀，行距大，非常适合机械采摘。另外，菠萝本身具有较高的经济价值，菠萝叶含有丰富的纤维，是一种具有优良天然杀菌性能的纺织材料[2-3]。现代医学还发现，菠萝叶提取物中的一些酚类物质具有降血酯的活性，在心血管药物的开发中具有较高的研究价值[4-5]；同时，叶渣和茎秆还可用于饲料、有机肥和沼气的生产。因此在研究如何实现果实机械采摘时，必须考虑如何保护植株，不破坏植株的潜在经济价值。

自1983年第1台番茄收获机器人在美国问世以来，采摘机器人的研究和开发得到了迅速的发展。近年来，日本在收获机器人研究方面取得了长足的进展，但对收获机器人的研究还处于起步阶段，技术还不成熟，还没有真正商业化[6]。我国农业机器人领域的研究始于20世纪90年代中期，上海交通大学机器人研究所曹其新和刘成良等完成了智能联合收割机样机的研制开发工作。2001年，张瑞合等利用双目立体视觉技术对番茄果实在采收过程中的精确定位进行了研究[7]。然而，果蔬采摘机器人的智能化水平仍然非常有限，离实际应用和商业化还有一定的距离。存在的问题主要有以下几个方面：一是采摘机器人的效率低，主要表现在对水果的识别率和采摘率较低，且损伤率较高。二是采摘机器人制造成本高，利用率低。这主要是由于水果生产的随机性造成的。2014年，辛宝英等[8]研究出一种菠萝采摘机械手结构，但其机械手切割颈部的结构不是很完善，采摘效率低。

笔者根据菠萝的实际种植环境及其生长特点，设计了一类具有较高实用价值的菠萝半自动采摘机，并采用三维数字化软件对菠萝半自动采摘机进行三维建模。同时，对机械手的运动特性进行了分析。

1 菠萝的物理特性分析

菠萝果实的相关参数[8]：菠萝果实呈椭圆球状，纵向直径较长（20～26 cm），横向直径较短（约为18～24 cm），果实平均质量为1.28 kg/个。资料显示，菠萝植株高为0.7～1.0 m，与果实连接处的果柄直径为3～6 cm。随机选取10个菠萝进行菠萝果实直径、果柄直径和质量的测定，结果如表1所示。

2 设计原理及结构

2.1 设计原理 针对菠萝采摘作业季节性强，以人工进行采摘，劳动强度大、费用高还易使人受伤等问题，同时又结合菠萝种植间距均匀、行距较大，十分适合机器采摘条件，设计了一种菠萝半自动采摘机。该设计将人工采摘过程替换为人工控制采摘。由图1中所建坐标可知，驾驶员可经控制台中控制车身单元已确定菠萝果实X坐标方向的位置，再经控制台中控制机械手单元，在第1控制键控制下，机械手整体部分在输送导轨上运动，已确定菠萝果实Y轴方向所在的位置，再经第2控制键控制下，使主液压杆伸出（此时的机械手处于张开的状态），已确定菠萝果实Z轴方向所在的坐标。将菠萝果实在空间完全定位后，操纵第3控制键进行菠萝果实的采摘。最后，在控制机械手单元操纵下将菠萝果实放入收纳箱中。如此循环，进行菠萝果实的采摘。

菠萝半自动采摘机优点：①采摘机机身较窄，可方便在菠萝种植间隙中行驶，防止了采摘机对菠萝沟沿与菠萝植株的破坏。②采摘机的机械手是从菠萝上方进行定位采摘，因而保证了采摘过程中菠萝果实与植株的枝叶不受损伤。③采摘机输送导轨的长度足以对采摘机两侧的菠萝在Y轴方向上的坐标进行定位并施行采摘，提高了采摘效率。④采摘机在采摘过程中，机械手以锯齿轮对菠萝果实颈部进行切断，保证了果实颈部可一次性切断，使采摘过程可顺利完成。

2.2 总体设计 菠萝半自动采摘机主要由菠萝采摘机械手、输送导轨、控制台、收纳箱、车身等几部分组成，整体结构如图1所示。

车身是整个机构的支撑体，采摘机械手、输送导轨、收纳箱都固定在其上。控制台位于驾驶座前方，方便驾驶员对整个机体进行控制。收纳箱安装在采摘机前部，机械手下方，并可进行拆卸，方便果实的收取。输送导轨安装在采摘机前部向上伸出的支撑体上，为机械手的采摘运行预留有足够的高度。采摘机械手以主液压杆为连接固定在输送导轨的滑块上。驾驶员经控制台利用电控系统控制机械手的动作，利用液压动力装置，使机械手固定住菠萝，再用锯齿轮将果实颈部切断，最后经输送导轨送到收纳箱中，完成菠萝的采摘。

其主要技术参数如下：车身尺寸2 500 mm×700 mm×1 970 mm，输送导轨高度1 965 mm，采摘幅宽1 600 mm，主液压杆行程380 mm，副液压杆行程64.2 mm，机械手开度180 mm（理论），锯齿轮转速240 r/min。

3 主要零部件结构设计

3.1 菠萝采摘机械手

3.1.1 工作原理。采摘原理示意如图2所示。

采摘机械手由输送导轨的滑块11固定主液压缸10，由主液压杆支撑轴固定固定架9、13，由固定架固定副液压杆。副液压杆支撑轴通过铰链E、F分别连接连杆3、4，连杆3、4通过铰链A、B连接夹具1、2，同时，夹具通过铰链C、D连接在固定架9、13上。当固定架9、13定准位后，两个副液压杆5、6的支撑轴在液压力的作用下向两侧伸出，带动连杆3、4，进而使夹具1、2绕铰链C、D旋转合并，夹具1、2下端设置有锋利的锯齿轮，待夹具固定住菠萝果实后，锯齿轮在电控装置控制下开始旋转并向外冲出切断菠萝颈部，并套住菠萝果实12，完成采摘。

3.1.2 总体设计及各部件特点。菠萝采摘机械手由夹具、锯齿轮、拉杆、副液压杆、固定架、主液压杆等组成。夹具是一种固定装置，两片呈圆弧状，与菠萝外形相似，起固定、抓紧菠萝的作用。夹具仅设计具有一个旋转自由度，可以保证抓紧菠萝的精确度，同时，夹具还采用具有圆孔的弧形结构，可以减轻夹具的质量。为了保证菠萝顶部不受损伤，夹具上部预留有足够的空间。锯齿轮是一种电控装置，固定在夹具下端的锯齿轮槽中，在夹具上一边一个，其有两种运动，一种是直线运动，在水平方向上，另一种是旋转运动。当夹具即将加紧菠萝时，由电控系统控制使其在槽中旋转的同时从槽中冲出，并将果实颈部切断。因为两个锯齿轮预留有安全的距离，因而两锯齿轮不会打齿。为使结构简单，占用空间小，采用市场上的轮毂锯齿轮，直径为60 mm。拉杆是纯机械结构，其形状呈“S”型，在副液压杆支撑轴的带动下与剪刀的运动方式类似进行张开与合并，进而带动夹具松开或夹紧。副液压杆固定在固定架上，在液压力的作用下使副液压杆支撑轴伸缩，进而带动拉杆；固定架是菠萝采摘机械手的整体支架，起固定作用；主液压杆固定在输送导轨的滑块上，在液压力的作用下，带动菠萝采摘机械手上下移动，以精确调整采摘适宜的高度。菠萝采摘机械手二维机构如图3所示。

3.2 输送导轨 输送导轨主要由滑块、导轨、伺服电机组成。滑块下端在主液压杆连接下固定有机械手，经电控系统控制伺服电机动作，进而使滑块在导轨上做水平运动。该输送导轨市场中已存在，导轨长度可自行定制，控制精度高，并且在滑块停止后具有锁死的功能。输送导轨实物图如图4所示。

3.3 控制台 控制台是整个菠萝采摘机的总控制部位。包括控制机械手单元与控制车身单元。控制机械手单元有3个控制键组成，分别控制机械手整体在导轨上的水平运动、机械手整体竖直运动和机械手抓紧菠萝并实施采摘动作。控制机械手单元利用电控系统，使机械手执行动作，最后将采摘的果实放入收纳箱；控制车身单元与一般车辆功能类似，控制车身的行驶与转向。控制台局部简略图如图5所示。

3.4 车身 车身是菠萝采摘机的支撑体，并与正常车辆具有相同的功能，进行行驶与转向，根据菠萝正常种植间距，设置车身长2 500 mm、宽700 mm。

4 采摘机械手运动特性分析

4.1 采摘机械手极限位置分析 如图1所示，当副液压缸处于伸出状态极限位置，机械手的夹具1、2处于最大开度；当副液压缸收缩到极限位置时，夹具1、2处于闭合状态的极限位置。在设计的过程中，副液压缸支撑轴的行程设计为64.2 mm，使夹具预留有足够的开度夹紧菠萝。

4.2 锯齿轮刃口运动特性分析 线性驱动初始设置如图6所示。

基于Solidworks中的Motion分析，在虚拟三维模型中， 当夹具处于线性开度最大值时，线性驱动设置为64.2 mm，如图6所示线性驱动初始设置，可以得到锯齿轮刃口在果柄径向方向上的线性位移曲线图。锯齿轮刃口线性位移如图7所示。

由图7可知，锯齿轮刃口在果柄径向方向上的线性位移为90 mm（541-451）。根据表1可知，果柄的平均直径为43.8 mm，则当锯齿轮刃口在果柄径向方向上的线性位移为68.1 mm（90-43.2÷2）時，锯齿轮刃口开始与果柄接触；当锯齿轮刃口移至472.9 mm（541-68.1）时，刃口开始与果柄接触。由图7可知，当刃口开始与果柄接触时，即是3.82 s。

5 结论

由于菠萝树、菠萝果实和采摘的特殊性，考虑到菠萝叶中的菠萝纤维拥有很高的经济价值，若是采用全自动机械化

采摘，虽然提高了采摘效率，但同时也伤害了植株，破坏了菠萝叶子，将严重影响菠萝的经济价值。因此，要既经济有效地采摘菠萝，同时又完全脱离人工还是有一定的难度。

对此，该研究设计了菠萝半自动采摘机的整体结构，对菠萝采摘机的各部分结构及工作原理作了介绍，运用Solidworks软件，对整体结构进行了模拟建模，并运用Motion对菠萝采摘机械手进行了运动特性分析。结果表明，该系统整体方案合理，结构简单，安全可靠，生产成本和运行成本低，因机械手从菠萝上方采摘，保证了采摘过程中果实与植株不受损伤，为菠萝采摘机的进一步优化设计与推广使用奠定了基础。

参考文献

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