百香果采摘末端执行机构的总体结构设计与分析*

黄才贵，辛华健

（1.南宁学院，广西 南宁 530200；2.广西工业职业技术学院，广西 南宁 530001）

0 引言

热带和亚热带地区富产百香果，我国百香果种植主要分布在南方，如广东、广西、云南、福建、台湾等地区，这些地区气候偏暖和。百香果成熟后发出10多种水果香味，果汁酸甜爽口、口感浓郁，气味芳香，所以可以称之为饮料之王[1-4]。同时，百香果富含氨基酸、维生素等营养成分[5]。随着百香果的市场需求不断加大，在广西南宁、玉林、百色等地均有大量种植，种植的主要是紫百香果。近几年，百香果作为南方部分地区脱贫致富的农作物，市场前景好[6-7]。当大量采摘百香果时，人工分级就变得复杂，消耗大量的人力物力。因此，如何发挥广西省百香果的资源优势和产量优势，扩大百香果的销售，已成为目前面临的一个重大问题。

近年来，尽管我国农业机械化发展较快，但整体水平还比较落后，特别是在水果采摘的机械化装备上。目前，百香果采摘主要还是以人工为主，其劳动强度大、效率低、人工成本高且安全性低。目前也出现一些水果采摘的机器人或者装置，但大多还是处于研究试验阶段，还不能百分百做到柔性采摘，在采摘过程中容易出现挤破果实的现象，采摘技术还不够成熟。关于百香果采摘的装置或者机械手，目前尚未发现。基于此，笔者设计了一种结构简单合理且轻便的百香果采摘末端执行机构。

1 总体结构方案设计及原理

1.1 总体结构方案

百香果采摘末端执行机构的总体设计图如图1所示，包括驱动部分、盘座部分、拉绳、关节一、关节二、关节三，其结构连接关系为：拉绳下端固定在驱动部分上，拉绳依次穿过盘座部分、关节一、关节二，拉绳上端固定在关节三上，关节一底部铰接于盘座部分上，关节二底部铰接于关节一上端，关节三底部铰接于关节二上端。

图1 总体设计图

1.2 工作原理及优点

机械手中的弹簧A、弹簧B、弹簧C、弹簧D的弹力大小对比为：弹簧B<弹簧C<弹簧D<弹簧A。弹簧B、弹簧C、弹簧D弹力依次增大，因为弹力越小使得变形量越大，则收缩越快，使得关节一、关节二、关节三依次向内收缩包络夹持果实。弹簧A弹力最大，目的是等关节一、关节二、关节三对果实夹持完了之后，再克服压力球的力，当达到或大于压力球的力时，则会在弹簧A大变形之后快速驱动拉绳而带动活动盘以上的部件和果实快速旋转，将果实旋转摘下。

工作时，拉动驱动杆，通过拉杆带动弹簧A再带动拉绳，拉绳驱动关节一、关节二和关节三往内转动包络夹持果实，继续拉动驱动杆，则滑块克服压力球的作用，在拉绳的驱动下活动盘被快速拉动旋转，进而带动三个关节以及被包络的果实快速旋转，将果实摘下，松开驱动杆后，在扭簧的驱动下活动盘回位，关节一、关节二和关节三张开，即可拿出果实。

机构具备的优点为：其中的关节一、关节二、关节三处采用三级的弹簧设计，实现三个关节的逐步按顺序夹持的动作，采摘时可以保证一定的柔性夹持，尽可能避免百香果由于压力过大受损。此外，固定座上设置的压力球，可以在果实被机械手包络之后，继续拉动驱动杆使得活动盘旋转，从而让果实被快速摘下，结构设计合理适用。

2 各关键部件的结构设计

2.1 三指柔性关节的设计

三指柔性关节的结构如图2所示，关节一上固定设置有套环A，关节二上固定设置有套环B，关节三上固定设置有套环C，套环A、套环B、套环C上设置有孔洞，拉绳依次穿过套环A、套环B、套环C上的孔洞，拉绳上端与套环C固定连接。

图2 三指柔性关节的结构

2.2 驱动部分设计

驱动部分结构如图3所示，包括驱动杆、拉杆、连接盘A、弹簧A、连接盘B，拉杆的材质为橡胶，其结构连接关系为：拉杆下端固定连接驱动杆上端，拉杆上端固定连接连接盘A，连接盘A和连接盘B之间连接设置有弹簧A，弹簧A下端固定连接连接盘A，弹簧A上端固定连接连接盘B，拉绳的下端固定连接在连接盘B上。关节一和活动盘之间设置有弹簧B，关节一和关节二之间设置有弹簧C，关节二和关节三之间设置有弹簧D，其结构连接关系为：弹簧B下端固定连接活动盘，弹簧B上端固定连接关节一；弹簧C下端固定连接关节一，弹簧C上端固定连接关节二；弹簧D下端固定连接关节二，弹簧D上端固定连接关节三。

图3 驱动部分结构

2.3 盘座部分设计

盘座部分结构图如图4所示，包括固定盘、活动盘、固定座，其结构连接关系为：固定座固定同轴安装在固定盘上，活动盘同轴安装在固定座上。固定盘外圈处设置有套管B，套管B穿过固定盘，活动盘外圈处设置有套管A，套管A穿过活动盘，套管B和套管A上设置有通孔，拉绳穿过套管B和套管A上的通孔。活动盘和固定座之间设置有扭簧，扭簧上端固定连接活动盘，扭簧下端固定连接固定座。

固定盘上设置有滑槽，滑槽内设置有压力球和弹簧，弹簧一端固定连接滑槽，弹簧另一端固定连接压力球。活动盘下部设置有滑块，滑块顶部固定连接在活动盘下部，滑块底部滑动安装在固定座的滑槽内。

如图5所示，压力球中设置有限压结构，包括凹槽、压力珠、弹簧E，其结构连接关系为：弹簧E设置在凹槽内一侧的孔洞里，弹簧E一端固定连接孔洞底部，弹簧E另一端固定连接压力珠。活动盘和固定座之间设置有扭簧，扭簧上端固定连接活动盘，扭簧下端固定连接固定座。

3 结构的力学分析与有限元仿真

在工作过程中，需要驱动拉绳拉动套环进而驱动关节的动作，此时需要考虑套环的刚度和强度、变形等是否符合要求，变形过大或者过小、刚度和强度不够都会影响关节驱动动作和后续的夹紧动作，因此，需要对套环和关节的连接进行有限元分析。对其有限元分析的基本思路如下。

1）首先，利用三维数字设计软件将三维数字模型建立好，再将模型导入到有限元分析软件中，进行网格划分，绘制出关节三维数字模型如图6所示。

图6 关节三维数字模型

2）接着进行模型的前置处理，在有限元分析软件中建立力学关系，对于静态的力学分析采用静力结构分析，导入到有限元分析软件的运动动力学分析模块，然后进行网格划分，选择的网格划分方式为自动划分，得到的划分结果如图7所示。

图7 网格划分结果

3）然后设置模型的材料属性，赋予材料特性，主要包括材料的类型、名称、弹性模量、泊松比、质量密度、抗拉强度、屈服强度等等，添加材料属性；设置材料属性：设置关节的材料为ABS材质，材料库中添加ABS材料，并将材料性能赋予到材料中，各项参数如表1所示[8]。

表1 ABS材质部分属性

4）对模型的受力点进行约束和载荷的施加，设置好约束类型，添加合适的载荷，如图8所示，施加的载荷在套环处。

图8 约束和载荷的施加

5）最后，进行后处理分析，结算之后查看总变形云图和等效应力云图，分析云图的最大值，并对比分析是否符合设计要求，再求解，得到结果如图9所示为总变形云图，如图10所示为等效应力云图。

图9 总变形云图

图10 等效应力云图

由有限元分析结果可知，最大变形量为0.022 1 mm，变形量极小，符合要求；最大应力点为5.003 MPa，远小于屈服强度，符合设计要求。

4 结语

通过对其手指关节外形及内部传动结构的设计，实现一定柔性的果实采摘，保证采摘果实的完好性以及采摘的有效性和稳定性。最后，经过有限元分析，说明了设计的结果符合要求，这为之后百香果采摘机械化提供一定的技术基础和参考。