沙果采摘机升降装置设计及仿真

毕可乔 ， 孙立鹏 ， 王 慧 ， 张晓龙

（1.黑龙江农业职业技术学院，黑龙江 佳木斯 154007；2.佳木斯市潜兴农业机械研发有限公司，黑龙江 佳木斯 154002）

0 引言

我国的水果生产量一直居世界前列[1]。国家统计局数据显示，2019年我国果园种植面积共计1.841 5亿亩。因此，水果采摘工作量巨大，在采摘过程中还要注意果实采摘的质量，质量的好坏直接影响着产品的价格、储存、运输等后续工作[2]。针对上述问题，国内外相关专家学者研发出多种水果采摘机械[3-4]。Abundant公司推出一款新型吸气式苹果采摘机器人（通过树上抽真空的方式来采摘苹果）。该机器人通过视觉传感技术来辨别树上果实的成熟度，采摘过程不会伤害果树、果枝、果实。英国奥克杜（Ocadu）公司研发的一款柔软手臂机器人，通过改变材料内部的压力来采摘东西，机器人的手臂、手指、手掌可以通过调节本身的结构形状来配合物体的形状，能在保护对象结构的同时，将实物摘下。华南农业大学研发了一种新型荔枝采摘机器人，该机器人采用双立体的视觉对果实进行准确定位，用夹指夹紧枝条，再用剪切的方式切断果枝，该机器适用于多种采摘对象，通用性强[5]。

沙果是水果产业中重要的水果之一，是一种营养价值很高的水果。沙果的果实较小，果皮较薄，采摘过程中，果皮易破损，影响售卖价格[6]。本研究结合上述水果采摘机械研究现状，结合国内沙果采摘机械发展情况，提出一种自走式沙果采摘机。升降台是该机关键装置，影响着整机的采摘效率，因此，本研究重点对其升降装置进行理论分析及有限元仿真，保证其工作可靠，提高采摘效率，降低收获成本，对沙果采摘机械的发展有重要理论意义。

1 结构组成及工作原理

自走式沙果采摘机由采摘系统、控制系统和动力系统三大系统组成。其中采摘系统包含采摘机械手、果实收集箱等，动力系统包括电源（太阳能板、蓄电池等）、行走装置和折叠式升降装置。该机采用太阳能与蓄电池混合提供动力，解决了单一方式供能时间短的问题，打破对传统能源的依赖。该机器通过视觉传感技术，利用摄像头采集信息反馈到控制系统，判别沙果的成熟度，使用机械手对满足要求的沙果进行采摘。当采摘机靠近果树时，通过电机输出的动力，在腰部旋转机构固定，折叠式升降装置升高，使底部行走机构带动机械手调整高度接近果实，由控制系统发出指令调节气压缸，实现机械手的俯仰动作。机械手张开手指，将树枝包围，利用气流的吸气作用，果实被吸附在橡胶吸嘴上，机械手闭合，反方向移动到收集箱位置，机械手打开并旋转90°将沙果放入果实收集箱内，结束一次采摘。

2 升降装置仿真分析

2.1 理论分析

折叠式升降装置的结构简图与整体受力分析分别如图1、图2所示，ae单杆受力如图3所示，d、f两点为在顶板与底板固定点，a、c为左右移动点，推杆推力为f（取f＝0.45），杆长为l＝0.5 m，重量忽略不计；α为各杆与平面的夹角（α＝45°）；θ为底杆与y方向的角度（θ＝60°）；γ与β分别取30°与60°；G为顶板上载荷重量（G＝50 kg×9.8 N/kg＝490 N）；P为线矩（P＝0.25 m）；o、i分别为ae、ec杆对称点；对各个机构力列出方程求解，计算出各绞点力的大小[7]。

图1 升降装置结构简图

图2 整体受力分析

图3 ae单杆受力分析图

各绞点力分析方程：

则：

ae杆受力分析：

整理得：

2.2 仿真模型的建立

利用Creo 5.0建立三维模型，对升降装置的零件进行绘制并完成装配，如图4所示。

图4 升降装置三维模型

建立基准点，单击装配图中升降装置的末端一点；进入Creo 5.0功能板中Simulate模块，单击选项板中“材料”，双击选择“steel”材料，参考选择“分量”，选择要分配材料的零件，属性材料选择刚刚添加的“steel”材料方向“无”，点击“确定”，完成升降台材料的分配[8]。升降装置材料属性如表1所示。

表1 升降装置材料属性表

施加约束：升降装置与底盘固定，在“约束”选择功能区单击“位移约束”，将升降装置底部4个支撑点添加位移约束，将其平移的3个自由度固定，单击“确定”完成约束的建立。

创建载荷：在“载荷”模块选择单击“力与力矩”，由2.1理论分析可知，在a点X、Y方向添加-77.96 N、173.24 N的力；在b点X、Y方向添加-169.00 N、287.73 N的力；在c点X、Y方向添加-77.96 N、173.24 N的力；在d点X、Y方向添加-77.96 N、71.76 N的力；在e点X、Y方向添加-77.96 N、456.73 N的力；在f点X、Y方向添加-110.25 N、245.00 N的力；在o点X、Y方向添加-77.96 N、456.73 N的力；在i点X、Y方向添加-77.96 N、456.73 N的力；单击“确定”完成载荷施加。

网格划分：在Creo Simulate的集成模式下点击“精细模型”下“Auto GEM”命令将自动完成网格划分，通过Auto GEM摘要可观察到升降装置被划分为4 974个网格元素、1 632个节点。至此完成升降装置模型的前处理，网格划分结果如图5所示。

图5 升降装置网格划分结果

2.3 静态分析

定义静态分析：在“分析”选择功能区单击“分析和设计研究”，弹出响应对话框，单击“文件”选择“新建静态分析”，输入新建名称，确定约束栏相关内容，选择“单通道自适应”的收敛方式，其他选项默认设置，单击确定完成静态分析定义[9]。

执行静态分析：在“分析和设计研究”对话框要保证定义分析被选中，在选择菜单栏单击“开始运行”或选择“运行（R）”→“开始”命令，开始执行静态分析，在执行分析过程中，可通过选择“信息（I）”→“状态”进行查看分析进度[10]。

结果分析：完成上述设置与处理后，在“分析和设计研究”对话框查看设计，打开“结果窗口定义”，显示类型“条纹”，显示量“位移”，显示分量“模”，静态分析结果如图6所示。分析结果图显示，当升降装置达到最高点、收集箱达到最大容量时，此时的最大形变发生在a点，变形量为0.166 639 mm（可忽略不计）；最大应力出现在i点附近，最大剪应力为13.003 5 MPa，远小于材料屈服强度240 MPa。由仿真结果可知，该升降装置满足设计要求。

图6 升降装置静态分析结果

3 结论

综合考虑沙果机械采摘工作条件的需要，利用Creo Parametric 5.0软件对折叠式升降装置进行三维建模，并对其进行理论分析和静态分析，分析结果显示当升降装置达到最高点时，升降装置的最大形变发生在右上绞点，变形量为0.166 639 mm（可忽略不计）；最大应力出现在中心绞点附近，最大剪应力为13.003 5 MPa，远小于材料屈服强度240 MPa，满足设计要求。