香蕉采摘机器人结构设计*

梁汉文 ，何万涛 ，郭延艳 ，田学军

（岭南师范学院，广东 湛江 524048）

香蕉是世界四大水果之一，产量和种植面积逐年增加。在香蕉生产链中，除了采摘环节，其他运输、分拣、清洁、包装、杀菌等环节都有一定程度的机械化，因此，要想提高中国整个香蕉产业链的机械化水平，提高香蕉采摘过程的机械化程度是主要环节[1-3]。国外发展香蕉采摘技术的目的是在提高香蕉质量和采摘效率的同时减少安全事故的发生，使香蕉采摘过程自动化、高效化、安全化。目前国内和国际上有两种机械收获香蕉的方法：砍蕉辅助装置法和机械化采摘法[4-5]，但当前我国许多地区的香蕉采摘工作仍然依靠手工完成，这需要消耗大量的人力资源，工人的劳动量非常大，而且效率低下，容易伤害到采摘工人[6]。因此，实现香蕉的机械化采摘，研制先进的香蕉采摘机械，对于提高采摘效率、减少劳动量、降低采摘成本具有重要意义[7]。

1 香蕉采摘机械手设计方案

1.1 整体方案设计

一般香蕉果串的重量在25 kg~35 kg之间，果茎直径在50 mm~100 mm之间，故本文以香蕉果串的重量和果茎直径最大值为样本来设计香蕉采摘机械手[8]。香蕉采摘机器人的整体结构主要有夹持机构、切割机构、果篼机构和臂机构，其整体结构如图1所示。

图1 香蕉采摘机器人整体结构

1.2 主要结构设计

1.2.1 夹具机构设计

夹具机构选择使用螺旋夹具来执行夹持动作，螺旋夹具结构相对简单，易于制造，并且使用电动机提供推力，驱动机构夹紧或松开。传动电机和夹持机构固定在板上，选用1045钢材料减轻重量和冲击，并确保恒定的刚度，夹具机构的结构如图2所示。

图2 夹具机构

以理想闭合状态和最大打开状态为研究状态，夹具机构模型图如图3所示，香蕉的果柄直径取100 mm。当两个夹具打开到最大时，两个夹具与夹具安装中心之间的距离被认为是香蕉茎径的2倍，即200 mm。如果触碰撑杆以最大值打开，而卡爪闭合，则前部必须位于卡爪的中心。因此，初步取触碰撑杆后退的距离为1倍的香蕉果柄直径，即100 mm。取连接杆BA的长度为60 mm、O'O为20.5 mm，曲柄的长度O'A=130 mm，根据相似三角形定理得AC=148.1 mm。由于到点D不能远离支撑固定杆MN，因此连接杆取较小值，即AC=140 mm。此时，O'E=123.85 mm。连接杆AB与前支撑夹具的杆件MN理想的情况下相接触，这样就可在支撑杆上直接安装外物挡住连接杆的前进，让触碰撑杆处于死点平衡静止的位置。考虑杆件外形尺寸，AB与支撑杆MN的最小距离为20/2+20/2=20 mm，O'距离MN的最小距离为O'G=O'E+20=143.85 mm。由于D不能远离支撑夹具MN，接近这一点有利于降低夹具杆的强度要求，因而O'G取稍大值，即O'G＝155 mm，则HG=AE×O'G/O'E=49.4 mm（AE=AB-O'O=39.5 mm），HJ=HG+O'O=69.9 mm。所以支撑杆MN的最小长度为2×HJ+20+20=179.8 mm，约等于180 mm。一般认为，杠杆在打开时不应与两侧的支架接触，并且它们之间应该留有一定的距离，故支撑夹具的杆件MN的外形尺寸长度取265 mm。

图3 夹具机构模型图

1.2.2 切割机构的设计

切割机构可以采用电机作为动力源，直接驱动碳钢锯片进行切割操作，这样更易于控制。接下来可以选择电机，并通过按下开关的方式让锯片对香蕉茎进行切割。电机被固定在1045钢板上，切割机构示意图如图4所示。

图4 切割机构

2 关键零部件选型

2.1 电机的计算与选型

减速电机具有节省空间、易于安装、能耗低、性能优异等优点，特别是机械效率高，因此各机构倾向于选择直流减速电机[9-12]。查阅资料可知，切割香蕉果茎需要的最小力F≈20 N，由于刀片的直径D1≈180 mm，根据如图5所示的锯片分析图可知，切割香蕉果茎的最小转矩为M=FD1=3.6 N·m。

图5 锯片分析图

选择JGA12-N20-50K型号的电机，额定转速为240 r/min，输出功率为0.15 W。根据功率和转速的关系，可以求出转矩：

式中，n为额定转速；T为电机转矩；P为输出功率。

解得转矩T=5.97 N·m。由于T>M，所以选择此款直流减速电机合适，电机参数如表1所示。

2.2 确定液压泵的型号

选择液压泵时，需确定其在整个液压系统中的最大供油量和最大压力。由于最大额定工作压力为1.17 MPa的轻载拉杆式液压杆和径向活塞液压马达的工作压力相比较小，因此，整个液压系统所需的最大工作压力可以用径向活塞液压马达的工作压力来代替。从分析看来，所需的工作压力为P1=16 MPa。有必要考虑管道系统中油的压力损失，根据经验数据，管道相对简单的阀门和液压系统的速度调节通常是∑ΔP1=0.2 MPa~0.5 MPa，这里取0.5 MPa。所以液压泵的最高工作压力为：

液压泵的最大供油量取决于同时运行的每个驱动器所需流量和回路系统泄漏率之和的最大值，从工作流中可以看出，每个正在执行的组件不是同时运行的，而是独立运行的；此外，夹具和切割机构中的三个液压杆相对较小，会对流量产生影响；径向活塞液压马达的排量也很小，但油压上升杆的选择大、行程大，导致油压上升杆所需的流量增加。由此可得，液压杆杆径D2=90 mm，计算出活塞杆杆径d=55 mm，若液压杆运动速度V=100 mm/s，则升降液压杆所需流量为：

K是一个校正系数，一般用于校正液压系统泄漏等因素，通过查阅资料可了解到K的取值范围为1.1~1.3，这里取K=1.3，则液压泵的最大供油量应满足：

整个香蕉采摘装置的液压泵的动力源和重量非常重要，本研究选择一个电池驱动的液压泵，其结构相对紧凑坚固，重量相对较轻，便于携带，故不考虑以传统柴油机为动力源[13]。最适合移动工作设备的液压泵参数如表2所示。

表2 液压泵参数表

3 有限元分析

3.1 夹持爪的有限元分析

夹持爪是抓取香蕉果茎的零件，所用材料同样为经过调质处理的1045钢，其受力情况简化图如图6所示。

图6 夹持爪受力分析图

夹持爪受到的摩擦力可以简化为如图6紫色箭头位置沿着夹持爪向下的力，此力使夹持爪变形，夹持爪受力弯曲的有限元分析如图7所示。

图7 夹持爪受力弯曲图

由图7可知，夹持爪受到的最大应力为54.97 MPa，而夹持爪选用的材料是1045钢，其屈服力为5.30×102MPa，夹持爪所受最大应力远小于1045钢屈服力，所以设计满足要求。

3.2 果篼销轴的有限元分析

销轴是连接液压杆和果篼的部件，所用材料为经过调质处理的1045钢，其受力情况简化图如图8所示。

图8 销轴受力分析

销中间固定在液压杆的一端上，销两端受到如图9所示的红色向下的力，此力使销轴弯曲变形。在销轴两端离端面25 mm处施加300 N的力，销轴会发生弯曲，其弯曲变形放大后如图9所示。

图9 销轴受力弯曲图

由SolidWorks Simulation辅助分析后得出，销轴所受最大应力为76.03 MPa，而销轴所用材料1045钢的屈服力为5.30×102MPa，销轴所受最大应力远小于1045钢的屈服力，所以设计满足要求。

4 总结

为实现地势平坦地区香蕉的高效采摘，本文设计了一款香蕉采摘机器人机械手装备。为了更好地设计出结构简单、操作便捷的香蕉采摘装备，首先，本文进行了香蕉采摘机器人机械手的整体结构设计，为了更直观地展现出机械手装置结构，利用SolidWorks三维建模软件进行1∶1模型建构，分别将夹持装置、切割装置和动力装置等导出，再将这些结构进行装配，以确保结构的可装配性；其次，完成了切割电机等关键零部件的选型；最后，通过对关键零部件进行有限元分析，确保了装备设计的合理性。