青皮核桃挤压式捡拾机构的设计与试验*

陕 岩 ， 徐道春

（1.北京林业大学工学院，北京 100083；2.林业装备与自动化国家林草局重点实验室，北京 100083）

0 引言

核桃又称胡桃，与杏仁、腰果和榛子一起被称为四大干果[1-2]。中国居世界核桃生产国首位，核桃种植业已成为很多地区农民增收致富的支柱产业[3-4]。随着种植成本提高和果园种植规模化，核桃采收的机械智能化需求逐渐增强。国外采收通过振动落果机将核桃振落，集中成条后由捡拾机将其收集[5]。由于我国多数地区的核桃树只能种植于浅山丘陵地区，这类机械体积庞大，不适用于我国[6]。

将智能机器人应用在农林作业中，国内外学者已有大量的研究[7-9]。目前应用于农林作业的末端执行器主要为真空吸附、柔性机械手等[10-12]。其中，真空吸附主要应用于表面光滑的目标，如甜椒等，而青皮核桃表面较粗糙，对吸附力要求较高；柔性机械手普遍应用于体积较大且位置复杂的目标，如苹果、番茄等，而青皮核桃掉落环境简单，数量多。至今，现有的末端执行器虽然对智能机器人在农林领域的应用起到推动作用，但针对青皮核桃收集的研究很少。上述研究无法应用于核桃收集的核心问题在于作业环境与目标数量的差异较大，因此课题组提出了一种挤压式的青皮核桃捡拾机构，该机构控制难度低、与机械臂集成度高，可为后期青皮核桃捡拾机器人的整体设计提供技术支持。

1 捡拾机构的设计

1.1 青皮核桃物理参数

捡拾机构关键部件设计以青皮核桃的物理参数为依据。本文选择陕西黄龙的青皮核桃，其品种为香玲，外形呈椭球形，青皮核桃三维尺寸如图1 所示。随机选择青皮核桃样品100 个，分别测定其横径、纵径、棱径、质量等物理参数。其中，青皮核桃横径a是核桃沿着短轴方向的最大尺寸，纵径b是核桃沿着长轴方向的最大尺寸，棱径c是核桃沿着缝合线短轴方向的最大尺寸[13]，具体参数如图2 所示。数据显示，果实最大外形尺寸（a×b×c）为45.74 mm×54.53 mm×48.18 mm，最小外形尺寸（a×b×c）为41.76 mm×45.03 mm×43.45 mm，本文只考虑捡拾横径范围为30 mm～60 mm 的青皮核桃，其他特例不在本文考虑范围内。

选取30 个成熟果实对其进行测量计算，采用近似球度公式来表示青皮核桃的外观特征，由公式（1）得到青皮核桃平均球度系数为0.94。由此定义青皮核桃模型为标准长椭球体，果实表面任意一点的坐标（x，y，z）满足公式（2）。

式中，Sp为球度系数，%；a为青皮核桃横径，mm；b为青皮核桃纵径，mm；c为青皮核桃棱径，mm；Dmax为最大直径，mm。

1.2 主要技术参数及工作原理

末端执行器是实现捡拾操作的主要执行部件。其结构设计将影响其捡拾的工作空间以及运动的灵活性和稳定性，这对整个智能捡拾的实现起着决定性作用[14-17]，因此对其进行尺寸参数计算，最终得到理想参数：捡拾叶片的长度为35 mm，捡拾叶片末端滚轮长度为18 mm，捡拾叶片和基座连接销轴与基座中心的长度为35 mm，捡拾叶片与基座的夹角为50°。当捡拾叶片处于初始状态时夹持范围最小，此时夹持直径为30 mm，当捡拾叶片绕销轴的转角为40°时，有效夹持范围达到最大，此时夹持直径为60 mm。

根据青皮核桃末端执行器捡拾叶片的运动特点，它的抓持模式为夹持，即由3 个捡拾叶片的末端夹住目标物体，依靠末端与物体之间的摩擦力克服物体重力实现抓取。基于上述理想情况的描述对青皮核桃捡拾末端执行器夹持模型进行受力分析，如图3所示。

图3 不同阶段捡拾机构受力分析

在空载阶段中，如图3（a）所示，捡拾叶片和滚轮的重力与连接架壁提供的支持力和扭力弹簧产生的扭力所抵消，使捡拾叶片固定在初始位置，此时受力满足公式（3）。

式中，Fa12为销轴对捡拾叶片的拉力，N；G为捡拾机构重力，N；M0为扭力弹簧产生的扭矩，N·m；Fa32为机架对捡拾叶片的支持力，N；θ1为重力与捡拾叶片垂线夹角，°；x1为捡拾叶片重心距销轴长度，mm；x2为机架对捡拾叶片支持力作用点距销轴长度，mm。

在挤压阶段中，如图3（b）所示，要保证捡拾叶片能够被青皮核桃撑开，使得青皮核桃顺利进入到捡拾机构内，则需要保证捡拾叶片及滚轮重力和核桃对滚轮的接触力沿垂直于捡拾叶片平面的分力大于扭力弹簧产生的扭力，此时受力满足公式（4）。

式中，Fb12为销轴对捡拾叶片的支持力，N；G为捡拾机构重力，N；Fb42为青皮核桃对捡拾叶片的支持力，N；M0为扭力弹簧产生的扭矩，N∙m；θ2为重力与捡拾叶片垂线夹角，°；α为Fb42与水平线的夹角，°；x为捡拾叶片长度，mm；r为滚轮半径，mm；xb0为捡拾叶片重心距销轴长度，mm。

在过渡阶段中，如图3（c）所示，此时青皮核桃已被捡起，要保证捡拾机构的捡拾叶片能够正常关闭，需要保证青皮核桃、捡拾叶片及滚轮的重力小于扭力弹簧产生的扭力，此时受力满足公式（5）。

式中，Fc12为销轴对捡拾叶片的拉力，N；G为捡拾机构重力，N；Fc42为青皮核桃对捡拾叶片的压力，N；M0为扭力弹簧产生的扭矩，N∙m；β为Fc42与水平线的夹角，°；x为捡拾叶片长度，mm；r为滚轮半径，mm；xc0为捡拾叶片重心距销轴长度，mm。

通过计算可以得出，扭力弹簧圈数范围为6～28，结合实际成本，选取圈数为10 和20 的扭力弹簧进行后续仿真分析和试验。青皮核桃捡拾末端执行器整体结构如图4 所示，主要包括：与自主设计的机械臂相连接的连接架、基座、暂存空腔、捡拾叶片、滚轮、扭力弹簧、销轴等。青皮核桃捡拾机构工作过程及原理如图5 所示。在挤压过程中，捡拾叶片末端的滚轮接触青皮核桃，随着机械臂的下降，两者间压力逐渐增强，捡拾叶片绕销轴线旋转，青皮核桃逐渐进入捡拾机构的空腔中，当青皮核桃的赤道面高过滚轮轴线后，扭力弹簧的扭力作用从阻力转化为动力，这一阶段为过渡过程；当青皮核桃全部高于滚轮轴线时，此时叶片末端的滚轮脱离青皮核桃表面，捡拾叶片恢复到初始角度，捡拾机构闭合，完成捡拾工作，准备下一个工作周期。

图4 末端执行器结构

2 动力学仿真分析

2.1 仿真模型建立

通过数学建模确定了末端执行器结构参数，进一步采用Adams 多体动力学软件进行仿真分析，获取该参数下末端执行器的运动和动力性能。由于果实表面不同位置弹性模量和刚度均有不同，实际捡拾问题变得非常复杂，仿真中采用球形模型代替类球形果实，将捡拾机构触碰果实的过程理想化。本文为探讨该末端执行器在捡拾运动过程中各部件运动和动力学性能以及捡拾机构与果实之间力的关系，采用球形模型模拟实际果实进行仿真，可观测该设计参数下捡拾机构运动和输出力的情况，并作为该末端执行器的运动特性。

2.2 仿真结果分析

动力学分析中，在连接架上设置固定力进行仿真，获取滚轮部件质心点的竖直方向位移变化曲线及接触点受力变化曲线，探究不同运行速度和不同圈数扭力弹簧对捡拾效果的影响。

捡拾机构仿真位移曲线如图6 所示，由图6 可知，不同扭力弹簧圈数对滚轮部件质心点竖直方向位移变化无影响，不同运行速度决定了捡拾工作的效率，整个阶段位移和时间量近似于线性关系，这满足了实际捡拾的设计要求。

图6 捡拾机构仿真位移曲线

接触点受力变化曲线如图7 所示。由图7 可知：相同运行速度时，随着扭力弹簧圈数的增多，捡拾过程中的最大接触力随之增大，在运行速度为5 mm/s时，弹簧圈数n=10时最大的接触力约为10.2 N，弹簧圈数n=20 时最大的接触力约为15.1 N；在运行速度为10 mm/s 时，弹簧圈数n=10 时最大的接触力约为11.8 N，弹簧圈数n=20 时最大的接触力约为17.3 N；在运行速度为15 mm/s 时，弹簧圈数n=10 时最大的接触力约为16.1 N，弹簧圈数n=20 时最大的接触力约为20.2 N，均发生在捡拾机构刚接触到青皮核桃时。由此发现在捡拾机构刚接触到核桃时，会产生较大的接触力，其余阶段虽有上下波动，但远小于刚接触时的作用力。通过对比不同运行速度及弹簧圈数下的捡拾机构受力变化，得出运行速度为10 mm/s、弹簧圈数为20 时，捡拾机构与青皮核桃的接触力相对较小，远小于材料的强度，且运行速度较快，捡拾效率高，扭力弹簧弹力较大，可以保证机构回弹，且捡拾机构工作具有一定的准确度和稳定性。

3 验证试验

利用压力试验机与挤压式青皮核桃捡拾机构连接，方便进行捡拾试验。通过调节压力试验机的运行速度，模拟捡拾机构向下运动的不同速度，验证捡拾机构设计的合理性，同时测量捡拾机构在捡拾过程中的受力变化，来验证仿真结果的正确性，捡拾试验如图8 所示。由于本文不涉及捡拾机构连接的机械臂部分，假设青皮核桃的位置已给出，质心处在捡拾机构中轴线上，通过控制压力试验机位移进行捡拾试验。

图8 青皮核桃捡拾试验

根据仿真结果，选取扭力弹簧圈数为20、运行速度为10 mm/s 进行试验，选取30 个青皮核桃进行试验，分为3 组，横径范围分别为41 mm～44 mm、44 mm～47 mm、47 mm～50 mm，测量捡拾过程中捡拾机构受力变化，验证该机构的捡拾成功率和无损率，受力变化曲线如图9所示。

图9 不同尺寸青皮核桃捡拾受力变化曲线

由图9 可以得出，由于青皮核桃的不同，捡拾过程产生的接触力不是固定值，捡拾机构在刚接触到核桃时，接触力急剧增加，与仿真曲线趋势相同，接触力随时间增加不断减小，捡拾工作结束时接触力趋于0 N，由于实际青皮核桃形态各异，捡拾机构与青皮核桃间的接触力会与仿真结果存在一定差异，数值在4 N～18 N波动。青皮核桃平均捡拾时间约为2.7 s，同时试验过程中产生的接触力不会损坏青皮核桃表面，青皮核桃捡拾无损率为98%。

4 结论

本文针对青皮核桃捡拾过程中的重复性工作问题，设计了一种挤压式青皮核桃捡拾机构，用于代替人工捡拾。对该捡拾机构的设计进行了理论和仿真分析，根据结果对相关结构参数进行了完善，并进行了验证试验。本文所获得的研究结论有：

1）设计的青皮核桃捡拾机构，利用挤压原理，基座均布3 个捡拾叶片，捡拾叶片的长度为35 mm，滚轮长度为18 mm，捡拾叶片与基座的夹角为50°；

2）运行速度为10 mm/s、弹簧圈数为20 时，整个捡拾阶段位移和时间量近似于线性关系，速度波动较小，产生的接触力较小；

3）青皮核桃平均捡拾时间约为2.7 s，同时试验过程中捡拾机构产生的接触力最大为22.3 N，满足强度要求，青皮核桃捡拾无损率为98%，表明该捡拾机构的设计是可行的。