一种椰子抓取采摘机械手设计及其工作空间仿真分析
杨 永，曾祥坤
【摘 要】摘 要：针对两种目前常用于椰子采摘的采摘方法—人工攀爬采摘和采摘机刀具切割采摘出现的劳动强度大、作业危险及效率低等问题设计了一种抓取采摘机械手。采摘机械手底座固定在椰子采摘机上，通过旋转功能组件实现采摘手抓的左右摆动，依靠气压升降、摆臂功能组件实现采摘手抓的升降和俯仰，利用机械手外手抓抓住果蒂，内手抓抓住椰子旋转采摘。为此，介绍了采摘机械手总体结构设计及工作原理，对其关键结构进行了建模，并进行了工作空间仿真分析。仿真结果表明：所设计的椰子采摘机械手工作点分布密集对称，满足工况需求，为进一步实际采摘实验提供了理论支撑。 【期刊名称】农机化研究 【年(卷),期】2015(000)005 【总页数】4
【关键词】椰子；采摘机械手；抓取采摘；工作空间；仿真 基金项目：国家自然科学基金项目(51305085)
0 引言
椰子具有很高的食用价值与医用价值，其种植具有较强的区域性，国外主要有菲律宾、印尼、马来西亚等，海南省是我国唯一的规模产地 [1-3]。椰子树是一种常绿乔木，树干挺直高达15～30 m，树上椰子成束挂接，同一果束椰子生疏不一 [4]。椰子所处环境复杂，不易采摘，所以每到椰子收获季节，椰农都会为椰子的采摘困难而头疼。目前，椰子采摘的方法主要有人工攀爬采摘和采摘机刀具切割采摘。人工攀爬采摘，劳动强度大、效率低，作业人员无生命保障；
采摘机刀具切割采摘操作复杂，稍有疏忽，轻则损伤椰子及枝干，重则刀毁臂断。在现有技术中，我国一直未能解决这个问题，椰子采摘机的研制才刚刚起步 [5-6]。在国外，有椰子采摘机器人问世，虽然自动化程度较高，但采摘机器人只能整束切割而做不到识别椰子生熟程度而单个采摘，且成本太高，不适合中国现状 [7-8]。所以，对椰子采摘机的研究特别是对椰子采摘机的采摘机构的研究显得尤为重要。
针对两种目前常用于椰子采摘的采摘方法—人工攀爬采摘和采摘机刀具切割，采摘出现的劳动强度大、作业危险及效率低等问题设计了一种抓取采摘机械手。采摘机械手底座固定在椰子采摘机上，通过旋转功能组件实现采摘手抓的左右摆动，依靠气压升
降、摆臂功能组件实现采摘手抓的升降和俯仰，利用机械手外手抓抓住果蒂、内手抓抓住椰子旋转采摘。本文首先介绍了采摘机械手总体结构设计及工作原理，然后对其关键结构进行了建模，最后对其进行了工作空间仿真分析。仿真结果表明：笔者所设计的椰子采摘机械手工作点分布密集对称，满足工况需求，为进一步实际采摘实验提供了理论支撑。
1 总体结构设计及工作原理
如图1所示，椰子采摘机的采摘机械手包括底座、旋转功能组件、气压升降、摆臂功能组件和采摘手抓。
底座安装在椰子采摘机上，旋转功能组件主要包括伺服电机、两级蜗轮蜗杆减速机构及齿轮减速机构。在旋转功能组件中，由伺服电机出发，外接两级蜗轮蜗杆减速机构，再接齿轮减速机构。同时，齿轮减速机构中的大齿轮固定在所述气压升降、摆臂功能组件中的定导板上，可实现采摘手抓在120°的扇形区域
内左右摆动。气压升降、摆臂功能组件主要包括大气缸和小气缸、动导板和定导板、连杆及摆臂。在气压升降、摆臂功能组件中，定导板和动导板组成导板副，其定导板固定在底座上；大气缸固定在导板副中的定导板上，其活塞杆与动导板相连；小气缸固定在动导板上，其活塞杆与连杆固结；连杆和动导板与摆臂铰接，可实现采摘手抓374 mm的升降及30°的俯仰。
如图2所示，采摘手抓主要包括步进电机、伺服电机、丝杠、锥形滑块、圆柱台阶滑块、滚珠、内手抓、外手抓、缓冲弹簧，以及滚针轴承。
采摘手抓通过步进电动机驱动，带动丝杠转动，滑块和在丝杠上滑动；内手抓通过圆柱台阶滑块推动快速夹紧椰子，外手抓通过锥形滑块推进夹紧椰子果蒂，随后步进电机停止；夹紧后，通过伺服电动机带动内手抓一起转动，实现椰子采摘。在采摘手抓中，锥形滑块和圆柱台阶滑块内部带有梯形螺纹，与丝杠组成丝杠螺母副，实现旋转运动转变直线运动。内手抓由外抓片和内抓片组成，外抓片和内抓片设有缓冲弹簧，实现柔性抓取，内手抓内抓片固结在伺服电机上。
2 关键结构建模
2.1 旋转功能组件建模
旋转功能组件的作用主要是实现采摘手抓在扇形区域内左右摆动，其建模如图3所示。电机转速n 0=2700 r/ min，从左往右两级蜗轮蜗杆减速机构的减速比分别为 = 和 = ，齿轮减速机构的减速比为 = 。 旋转功能组件转速n为 2.2 气缸建模
气压升降、摆臂功能组件的作用主要是实现采摘手抓的升降和俯仰，相比于液
一种椰子抓取采摘机械手设计及其工作空间仿真分析
