基于UG的苹果采摘机械臂与末端执行器的结构设计.pdf

２０２１ 年第 ４ 期 农 机 使 用 与 维 修 　２１
基于 ＵＧ 的苹果采摘机械臂与末端执行器的结构设计
朱容芳，朱煜华
（１． 广西大学 机械工程学院，南宁 ５３０００４；２． 四川农业大学 动物医学院，四川 雅安 ６１１１３０）
摘　 要：首先进行工况分析，确定出设计方案。机械臂采用振摇采摘的方法，即在苹果采摘的质量要求不是特别
高的情况下，用机械爪抓住树干的同时，摇晃树干使苹果从果树上脱落下来完成收获，在实现振动激励的方法
上，采用了曲柄摇杆的原理，接着对其核心部件进行了初步设计。而后利用 ＵＧ 进行运动仿真实验，优化关键结
构的设计，使其达到较高的可靠性及最佳使用效果。
关键词：苹果采摘；ＵＧ 建模；振摇法
中图分类号：Ｓ２２５. ９３　 　 　 　 　 　 　 　 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０． １４０３１ ／ ｊ． ｃｎｋｉ． ｎｊｗｘ． ２０２１． ０４． ００６
０　 引言
苹果作为最为常见的水果之一，资料显示 ２０１２
年，我国苹果种植面积就达到 ２３０ 万 ｈｍ２ ，产量达
３８００ 万 ｔ，且近几年中国在苹果生产、出口和消费上
遥遥领先其它国家［１］，水果种植业的迅速发展提升
了果园收获机械的市场需求，针对商品果采摘我国 １． 曲轴；２． 摇杆；３． 伸缩机械臂；４． 机械爪；５． 原动机
目前存在的相对较多的是机械手“一对一”模式，运 图 １　 苹果采摘机械臂与末端执行器的结构设计图
用振摇法进行非商品果的采摘，极大提高了采摘
效率。
１　 工作原理
苹果采摘机械臂与末端执行器的机构包括动
力机、曲轴、摇杆、可伸缩式机械臂、机械爪。机器
工作时，通过机械臂的伸缩调整机械爪与树干的距
离，距离合适后，张开机械爪抓住树干，由于大多果 图 ２　 曲轴设计图
园中果树整齐种植，因此两侧的机械爪都可以抓住 ２. ２　 机械爪的设计与分析
树干，然后，原动机带动曲轴开始转动，再通过摇杆 机械爪计算夹紧力可按照公式：Ｆ≥Ｋ１ Ｋ２ Ｋ３ ｍｇ
将动力传递给末端执行机构，使苹果树左右摇晃产 进行计算。其中 Ｆ 为夹紧力 Ｎ；Ｋ１ 为安全系数；Ｋ２
生惯性力，以此对苹果的果柄加以力的作用，当惯 为工作情况系数；Ｋ３ 为方位系数 ｍ 被抓取物件的
性力大于果柄与树枝连接的结合力，或者苹果与果 质量。
柄的结合力时，苹果就会被摇晃下来，而后收集起 分析后取 Ｋ１ ＝ １. ６、Ｋ２ ＝ ０、Ｋ３ ＝ １. ２５，估算苹果
来即可完成苹果的采摘，结构设计图如图 １ 所示。 树的平均重量为 １５０ ｋｇ，计算得 Ｆ≥２９４０ Ｎ。
考虑到夹取的是苹果树干，相对于夹取果实来
２　 结构设计 说较为简易，查阅资料可知在相同的夹紧力情况
２. １　 曲轴摇杆的设计与分析 下，圆弧形状的曲线型手指对树干造成的损伤要远
机械爪抓取树干的部位离地越高，全振幅越 远小于直线型手指带来的损伤［３］。故确定，采用回
大，阻力矩越小，取苹果树直径为 １００ ｍｍ，正常土壤 转式的二指夹取