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张收港， 张立勇， 魏芳坤, 陈 璇
(1.安徽科技学院机械工程学院，安徽 滁州 233100；
2.安徽唯嵩光电科技有限公司，安徽 合肥 230088)
目前，在我国农业智能化采摘领域中，采摘机器人研究占据着举足轻重的地位[1]。在采摘机器人的研究方面，国外研究较早且处于领先地位，国外针对采摘机器人研究取得了一定的成果，并逐步向商业化发展，但国内对于农业采摘机器人的研发仍处于初步研究阶段，且对辣椒采摘机智能化的研究更是极其缺乏[2-3]。
辣椒作为中国传统的蔬菜之一，自从明代后期传入中国后，几百年来已成为我们日常生活饮食文化中，不可缺少的一部分。随着当代社会人类饮食结构的逐渐改变，更多的人习惯在用餐时选择带有辣味的食品，这也致使了我国近些年辣椒种植区域面积不断的扩大。我国辣椒种植面积达到了2000万余亩，每年产量高达3000万吨，辣椒市场所创造出的经济产值高达700亿元，中国已然成为辣椒种植生产第一大国，辣椒每年的总产值牢牢稳居蔬菜榜榜首[4]。
但是面对辣椒产量逐年上涨的同时，在辣椒采摘过程中，需要投入大量的人力物力，传统人工采摘的方式不仅效率低，而且辣椒为辛辣食材，长期的人工采摘本身也容易对工人的健康造成一定影响，辣椒采摘机器人的研发不仅在提高效率的同时还降低了人工采摘的危害。辣椒采摘末端执行器，作为辣椒采摘机器人中的重要组成部分，更是研究重点。本文设计了一款辣椒采摘灵巧手，整体结构简单，即能保证剪短辣椒梗的同时，也能够对辣椒进行夹取，同时对整体的结构强度进行了分析，以及对刀片的剪切能力做了实验，最后对样机进行了制作，在实验及使用中性能良好，为辣椒采摘现代化提供了设备支撑。
为保证采摘过程顺利进行，对于辣椒采摘末端执行器的设计，既要保证能够剪断辣椒的果梗，也能对辣椒进行夹取，方便后续辣椒的收集[5]。针对辣椒的生长结构，辣椒果梗较长，且质量较硬，因此本次在对辣椒加持这一动作，主要作用于辣椒的梗部，同时对辣椒从植株上脱离也考虑作用在梗部，运用剪断或夹断的方式进行脱离。这样即能保证辣椒无损伤采摘，也能够实现快速摘取这一过程。基于以上思路设计出如图1所示的装置，该采摘灵巧手的整体结构图示：
a三维建模图 b二维平面图
该结构主要由支架、舵机、齿轮齿条、固定夹爪、从动夹爪和刀片六部分组成。该结构的特点为小强灵活，首先在满足设计使用的情况下，尽可能的采用轻量化的设计，同时在制作时，采用轻量化的材料，这样既能够减少机械臂作业时的负重，来保证采摘机械臂的作业稳定性，同时轻量化的设计也能够减少材料使用，也能够降低制作成本。该灵巧手的工作原理为：把支架安装在机械臂上固定，由舵机带动齿轮齿条转动，通过齿轮齿条的移动进而缩小从动夹爪和固定夹爪之间的距离，以此达到对辣椒果梗剪断和收集的目的。
整个结构的电器元件部分只有底部的舵机部分，本次采用的是型号DS5160的小型舵机，其可控角度180°，脉宽500-2500μs，适用于机器人关节，工业类开发,RC模型车开发等等。具体参数如表1所示；
尺寸结构如图2所示：
图2 舵机尺寸二维图
表1 舵机性能参数
考虑到采摘灵巧手在实际生产应用中结构简单的同时，还要考虑提高装备使用安全系数满足一定刚度和强度的需求，因此整体结构采用工程塑料ABS塑料，进行轻量化设计，减少不必要的材料使用浪费材料的性能参数如表2所示：
表2 材料性能参数
由于整个机构设计简单灵巧，整体质量较轻，主要的受力和承重的关键结构为支架部位，因此只需要对关键零件支架进行有限元仿真分析[6-7]。本次分析选择了四面体单元进行网格化分析,得到平均表面积596.2mm2，最小边缘长度3mm，共162109个节点，103510个单元。如图3所示：
根据支架和辣椒本身自重测试施加一个3N的压力，对支架边缘添加对应的约束，在此基础上分别对支架再进行应变分析和应力分析，分析求解后观察整体结构的变形量和最大应力值，如图4所示：
a应变分析
通过图3实验数据看出，支架在收到3N压力时，最大的形变量仅为0.98913mm的微小变形，受到的最大应力为5.6049MPa，取安全系数n=1.5，仍小于ABS材料的许用应力值24.5MPa，故本次结构设计满足使用要求。
a整体结构
3.1 实验材料
实验材料于市场上常见的普通青椒，选取无病虫害及表面生长完好的辣椒果梗材料，随机挑选8种样本，对样本果梗直径和样本重量进行测量，为保证测量数据的准确性，每种样本测量采用三次测量取平均值的方法[8]。测量数据如下表3所示：
表3 辣椒物理参数
3.2 实验设备
采用SUNS质构仪试验机，该试验机量程较大，既能测试金属材料的拉压特性，也能够满足非金属材料特性的测量，且精度较高，并且能够对拉压特性进行数据及图形化输出，提高了材料特性的可视化程度[9]。其他材料自制刀片厚度为0.5mm，为避免碰刀，刀具间存在细微的高低差。实验设备如下图5所示：
图5 抗压折弯试验机
3.3 实验过程
根据果梗直径大小、刀具倾斜角度和加载速度不同进行切断实验，经过反复实验结果表明对于辣椒果梗切断力的影响主要因素依次为：果梗直径，加载速度，切割角度。当切割角度为 60°时[10-11]，切断辣椒果梗所需剪切力为最小。刀具位移速度越快越容易导致果梗的断裂，其次直径越小的果梗更容易切断。为了满足任何情况下都可以正常切断果梗的需求，以下选用直径最大的7号样本和最接近平均值的4号样本进行对比实验[12-13]，实验数据波形图6如下所示：
a7号样本
从实验数据可以看出即使是辣椒果梗直径最大的7号样本，果梗完全断裂时所需的力仅有29.340N，正常直径4号辣椒果梗完全断裂时需要18.500N。因此本设计中的末端执行器，两刀片之间的剪切力，即由舵机提供的扭力，经齿轮齿条传动到刀具上而产生的作用力，应大于剪切果梗所需要的29.340N的力，此装置才能正常工作。
首先对刀具受力进行分析，刀具的受力状态如图7所示，其中d为齿轮分度圆直径，本次选型的齿轮参数为，齿轮模数m为1，齿数z为16齿正齿轮，由分度圆公式：
图7 刀具受力分析图
d=mz
(1)
得到分度圆直径d为16mm；
则半径r为0.8mm，因舵机选型，其输出扭力为58kg/cm，即输出扭矩T为5.8N/m，带入公式：
T=Fl
(2)
得到F值为72.5N，远大于果梗剪切实验中，果梗切断时所需要力的最大值29.340N，故本设计的装置能够正常工作，完成果梗剪切分离这一动作。
利用3D打印技术对建立的三维模型进行实物制作。制作完的采摘灵巧手经过测试，其结构强度和稳定性与预期目标一致，然后通过支架安装在机械臂上。最终的样机实物如下图7所示，其中采摘灵巧手运行状态良好，能够实现开合动过，同时手动模拟对辣椒进行采摘时，该装置能够完成对辣椒梗部的切断和加持动作，运行状态良好。
图8 实物制作设备和样机
利用SolidWorks软件设计并建立了辣椒采摘末端执行器灵巧手的三维模型，在材料选择上选用ABS塑料既满足强度要求的同时又能达到轻量化的目的。其整体结构简单，并对其中的关键零部件支架进行仿真测试，验证其结构的稳定性。经过对辣椒果梗的剪切实验证明，该设计完全能满足实际工作需求。本次设计的辣椒采摘灵巧手，能够对辣椒进行夹取采摘等功能，但是对于整个辣椒采摘机器人来说，采摘末端执行器只是一部分，下步将进行辣椒识别、机械臂等部分的研究工作，争取有进一步的成果。同时本次设计的装置，一定程度上能够为辣椒采摘行业提供设备支撑，也能为辣椒采摘机器人的发展提供了一定的机械基础。
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