新型高枝采果机械手

New Type M echanical Hand Picking High Branch FruitsZHAO Liang，MA Xiaoli，YAN Zhiyong，LU Xuesong，W ANG Zhe(Colege of Mechanical Engineering，Quzhou University，Quzhou，Zhejiang 324000，China)Abstract：In order to wel pick Zhejiang local fruits on high branches，such as orange，red baybery and loquat fruitsetc，a new type mechanical hand picking high branch fruits，including scissors mechanism，a fruit net and a telescopicrod，was designed. The structure and function of each component in mechanical hand were analyzed，especialy inkinematics，mechanics analysis and 3 D digital modeling for scissors mechanism.This design is a good foundation formanipulator prototype。

Key words：picking mechanical hand；scissors mechanism；pick fruit network；telescopic rod我国的水果品种繁多，其中生长在较高树种上的果实，以浙江省为例，有山核桃、杨梅、胡柚、桔子和枇杷等，这些果类产量大，树种高，果实不易采摘，因此研究开发高枝采果机械手并应用于实际采摘 ，可以降低采摘劳动强度和费用，保证果实适时采收，提高采摘率和果品质量，特别是采用高枝采果机械手，可以避免上树采摘果实所造成的不安全隐患发生。目前国内外研究果实采摘的机器人较多，如采摘桔子、苹果、番茄、草莓等水果的采摘末端执行器l引，但这些研究多处于实验阶段，其实用化程度较低。国内也有开发采摘高枝果实的采果器 ，这种采果器的实用性较强，比较经济，果农可以用它站在树下采果，免去上树采摘的安全风险，但是由于该采果器是由电机带动锯片切割果柄，使用中定位不准确容易造成果实的机械损伤，所以该类采果器不适于采摘软质果皮或无果皮果实。文中以浙江本土水果胡柚、桔子、杨梅和枇杷等的采摘为出发点，设计-款适合采摘较高树种果实的高枝采果机械手。文中对机械手的基本结构和采用的主要机构进行了结构分析和受力分析，为机械手的样机制作打下基础 。

1 高枝采果机械手的基本结构及功能1.1 总体结构与功能高枝采果机械手由采果剪刀机构、接果网机构和伸缩杆 3部分组成。采果剪刀机构和接果网机构依次安装在伸缩杆上，伸缩杆控制钢球分别安装在第 1节和第 2节管的上部位置，控制绳索接在剪刀机构的滑块上，如图 1所示。采果机械手工作时先打开伞状机构尼龙网，将可伸缩杆调到合适的高度，然后对准果柄收稿 日期 ：2012-11-29；修回日期：2013-01-2O基金项目：2012年浙江省(衢州学院)大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)项 目(2012R427010)；浙江省 自然科学基金项目(Y1110439)；浙江省公益性技术应用研究计划项目(2010C31053)作者简介：赵亮(1989)，男，河南南阳人，主要研究方向为数字化设计与制造技术。通讯作者：马晓丽(1955)，女，博士，教授，研究方向为智能机械与机器人。E-mail：maxl###foxmail.com· 16· 轻工机械 LightIndustryMachinery 2013年第4期或挂果果枝，拉动与滑块相连的绳索，使活动剪刀片向固定剪刀片合拢，实现剪刀剪切的动作，剪下的果实落人接果尼龙网中，松开绳子在弹簧的作用下，可动剪刀片复位。由于采摘果实是直接剪断果实的果柄，并不与果实表面接触而挤压果实，所以特别适合采摘软质果实或无外果皮包裹的果实。

1-采果剪刀机构；2-接果网；3-伸缩杆；4-伸缩杆控制钢球 ；5-控制蝇索图1 高枝采果机械手整体结构示意图Figure 1 Overall structure of mechanicalhand picking high branch fruits1.2 采果剪刀机构采果器是-个采果剪刀机构，如图2所示，由固定剪刀片、活动剪刀片、连杆和滑块等构件组成的-个曲柄滑块机构，附加弹簧起到剪刀复位的作用。机构中的活动剪刀片与固定剪刀片与固定板铰接，固定板上开有滑块滑动的槽 口，通过拉动与滑块连接的蝇索使活动剪刀片绕铰链支点转动，活动剪刀片向固定剪刀片合拢，完成剪切果柄或剪断挂果果枝的动作。

1.3 接果网机构在采果器下方是可折叠的伞状接果网机构，该机构是根据雨生构改装而成。如图3中箭头所示，滑块向上移动并被伸缩杆上的钢珠卡住时，为接果网工作状态，箭头向下表示连杆向伸缩杆下方收缩，此时为接果网携带方式。

1.4 伸缩杆弹珠机构伸缩杆共设置 3节可动伸缩，携带时缩为 1节，便于携带，现场采摘时可根据果实枝条所在高度，分别按动2个钢球，将第2节杆和第 3节杆伸出，用以调节剪l-活动剪刀片；2-弹簧；3-滑块；4-绳索5-固定板；6-连杆；7-固定剪刀片图2 剪刀机构简图Figure 2 Scissors mechanism收起i(a)雨伞 I构 (b)滑块 F移动l-伸缩杆机架；2-滑块；3-摆杆；4-连杆图3 伞状机构简图Figure 3 Umbrela mechanism刀的工作高度。如图4所示，伸缩杆的弹出是采用弹珠机构，利用簧片的弹力卡住钢球在外管管内移动，当钢球接触到外管上的定位孔时，钢球嵌人到该孔内，内管不能再伸出，内管定位固定。

1-内管；2-外管；3-簧片；4-钢球图4 伸缩杆弹珠机构Figure 4 Pinball mechanism of telescopic rod[研究 ·设计] 赵 亮，等 ：新型高枝采果机械手2 采果剪刀机构运动学和受力分析2.1 运动学分析如图5所示机构的结构尺寸，滑块的运动学方程表示为s ： R L -Rcos Ot-Lcos R[(1s ) (1-s 2a)] (1)∞尺(sin O/ sin 2a) (2)n-∞ R(COS O/-/ 1[cos 2a) (3)Rsin Lsin (4)剪刀机构是曲柄滑块机构，滑块是主动件，由人手拉动蝇索使滑块向下移动，滑块的速度和加速度影响可以不计。由滑块的位移公式(1)可知，参数 尺、 决定了剪刀机构的结构尺寸，S决定了滑块的槽 口长度尺寸， 角或口角决定了剪刀的张口大型剪刀1：3的剪力大校剪刀的初始位置是剪刀口的最大张口位置，而滑块的最大位移，即杆2与杆 3在-直线上时，剪刀口合拢，剪刀剪断果柄或挂果果枝。

在该机构中，用手向下拉动固定在滑块上的蝇索时，剪刀运动为工作行程，当拉动滑块使活动剪刀片与连杆成-直线时，滑块行程 5为最大值，此时也是滑块上移的死点位置，滑块的反行程驱动改由弹簧力作用，同时放松手拉蝇索。

1-滑块；2-连杆；3-活动剪刀构件；4-固定剪刀构件图5 滑块机构运动分析Figure 5 Motion analysis of slide block mechanism2.2 受力分析如图6所示，设手拉蝇索的力为F.，其作用在滑块上可分解为两个力 F。和F ：，力的大小表示为Fl F1COS卢；F12Fl sin (5)式中F 即为手拉蝇索的力，是驱动滑块向下移动的力，它也是活动剪刀复位弹簧的弹簧拉力。

活动剪刀杆的受力如图6所示，其中F 的大小为F， ：旦， ：旦F ： 。 /3 (6)式中F 为剪刀剪切果柄或挂果果枝的剪力， 为活动剪刀端部铰链点距固定铰链点距离，而 为果柄接触活动剪刀的接触点距固定铰链点的距离。

图6 剪刀机构受力分析Figure 6 Force analysis of scissors mechanism2.3 剪刀机构的三维数字化模型按照剪刀机构运动分析和结构要求，用 CATIA三维设计软件 。。对剪刀机构作数字化建模，其 3D模型如图7所示。

图7 剪刀机构三维模型Figure 7 3 D model of scissors mechanism3 结语高枝采果机械手结构简单，机构运动分析和参数计算较容易。用该机械手采摘时无需动力，手工操作，绿色环保，可广泛应用于高枝果实的采摘，取代传统的站人字梯或上树的采摘方式，降低果实枝高而无法采摘所造成的经济损失，或因危险的采摘方式造成的人身伤害，使广大果农高枝采摘果实更方便，更安全。

(下转第2l页)[研究 ·设计] 朱理权，等：磁力传动结构在旋盖封口中的应用 ·21·不同扭力矩要求的旋盖头，按此原理设计结构，固定平均半径，通过改变不同径宽的磁体，实现-结构适用多产品需求。由图5可以看出，磁环高度增加扭力矩增加，又根据文献[10]的计算数据图表分析得出的在磁环高度增大到 40 mm之后基本不再增大。因此对于结构空间较小诚，首先考虑增大磁环半径的方式改变磁力矩。

弓-R删啦径同宽度三/Tm图4 径向宽度与传递力矩的关系Figure 4 Relationship between magneticpiece width and magnetic torque5 结语文章阐述了磁力传动器结构原理和平面轴向磁力传动器结构力矩的计算方法，据此设计用于旋盖封盖的磁力旋盖头，作为-种新的封口技术方式，应用范围广泛。通过对磁力的计算分析，磁力传动器结构在传递力矩，控制旋盖封口预紧力，过载保护，运作平稳方面具有独特的优点，利用磁力传动器结构，应用于旋盖封口可以有效保护瓶盖外观，提高旋盖封口效果，对于保证产品的品质起到十分重要的作用。

信弓R鼎迎磁环轴高度Z/mm图5 磁环轴高度与传递力矩的关系Figure 5 Relationship between magneticpiece height and magnetic torque