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科技纵横
杨栋皓，蒋爱德*
（河南牧业经济学院，河南郑州 450000）
摘要：苹果种植是农业经济中不可或缺的一部分，主要针对苹果采摘过程中人工采摘劳动强度大、果树高处采摘不方便的现状，研究苹果采摘作业环境以及苹果自身物理特性，模仿人工采摘动作，采用仿生学原理，设计了一种单连杆支撑的苹果采摘机械手，方便人们采摘的同时，为智能化苹果采摘设备的研究发展奠定了基础。关键词：苹果采摘；机械手；仿生学0 引言
作为世界上最大的苹果生产国和消费国，2019年，我国苹果种植面积在233.33万hm 2上下，总产量超过4 000万t，我国苹果产业的发展潜力是巨大的，但在苹果生产过程中，机械化程度并不高，大部分还需要人工采摘，苹果采摘的劳动成本占总成本50%以上[1]
。面对我国人口日益老龄化，从事农业劳动人口日益减少的问题，传统苹果的采摘方式日益满足不了苹
果种植业的需求，在农业科学技术与机械设备大力发展的背景下，苹果采摘过程机械化与自动化已成为必然趋势。
苹果采摘设备的研究在上世纪80年代就已经开始，并由法国的一家研究所成功制造，紧接着日本、美国、韩国能发达国家也研制出不同类型的苹果采摘设备，如日本的二指夹持采摘机械手，采摘速度高，但采摘质量一般；美国的七自由度采摘机器人，尽管很灵活，但控制难度较高；韩国庆北大学研制的四自由度机械手臂带动的三指夹持机构，工作范围大，但结构复杂，避障能力不足。我国的苹果采摘设备研究起步晚但发展快，也出现了多自由度、柔性手指、气囊夹持等的创新结构[2]
。
当前我国的苹果采摘设备研究已取得一定成果，但仍存在着制造成本高、通用性差、采摘成功率低等问题，使其难以推广。本文设计的苹果采摘机械手作为一种苹果采摘辅助设备，结构简单可靠、成本低、操作灵活，且能够大大减少苹果采摘时间，苹果采摘机械手在现阶段对我国农业机械化发展有着推动作用，对实现乡村振兴也有着重要的现实意义。1 苹果采摘机械手的设计
我国苹果种植产区分布广，地理地形条件、气候条件差异大，西北产区、西南产区、中部产区由于其山地多，规模小，且土质松软，渤海湾产区土地平坦、土质坚硬[3]
。苹果采摘机器人对地形、规模等条件要求较
高，而苹果采摘机械手相对来说适应范围更广，更具有普适性。
1.1 机械手部分的设计
机械手经过长期发展已经基本分为剪刀型、吸附型和手指型三种基本类型[4]。剪刀型采摘过程干净利落，避免果实损伤，但其因为要剪断果茎，使其识别难度加大，采摘成功率较低；吸附型机械手利用与外界压强差吸附果实，通过旋转将果实摘下，此类设备避障效果不好；手指型又分为气动柔性手指和刚性机械手指，气动柔性手指成本较高结构大，机械手指又易造成苹果损伤。结合以上分析，本设计机械手将采用外部机械刚性结构支撑，内部柔性材料保护的结构，使其在满足采摘机械手作业要求的同时防止果实损伤。
苹果果实物理特性受生长环境、不同的果实生长位置、不同的果实成熟度等因素的影响，苹果的果实质量与果实直径有着一定差别，但总体都居于一定范围之内，要实现苹果采摘机械手较好的通用性还需整体分析。苹果果实物理特性见表1。
表1 苹果果实物理特性
项目指标
最小值平均值最大值果实质量（g）90180300果实直径（mm）
80
100
120
由表1可见我国苹果果实直径普遍在80~120 mm之间，因此要求机械手在抓取苹果时手指内最小直径应大于120 mm。本文采用三个单关节手指的结构，手指内部呈弧形，模仿人手抓取苹果时的形态，手指指尖与指跟长度在140 mm以上，以保证在抓取时手指能包含整个苹果。整个机械手包含手指、夹紧片、连杆、基座，连接头、活塞和复位弹簧组成，如图1所示。手指指尖所在圆直径大于160 mm，大于苹果的抓取直径要求。机械手采用单关节手指结构，运动方式简单，降低了控制难度，提高了机构的稳定性。机械手由活塞带动连杆，连杆带动手指摆动，模拟实现手指握取、释放动作。手指部分嵌有软体弹性橡胶材料的夹紧片，能够在手指收缩的时候牢牢握紧苹果，提供足够的抓紧力与摩擦力。同时在采摘苹果的过程中，柔性材料又起到缓冲作用，避免了苹果损伤，提高了采摘品质。复位弹簧保证了手指处于张开状态。通过计算，设计弹簧的最大弹力为6 N，既符合作业要求，又小于人手最大握力，在保证机械手功能的前提下，提高了使用舒适度。为了模仿人手采摘过程中“拧”的动作，在机械手基座底部嵌入轴承以实现机械手整体旋转。同时为了降低整个机械手的重量，除夹紧片、轴承和复位弹簧外，其余部件采用工程塑料（图1）。
通讯作者：蒋爱德（1975—），男，讲师，硕士，研究方向：农机
自动化。
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农业开发与装备 2020年第11期
图1 手指式采摘机械手
2.2 采摘机械臂的设计
我国苹果种植区域分布广，但种植情况基本类似，种植间距和苹果树株距都在3.0 m左右，树干高度1.0 m 左右，树冠高2.0 m以下，树冠基径在2.5 m左右[3]。根据整体作业空间要求，苹果采摘机械手所能达到高度为 3.0 m，按照人手作业时平均高度1.6 m计算，本设计苹果采摘机械臂长度应该在1.4 m以上。
苹果采摘机械手整体作业方式模仿人手采摘过程，即通过抓住苹果扭断果茎采摘。因此采摘机械手在设计的过程中借鉴了仿生学原理，以达到方便采摘的目的。机械臂主要有一根硬质合金管组成，顶端有螺纹，与机械手的连接头相连。紧挨螺纹的下端开有一段螺旋槽，通过滚轮镶嵌到槽内与活塞相连（图2），活塞在向下
运动的同时，由于螺旋槽的作用，也做扭转作用。
图2 滚轮机构
在机械臂的下部安装一个握把，如图3所示，通过钢丝与活塞相连。通过握紧握把带动活塞向下运动。3 苹果采摘机械手的运动分析
将机械手与机械臂进行装配，装配好的苹果采摘机械手如图4所示。其运动形式为，按下采摘机械手臂中底端的握把①，通过钢丝拉动活塞上下进行直线运动，弹簧④被压缩，通过连杆机构带动三个机械手指③向内收缩，在手指内部软体弹性橡胶材料的抓紧力与摩擦力作用下达到握紧苹果的目的。在活塞向下运动的同时，
滚轮②在机械臂螺旋线槽内滚动，带动活塞带动整各机械手进行旋转运动，在加紧力和旋转力的复合作用下将苹果摘取。当①被释放时，弹簧④被压缩的势能被释放，机械手在弹簧推动下实现手指自动张开，释放苹
果。
图3
握把
图4 苹果采摘机械手总装配体
4 结语
本文所设计的苹果采摘机械手作业环境适应性强，对于有一定高度的苹果采摘更有优势，作为采摘辅助设备，能显著提高劳动效率。本设计还有许多改进之处，如怎样设计合适的接果装置，同时降低成本，优化结构是将来研究的目标。另外在人力成本增加的情况下，智能化的苹果采摘设备才是发展的必由之路。因此，在此研究基础上，进行苹果采摘设备的智能化是努力的方向。
参考文献
[1] 孔盛杰，庞豪杰，赖鑫卢，等.一款辅助型人工苹果采摘器的设计[J].南方农机，2019，50（15）：69.
[2] 李俊良，张天周，朱天奇，等.基于连杆机构采摘机械手的设计[J].科技创新导报，2019，16（10）：114-115.
[3] 杨文亮.苹果采摘机器人机械手结构设计与分析[D].江苏大学，2009.苹果11怎么截图
[4]
徐莉，刘喜平，王国富，等.一种苹果采摘机器人的设计和制作[J].机械研究与应用，2018，31（5）：133-134，137.
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