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本文導(dǎo)讀目錄：

1、菠蘿采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

2、菲亞特動力推出F28柴油／天然氣發(fā)動機(jī)，更適合緊湊型農(nóng)業(yè)設(shè)備

菠蘿采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 ♂

菠蘿采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用機(jī)器人技術(shù)實現(xiàn)果實精準(zhǔn)化、智能化收獲是現(xiàn)代果業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向之一。提出了一種由夾持機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)組成的菠蘿采摘機(jī)械手。介紹了各主要部件的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計參數(shù)，利用SolidWorks軟件建立了采摘機(jī)械手的虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行了田間試驗。項目研究成果可為中國現(xiàn)代果園全程機(jī)械化研究提供技術(shù)參考。

菠蘿原產(chǎn)巴西，16世紀(jì)傳入我國，目前在我國廣東、福建、海南和中國臺灣地區(qū)等地廣泛種植，其中廣東和海南是我國主要菠蘿種植產(chǎn)區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，我國菠蘿種植面積約6.67萬hm2，年總產(chǎn)量155萬t，年產(chǎn)值達(dá)47億元，已成為我國最具特色和競爭優(yōu)勢的熱帶水果之一。

但是目前菠蘿種植過程全程機(jī)械化程度較低，尤其是收獲環(huán)節(jié)，由于菠蘿果實生長在蓮座狀葉叢中心，傳統(tǒng)機(jī)械化收獲手段容易造成果實和果樹的損傷，嚴(yán)重影響菠蘿品質(zhì)和銷售價格，因此多數(shù)地區(qū)仍然采用人工收獲方式。但是菠蘿成熟時果皮堅硬且?guī)в忻⒋蹋~緣密布鋒利銳齒，人工采摘不僅勞動量大，還容易造成手部傷損，導(dǎo)致收獲高峰期雇傭采摘人手困難。據(jù)統(tǒng)計，菠蘿采收作業(yè)成本占到菠蘿生產(chǎn)總成本40%左右。

因此，研究開發(fā)菠蘿采摘的機(jī)械手及配套裝備，對減輕農(nóng)民勞動強(qiáng)度、提高現(xiàn)代果業(yè)市場競爭力具有重要意義。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對菠蘿采摘機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。

Li Bin等提出利用機(jī)器視覺識別田間菠蘿果實方法；Xia H M等提出基于雙目機(jī)器視覺的菠蘿田間定位與采摘運輸方法，并對菠蘿采摘混聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與運動學(xué)分析；胡杰文等、張日紅等和施俊俠等設(shè)計出一種菠蘿自動采摘機(jī)并進(jìn)行了相關(guān)的仿真與優(yōu)化；陳章恒等設(shè)計出一種菠蘿采摘車，采用特殊收集裝置將菠蘿引導(dǎo)并切斷；吳沛晟等提出了一種實用化采摘機(jī)器人的設(shè)計思路。上述研究對菠蘿的機(jī)械化采摘提供了良好的支撐，但是目前研究多是方案理念，沒有相關(guān)實用樣機(jī)或者田間試驗的報道。

該文研制的菠蘿采摘機(jī)械手，針對菠蘿自身的結(jié)構(gòu)特征，通過夾持機(jī)構(gòu)與刀組，實現(xiàn)自動化采摘菠蘿，避免人工采摘過程中的刺傷，并且通過傳感器與擋板的配合設(shè)計減少對成熟菠蘿果實的損傷，菠蘿采摘機(jī)自動化控制能夠有效解決勞動力缺乏的現(xiàn)狀。

1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計的菠蘿采摘機(jī)械手工作時，需安裝在機(jī)械臂上，機(jī)械臂安裝在能夠在菠蘿田中行走的機(jī)器上，如拖拉機(jī)、田間行走機(jī)器人等，從而實現(xiàn)完整的菠蘿果實采摘系統(tǒng)。

圖1 菠蘿采摘機(jī)械手

菠蘿采摘機(jī)械手由夾持機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)3部分組成，如圖1所示。夾持機(jī)構(gòu)包括伸縮步進(jìn)電機(jī)、伸縮絲杠、伸縮絲杠滑塊、承載臂、移動菠蘿擋板和固定菠蘿擋板等，主要用于固定菠蘿位置。剪切機(jī)構(gòu)包括切割切刀、剪切支架和齒輪齒條傳動系，通過旋轉(zhuǎn)切割刀片將菠蘿切下。支撐機(jī)構(gòu)主要由支撐臂、步進(jìn)電機(jī)、絲杠、前進(jìn)絲杠滑塊、滑道滑塊和滑道等組成，主要用于連接機(jī)械臂與機(jī)器。

1.2工作原理

裝置整體運行流程如圖2所示。

工作人員操作機(jī)械臂，控制菠蘿采摘裝置移動到使菠蘿處于兩菠蘿擋板之間，前進(jìn)步進(jìn)電機(jī)通過前進(jìn)絲杠驅(qū)動承載臂帶動整個末端裝置使固定菠蘿擋板接觸到菠蘿并貼緊，然后控制伸縮步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動伸縮絲杠帶動移動菠蘿擋板向菠蘿一側(cè)運動，直至前進(jìn)菠蘿擋板與菠蘿接觸并貼緊。

彈簧連接在彈簧擋板與菠蘿擋板之間，彈簧擋板是固定的，菠蘿擋板可以繞軸運動，并在彈簧作用下歸位，這樣的設(shè)計可以使裝置在適合不同形態(tài)菠蘿的同時，將菠蘿更好地固定，可以有效避免損傷到菠蘿果實。

圖2菠蘿采摘工作流程

剪切機(jī)構(gòu)如圖3所示。動力來源于剪切步進(jìn)電機(jī)，在夾持機(jī)構(gòu)夾緊菠蘿果實后，剪切步進(jìn)電機(jī)通過齒輪齒條帶動剪切刀片向前運動，剪切刀片在剪切步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下一直轉(zhuǎn)動，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的剪切刀片運動到果柄位置時將其切斷，切割刀片運動到極限位置自動歸位，完成切割。

切割刀片歸位后，移動菠蘿擋板歸位，菠蘿果實掉落。工作過程可實現(xiàn)機(jī)械自動化采摘，解放了大量的勞動力，同時避免了人與菠蘿果實的直接接觸，將果實對工人的傷害降到最低。

圖3菠蘿采摘執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

2主要部件設(shè)計

2.1夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計

夾持機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由承載部分、擋板部分和控制伸縮部分組成。裝置工作時，固定菠蘿擋板處于固定位置，移動菠蘿擋板與絲杠上的滑塊螺母連接，當(dāng)裝置運動致使菠蘿處于兩擋板之間時，在電機(jī)轉(zhuǎn)動的情況下通過絲杠上的滑塊螺母帶動前端擋板向菠蘿一側(cè)運動，直至兩擋板與菠蘿緊密結(jié)合。彈簧可以控制擋板的上下活動角度，以便于適應(yīng)不同生長狀態(tài)的菠蘿，避免損傷菠蘿表面和根部。

1.伸縮絲杠2.伸縮絲杠滑塊3.軸承座4.承載臂橫梁5.彈簧支架6.彈簧擋板7.彈簧8、9.移動菠蘿擋板10.伸縮步進(jìn)電機(jī)11.承載臂

圖4夾持裝置結(jié)構(gòu)

2.2剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計

切割裝置由剪切支架、齒條齒輪組、剪切步進(jìn)電機(jī)、齒輪盒和剪切刀片5部分組成，如圖5所示。剪切支架固定在承載臂上，剪切刀片旋轉(zhuǎn)切割運動和進(jìn)給運動全部由步進(jìn)電機(jī)帶動。

切割刀片一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，進(jìn)給運動屬于間歇運動。當(dāng)擋板夾緊菠蘿果實之后，會給切割裝置的步進(jìn)電機(jī)傳輸信號，切割刀片通過齒輪與齒條的配合使刀片前進(jìn)進(jìn)行切割，當(dāng)達(dá)到固定位置之后刀片做反向歸位運動。刀片的切割半徑大于菠蘿的根部直徑，刀片到達(dá)固定位置時可以保證將菠蘿根部切斷。

1.齒條2.剪切支架3.剪切刀片4.齒輪盒5.步進(jìn)電機(jī)

圖5剪切裝置結(jié)構(gòu)

2.3支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計

支撐部分如圖6所示，主要功能是連接菠蘿采摘裝置與田間作業(yè)裝置，裝置安裝在機(jī)器上進(jìn)行田間菠蘿采摘。支撐臂上裝有步進(jìn)電機(jī)，通過滑道和滑塊連接承載臂，承載臂可以在支撐臂上前后移動以尋找合適的套入位置。承載臂的移動通過步進(jìn)電機(jī)帶動，絲杠傳動實現(xiàn)承載臂的滑移。滑道采用4根滑道的滑移方式，即增加了承重能力，同時也提高了承載臂的運行平穩(wěn)性。

1.承載臂2.滑道支撐座a3.滑塊4.滑道5.滑道支撐座b

6.絲杠滑塊7.步進(jìn)電機(jī)8.支撐臂

圖6支撐裝置結(jié)構(gòu)

3主要技術(shù)參數(shù)確定

裝置的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)定是為了能順利將菠蘿果實夾緊并順利剪切。主要技術(shù)參數(shù)示意如圖7所示。

圖7主要技術(shù)參數(shù)示意

3.1夾持距離

裝置的夾持機(jī)構(gòu)為2個菠蘿擋板，固定菠蘿擋板固定不動，移動菠蘿擋板在伸縮步進(jìn)電機(jī)的帶動下向固定菠蘿擋板一側(cè)靠攏。根據(jù)測量，一般菠蘿果實的直徑在10～20 cm，因此，設(shè)計兩菠蘿擋板中心位置距離L=30 cm，足以順利將菠蘿套入，實施夾持。

3.2擋板高度

一般菠蘿果實的高度在10～17 cm，因此，設(shè)計的擋板上下寬度H=10 cm，足以將菠蘿1/2以上的高度包圍，有利于擋板與果實更好貼合，便于對果柄的剪切。

3.3刀片半徑

菠蘿果實果柄直徑一般在5～8 cm，因此，設(shè)計剪切刀片的半徑為R=9 cm，足以將菠蘿果實果柄切斷，保證菠蘿果實的順利采摘。

3.4伸縮距離

菠蘿果實被夾緊后，果實緊貼固定菠蘿擋板。齒條長度設(shè)計為S=30 cm，剪切刀片通過齒輪齒條配合前進(jìn)的行程S大于菠蘿果實半徑與果柄半徑之和，在菠蘿順利套入后可以保證將根部完全切斷。

4樣機(jī)試驗

2018年5月27—29日，在廣東省中山市小欖鎮(zhèn)進(jìn)行了菠蘿采摘機(jī)械手的田間試驗，試驗樣機(jī)如圖8所示，田間示范試驗如圖9所示。

圖8試驗樣機(jī)

圖9采摘試驗

試驗結(jié)果表明，裝置對于果實夾持位置的判斷準(zhǔn)確率達(dá)到90%，裝置在試驗過程中能夠準(zhǔn)確地下移到需要夾持菠蘿的位置。果實夾持力度的設(shè)置將果實損傷率降低到5%，基本沒有出現(xiàn)損傷果實的現(xiàn)象。

試驗存在的問題是裝置在田間運作比較依靠田間行走裝置的穩(wěn)定性，主要原因一是裝置需要依靠田間行走裝置達(dá)到相對于菠蘿果實水平的位置，二是在田間行走過程中，需要保證裝置不被損壞。

設(shè)計了一種可與田間行走裝置結(jié)合的菠蘿采摘機(jī)械手，并完成樣機(jī)制作，田間試驗結(jié)果表現(xiàn)良好。裝置能夠很好地與田間行走裝置結(jié)合，結(jié)構(gòu)緊密，系統(tǒng)可靠，能夠完成菠蘿的自動化采摘工作，既能保證不損傷菠蘿果實與植株，也能夠有效地提高效率，解放勞動力，在菠蘿種植地區(qū)有廣大的經(jīng)濟(jì)效益。

（作者：李道義 陳雷 尚小龍 王梓超 王威 楊旭龍）

菲亞特動力推出F28柴油／天然氣發(fā)動機(jī)，更適合緊湊型農(nóng)業(yè)設(shè)備 ♂

菲亞特動力推出F28柴油/天然氣發(fā)動機(jī)，更適合緊湊型農(nóng)業(yè)設(shè)備

在2019漢諾威國際農(nóng)機(jī)展上，菲亞特動力科技展出了FPT新型F28發(fā)動機(jī)。

據(jù)了解，該款發(fā)動機(jī)擁有柴油和天然氣兩個版本，旨在配套小型化、高生產(chǎn)力和環(huán)境友好型設(shè)備，滿足日益增長的緊湊型農(nóng)業(yè)設(shè)備需求。

外形緊湊小巧，卻動力十足

F28發(fā)動機(jī)具有高性能和緊湊性，這讓其成為專用拖拉機(jī)和小型多用途拖拉機(jī)的理想解決方案，可以滿足對空間以及追求高生產(chǎn)力應(yīng)用的要求。

盡管F28發(fā)動機(jī)的排量只有2.8L，但其擁有相當(dāng)于2.2L排量規(guī)格的緊湊結(jié)構(gòu)，更可提供相當(dāng)于3.4L發(fā)動機(jī)的動力性能。在2300r/min時最大功率為55kW，在1400r/min時最大扭矩為375N?m。與同類產(chǎn)品相比，F(xiàn)28具有更優(yōu)的性能尺寸比。

F28發(fā)動機(jī)符合StageV和Tier4 Final排放標(biāo)準(zhǔn)，使用菲亞特動力科技的超緊湊型后處理解決方案，針對歐洲市場使用柴油發(fā)動機(jī)氧化催化劑（DOC）結(jié)合柴油發(fā)動機(jī)顆粒過濾器（DPF），針對北美市場使用DOC。

同時，該發(fā)動機(jī)采用精益設(shè)計，集成廢氣循環(huán)（EGR）通道，減少發(fā)動機(jī)缸體的橋，并且采用緊湊的結(jié)構(gòu)，便于安裝到車輛上。此外，F(xiàn)28還采用單側(cè)可維護(hù)布局，維護(hù)間隔為600h，維護(hù)簡單，運行成本低。

“我們相信，小型而又強(qiáng)大的F28發(fā)動機(jī)，將在未來幾年進(jìn)一步推動農(nóng)業(yè)發(fā)展?！狈苼喬貏恿萍?xì)W洲副總裁Fabio Rigon說，“我們還將提供天然氣版本的F28發(fā)動機(jī)，以滿足農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)商娲剂系男枨?。?br/>

天然氣版本，助力循環(huán)經(jīng)濟(jì)

基于提供多動力解決方案的戰(zhàn)略，菲亞特動力科技將提供100%天然氣版本的F28發(fā)動機(jī)。天然氣發(fā)動機(jī)具有與同款柴油發(fā)動機(jī)相同的排量和接口，更具有通用的基本組件，排放后處理系統(tǒng)仍使用三元催化劑。

F28天然氣發(fā)動機(jī)將進(jìn)一步減少污染物排放，以實現(xiàn)更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。

當(dāng)使用生物甲烷作為燃料時，可以將二氧化碳的排放量減少到幾乎為零。而生物甲烷的生產(chǎn)過程也有助于循環(huán)經(jīng)濟(jì)，不僅減少了溫室氣體的排放，而且還能復(fù)原土壤中的有機(jī)物，并幫助當(dāng)?shù)剞r(nóng)民降低生產(chǎn)成本。