紅花果球喂入分距機構的設計及運動學分析

董建華 葛云 楚世哲 鄭一江 曾海峰 郭道道

摘要：針對紅花采摘機器人末端執行器采摘時由于紅花果球擠攏后分散間距小、互相遮擋而使定位不準確的問題，提出一種在紅花植株喂入階段同時對果球進行疏散分距的方法，設計了一種紅花果球喂入分距機構，并對機構的主體結構與結構參數進行設計和機構運動學分析，結果表明：整個運動期間，機構運行速度和加速度無瞬時突變，運動平穩可靠，滿足設計要求。搭建了紅花果球喂入分距性能試驗臺，并進行試驗，結果表明：采用喂入分距作業可減少紅花果球的遮擋，分距合格率為92.33%，果球遮擋率為3.15%，植株和果球損傷的比例分別為0.64%和1.05%，該喂入分距機構有效增加了夾持擠攏操作后的相鄰紅花果球間距，使紅花果球呈平面條帶狀規整排列，降低采摘難度。研究可為紅花機械化采摘提供理論依據。

關鍵詞：紅花果球；喂入；分距；機構設計；運動學分析

中圖分類號：S225.99文獻標志碼：A文獻標識碼

Design and kinematic analysis of the separation mechanism for feeding safflower ball

DONG? Jianhua，GE? Yun*，CHU? Shizhe，ZHENG? Yijiang，ZENG? Haifeng，GUO? Daodao

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract： In order to address the issue of inaccurate positioning caused by the small dispersion distance and mutual shielding after the red flower ball is gathered together during the picking process of the safflower picking robots end effector，a method for simultaneous evacuation separation of fruit balls during the feeding stage of safflower plants was proposed.A mechanism for separating red flower balls during feeding was designed，with careful consideration given to its main structure，structural parameters，and kinematic analysis.The analysis reveals that there are no sudden changes in speed or acceleration throughout the entire movement，ensuring stable and reliable motion that meets design requirements.A test bed was constructed to evaluate the performance of fruit ball separation during feeding.Results showed a separation rate of 92.33%，a shielding rate of 3.15% for fruit balls，and damage rates of 0.64% for plants and 1.05% for fruit balls respectively.The separation mechanism effectively increases spacing between adjacent red fruits and fruit balls after clamping operations，resulting in a planar arrangement that reduces picking difficulty.This research provides a theoretical basis for mechanized safflower picking.

Key words： safflower balls;feeding;splitting distance;mechanism design;kinematic analysis

紅花（Carthamus tinctorius L.），又稱紅藍花、紅花菜、懷紅花、紅花尾子等，我國東漢時期就有紅花藥用的記載，距今已有兩千多年的歷史，具有適應性強、耐寒、耐旱、耐鹽堿等優良特性，廣泛應用于油料、醫藥、化妝品、保健品、飼料、有機肥料、染料等行業［1-3］。目前，新疆是我國面積最大的紅花種植區，占全國種植總面積的80%以上［4-5］。由于紅花的花絲和紅花果球中的種子不同期成熟，且不同果球上的紅花絲成熟時間也不同，所以需要利用選擇性采摘技術進行作業，而且紅花果球的間距小、果球遮擋會對末端執行器的選擇性采摘產生不利的影響。目前，紅花的采摘主要為人工方式采摘，近年來學者們進行了機械采摘及機器人采摘的研究，如便攜式、梳夾式和對輥式等紅花機械采收裝置［6-9］和旋轉剪切式、氣吸-剪切式等結合視覺識別對紅花果球定位后采摘［10］，但采摘過程中都需對花絲逐朵采摘，并且為便于末端執行器采摘而需要人手動去調整紅花果球自然狀態的位置，而存在勞動強度大、效率低的問題；另外，夾持擠攏植株后可有效降低采摘過程中紅花枝條擺動，大幅提高采摘效率，但夾持作業后存在紅花果球間距小、遮擋且容易造成末端執行器漏采的問題?？梢?，如何使紅花在夾持狀態下的果球間距滿足末端執行器采摘要求，是紅花機械化采摘研究的重點，因此，本文針對以上問題，結合紅花獨特的植株特性，提出一種紅花果球喂入分距機構，可將紅花植株有序喂入并分距，使相鄰紅花果球間距滿足末端執行器采摘要求，實現果球快速定位、采摘和提高采摘效率，旨在為紅花采摘機械化提供一定參考。

1 紅花果球喂入分距機構的結構與工作原理

1.1 對輥式紅花采摘機總體結構

課題組研制的對輥式紅花采摘機由喂入導向機構、夾持擠攏機構、喂入分距機構、對輥式末端執行器、輸花管、負壓風機、集花箱、行走底盤、傳動機構等組成，其中，喂入分距機構位于夾持擠攏機構的上方、對輥式末端執行器的下方［10］。

1.2 工作原理

對輥式紅花采摘機采取的是單株間歇作業模式，在喂入分距過程和紅花采摘過程中，整機停止前進，待單株紅花采摘完成，整機繼續前進。具體工作過程如下：

（1）喂入導向階段。喂入導向機構按一定的工作速度前進并將倒伏的紅花植株扶起，將紅花植株收攏沿裝置前進方向向后撥送（圖1a）。

（2）夾持擠攏階段。夾持擠攏板完成枝條夾持擠攏、初步疏散、靜態夾持等三個連續的作業過程，實現紅花植株的初步擠攏并降低枝條擺動（圖1b）。

（3）喂入分距階段。在夾持擠攏板進行枝條夾持擠攏時，喂入分距機構同步開始作業，在枝條初步疏散完成時喂入分距梳齒插入紅花果球下方莖稈之間，在夾持機構靜態夾持時喂入分距梳齒間距擴大，使紅花果球間距擴大，減少紅花果球遮擋（圖1c）。

（4）末端執行器采摘階段。對輥式末端執行器一開始位于夾持擠攏板前部上方，喂入分距梳齒完成紅花果球分距后，對輥式末端執行器沿裝置前進方向從前向后依次采摘紅花，節約采摘作業時間，采摘下來的紅花由負壓風機沿輸花管道輸送到集花箱；

（5）喂入分距梳齒退回階段。采摘作業完成后，喂入分距梳齒退回，夾持擠攏板將枝條釋放回到初始狀態位置，繼續進行下一次喂入工作。

2 紅花果球喂入分距機構的設計

2.1 紅花果球分距原理

當紅花果球存在間距過小、遮擋的情況時，對輥式末端執行器采摘時，只能采摘果球位置較高的花絲，而果球高度低的花絲則采摘效果不佳，如圖2a所示。因此，在對輥式末端執行器采摘紅花時，需要將紅花果球分開一定間距來提高采凈率。收獲期紅花一枝一花，果球分距就等效于將紅花枝條間距擴大。

通過分析可知：在紅花果球分距過程中，最理想的分距狀態是一對喂入分距梳齒間只有1個紅花果球，此時對輥式末端執行器可以進行逐個果球的采摘。經過田間預試驗發現，紅花為頂生作物，1個枝條上只在枝條頂端有1個果球，且果球直徑明顯大于枝條直徑（圖2b），因此，植株擠攏后大多數情況是，即使2個紅花果球出現遮擋的情況，其下方的莖稈也不會完全重疊，會存在一定的分散間距，這個間距也完全可以通過喂入分距梳齒，并將2個果球分開，再由末端執行器進行采摘。

紅花果球分距過程和分距完成的狀態如圖3所示。

2.2 喂入分距過程紅花果球的運動分析

喂入分距階段中在分距元件的作用下，相鄰紅花果球間距被拉大，使遮擋甚至重疊的紅花果球保持一定間距，保證末端執行器的采凈率。在喂入分距過程中，紅花植株易脫離分距元件，對喂入分距過程中紅花果球運動情況進行分析，其運動分析坐標系統如圖4所示，圖中ξ為紅花分枝與水平方向夾角（°），v為喂入分距梳齒工作時的運動速度（m/s），l為紅花分枝枝條長度（mm）。

根據如圖4紅花果球運動情況的分析可得：

x=lcosξ+vt，

y=xtanξ=（lcosξ+vt）tanξ=lsinξ+vttanξ。（1）

由式 （1）可知，紅花分枝枝條長度l是一定的，而其它參數都是隨著運動過程不斷變化的，要使在喂入分距過程中紅花果球不脫離分距元件，需對喂入分距梳齒的結構尺寸合理設計，對運動時間進行一定的限制，即對分距元件的最大工作范圍有一定的要求。

2.3 喂入分距機構的結構與工作過程

紅花果球喂入分距機構主要應用于采摘作業前的紅花果球分距階段，對紅花果球進行分距。該機構主要由喂入分距梳齒、平面凸輪板、滾珠絲杠、安裝架及驅動電機等組成，其結構如圖5所示。

喂入分距作業時，由喂入分距梳齒與平面凸輪板共同完成紅花果球分距工作。驅動電機通過滾珠絲杠與平面凸輪板聯結，電機的動力通過平面凸輪板上滑槽傳遞到喂入分距梳齒，并驅動梳齒完成分距動作。工作過程為喂入分距梳齒插入相鄰兩紅花果球枝條間隙，然后喂入分距梳齒擴大間距，使紅花果球間距趨于相對穩定，便于末端執行器進行采摘，并提高采凈率。在喂入分距機構的作用下，紅花果球最終呈平面條帶狀的規整排列，同時相鄰紅花果球間距適應末端執行器采摘作業要求。待末端執行器完成整株紅花的采摘后，喂入分距梳齒退回，等待下一次喂入分距作業。

2.4 喂入分距機構的結構參數設計

2.4.1 平面凸輪板

喂入分距機構驅動電機通過滾珠絲杠與平面凸輪板聯結，喂入分距梳齒實際上由平面凸輪板直接驅動，下面對平面凸輪板進行設計，主要針對紅花分距工況設計其輪廓曲線。

一株紅花上的果球數有多有少，數目不一。當一株紅花上的紅花數目較多時，會因喂入分距梳齒數目過少而無法實現整株紅花的分距功能，并且喂入分距梳齒數目按最多果球數設置又易造成工作尺寸過大，同時造成功能過剩；當一株紅花上的果球數目較少時，會因喂入分距梳齒數目過多而導致末端執行器的空行程增加，且工作效率降低。因此，為了平衡工作效率與工作尺寸，將喂入分距梳齒設置為8個，喂入分距梳齒從左至右依次編號為1～8，以喂入分距梳齒4為定位基準。

在喂入分距梳齒進行紅花果球分距過程中，相鄰喂入分距梳齒最小間距應大于或等于紅花莖稈最大直徑與喂入分距梳齒直徑之和，以保證莖稈能順利進入到喂入分距梳齒間隙；考慮到會出現一對喂入分距梳齒間喂入2個紅花果球的極端情況，喂入分距梳齒最大間距應大于或等于最大紅花果球最大直徑、紅花莖稈最大直徑、喂入分距梳齒直徑與對輥式末端執行器最小采摘間距四者之和，如圖6所示，圖中D為喂入分距梳齒直徑，mm；D1為紅花莖稈最大直徑，mm；D2為紅花果球最大直徑，mm；D3為對輥式末端執行器最小采摘間距，mm；dmin為喂入分距梳齒最小間距，mm；dmax為喂入分距梳齒最大間距，mm。

根據相關研究［10-11］可知，紅花植株莖稈直徑最大為9mm，紅花果球直徑最大為32.4mm，對輥式末端執行器采摘紅花時要求果球間距不小于30mm。根據喂入分距梳齒工作時以喂入分距梳齒4為定位基準，且保持相鄰喂入分距梳齒之間間距一致，結合圖6可得出間距范圍為（9+5）～（32.4+9+5+30）mm，即14～76.4mm，所以各個喂入分距梳齒從間距最小運動到間距最大時自身的水平位移為：

dn=（76.4-14）（n-4）=62.4（n-4），（2）

其中n為喂入分距梳齒數量，1≤n≤8，n為正整數；dn為喂入分距梳齒自身水平位移，mm。

根據文獻［12-15］選定平面凸輪板直線移動距離l=100mm，據此可得出圖7中各個喂入分距梳齒自身位移依次為d1=-187.2mm、d2=-124.8mm、d3=-62.4mm、d4=0mm、d5=62.4mm、d6=124.8mm、d7=187.2mm、d8=249.6mm，同時相鄰喂入分距梳齒最小間距和最大間距分別為14mm和76.4mm。

式中：θn—平面凸輪板滑槽與水平方向夾角，（゜）；l—平面凸輪板直線移動距離，mm。

將以上l、d代入θn=arctan（l/dn），可得平面凸輪板滑槽與水平方向夾角依次為θ1=-28.11°、θ2=-38.70°、θ3=-58.04°、θ4=90°、θ5=58.04°、θ6=38.70°、θ7=28.11°、θ8=21.83°。

按以上結構參數進行設計平面凸輪板輪廓曲線，結果如圖7所示。

2.4.2 喂入分距梳齒

喂入分距梳齒對紅花果球分距機構能否成功實現分距作業和降低植株損傷有至關重要的影響。相較于棱柱形喂入分距梳齒，圓柱形喂入分距梳齒能夠降低對紅花植株的損傷［14-15］ ，因此，本文設計的喂入分距梳齒為具有弧形末端的圓柱形梳齒；另外，由于紅花花層高度差較大，為減少紅花果球漏掉，所以喂入分距梳齒應該盡量長，并且應滿足喂入分距梳齒的剛度要求。通過田間預試驗，在保證喂入分距梳齒結構剛度的條件下，結合公式 （1）分距過程時的紅花果球運動分析，確定喂入分距梳齒的有效工作長度L為200mm，使梳齒在喂入分距過程中紅花果球不脫離分距元件，喂入分距梳齒直徑D為5mm，如圖8所示。

2.4.3 滾珠絲杠選型

喂入分距機構驅動電機通過滾珠絲杠與平面凸輪板聯結，驅動電機的動力經由滾珠絲杠傳遞到平面凸輪板，再由平面凸輪板帶動喂入分距梳齒工作，完成紅花果球喂入分距作業。

下面對滾珠絲杠進行選型，滾珠絲杠運動示意圖如圖9所示。

由圖9可知，滾珠絲杠選型的核心要點包括絲杠導程、預期額定動載荷和最小底徑。其中，絲杠導程可根據以下公式進行計算：

Pb=60·1 000·v/n（4）

按照滾珠絲杠的預期工作時間計算預期動載荷：

Cam=360nmlhFmfw/100fafc（5）

其中，lh為預期工作時間，fw為載荷系數，根據情況取1.2；fa為精度系數，根據情況取0.9；fc為可靠性系數，根據情況取0.44。

當滾珠絲杠副一端固定，一端自由或者一端固定，一端支撐時，最小底徑為：

Dmin=0.078·μ0 mg（1.05·l+12·ph）δm（6）

其中，δm=（1/4-1/5）·δ，（δ為定位精度）。

根據《機械原理》［16］中相關公式可以計算出最小導程、預期額定動載荷、最小底徑3個參數，然后篩選出滿足這3個參數的滾珠絲杠為FFZD2004-3，其參數見表1。

3 紅花果球喂入分距機構的運動學分析

運動時喂入分距梳齒應能實現x軸方向的間距調節，同時，喂入分距梳齒運動過程中應平穩無沖擊，避免對紅花莖稈和果球造成損傷。凸輪機構的傳動特性簡單、緊湊、易于設計，可實現從動件的任意運動［17-18］。由于喂入分距梳齒數量較多，且調節次數多，考慮到接觸磨損情況及加工難度，故本文選擇直線滑槽平面凸輪機構驅動喂入分距梳齒運動，從動件選用滾子從動件，同時，滾子從動件與喂入分距梳齒聯結在一起。另外，

喂入分距梳齒運動過程中需要調節的間距不大，而喂入分距梳齒從動件的質量也較輕，屬于低速輕載的運動場合，各梳齒從紅花果球之間空隙間距穿過，直接作用于紅花果球，其對果球的損傷程度則取決于梳齒運動的平穩性，為使分距完成后的果球便于末端執行器逐個采摘，根據果球直徑確定分距完成后間距dmax，避免采摘時由于果球相互遮擋、摞疊等阻礙末端執行器采摘，降低采凈率。

根據《機械原理》［16］將喂入分距梳齒運動選擇為等速運動，并且為了消除等速運動過程中的剛性沖擊而獲得較好的運動和動力特性，喂入分距梳齒運動將等速運動規律與正弦加速度運動規律組合起來，其完整的一個運動周期由推程期與回程期兩部分組成，推程期運動由正弦加速度區段、等速運動區段、正弦加速度減速區段3段組成，且回程期運動規律與推程期的一致，如圖10所示。

設正弦加速度區段和正弦加速度減速區段的凸輪行程分別為l1和l2，喂入分距梳齒對應的位移分別為d′1和d′2。喂入分距梳齒從動件運動推程期和回程期，第1段均為正弦加速度區段、第2段均為等速運動區段、第3段均為正弦加速度減速區段，將l=2l1和d0=2d′1代入正弦加速度運動方程［12-13］，利用Matlab軟件對代入后的凸輪運動方程［12-13］進行編程，再經Matlab軟件圖形處理模塊處理可得喂入分距梳齒的水平位移、速度和加速度曲線，結果（圖11～13）顯示：每個喂入分距梳齒的

位移曲線都能在對應的凸輪行程處達到規定位移，且整個過程光滑連續；整個運動期間，速度無任何突變，運動平穩可靠；加速度沒有發生瞬時突變，也沒有不連續的斷點，具有較好的動力性能。上述結果表明滿足設計要求。

4 試驗與結果

4.1 試驗材料與方法

為進一步驗證紅花果球喂入分距機構的工作性能，2022年7月在新疆維吾爾自治區石河子大學北苑新區工科樓202實驗室，以“云紅二號”紅花為試驗材料，進行紅花果球喂入分距性能試驗，試驗設備和儀器包括紅花果球喂入分距性能試驗臺、游標卡尺等。紅花果球喂入分距性能試驗是在夾持擠攏作業后的紅花植株狀態下進行的。紅花果球喂入分距作業的目的是降低后續采摘難度、提高采凈率，因此，紅花果球喂入分距作業質量以喂入分距后是否有效降低紅花果球遮擋、紅花果球間距是否滿足末端執行器采摘要求為評判標準。

紅花果球喂入分距作業體現在作業前后紅花果球的間距和遮擋情況，同時考慮作業過程中可能出現的植株損傷，因此試驗選取果球分距合格率（相鄰果球間距大于30mm為合格）、喂入分距過程果球遮擋率、喂入分距過程漏果率、喂入分距過程植株損傷率和果球損傷率作為紅花果球喂入分距性能試驗的評價指標。在此性能試驗中，選擇了100株紅花，并將其分成5組，最終試驗結果取每組結果的均值。

4.2 試驗結果與分析

紅花果球喂入分距性能測試結果如表2所示。

由表2可見：喂入分距作業后，果球遮擋情況明顯改善，紅花果球分距合格率為92.33%，果球的遮擋率在3.15%以內，這滿足對輥式末端執行器采摘要求；漏果率為4.52%，植株和果球損傷的比例分別為0.64%和1.05%，表明只有少量的枝條和果球因分距作業而受到損傷。

分析以上結果，再結合紅花果球喂入分距效果（圖14）可知：采用喂入分距作業可減少紅花果球的遮擋，增加擠攏操作后相鄰紅花果球的間距，且使得紅花果球呈平面條帶狀規整排列，從而減輕采摘的困難。

5 結論

（1）對喂入分距機構的運動學分析結果表明：整個運動期間，機構速度無任何突變，運動平穩可靠；加速度沒有發生瞬時突變，也沒有不連續的斷點，具有較好的動力性能。說明該喂入分距機構滿足設計要求。

（2）采摘試驗的結果表明：紅花果球喂入分距作業后，紅花果球分距合格率為92.33%，紅花果球遮擋率為3.15%，漏果率為4.52%，植株和果球損傷的比例分別為0.64%和1.05%。說明分距效果良好，是一種能改善采摘質量的較好方法。

（3）采用喂入分距裝置作業，可實現在紅花植株喂入的同時進行分距，既可減少紅花果球的遮擋，又可增加擠攏操作后相鄰紅花果球的間距，而使紅花果球呈平面條帶狀規整排列，末端執行器的采摘更有序、更有節奏，以及采收作業更高效，從而可更有效提高紅花采摘生產效率，降低采摘的困難，并為紅花機器人采摘提供一定研究基礎。

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（責任編輯：編輯張忠）