0 引言

海湾扇贝原产于北美洲大西洋沿岸，目前已经成为我国北方沿海一种重要的养殖贝类。国内的扇贝加工企业主要采取人工作业方式、小规模作坊式生产，机械化程度低，工人劳动强度大，工作环境差，扇贝制品的品质难以保证。国外虽然已经研制出扇贝加工设备，但主要针对尺寸较大的虾夷扇贝设计，对海湾扇贝这种尺寸较小的贝类适用性差且设备造价昂贵。因此，深入探究海湾扇贝的生物特性，研制扇贝加工关键装备，提高扇贝制品的质量，实现扇贝加工的大规模机械化生产，对我国扇贝产业的未来发展具有重大和深远的意义。

本文针对海湾扇贝的开壳取肉问题进行研究，特别是针对如何剥离外套膜这一关键问题进行了深入探讨。同时，结合海湾扇贝的生物特性，创造性地将机械手这一设计思想运用在海湾扇贝加工中，实现了机械化剥离外套膜，为海湾扇贝加工中后序的取贝柱工作奠定了基础。

1 扇贝外套膜剥离方案确定

1． 1 海湾扇贝生物特性分析

海湾扇贝两壳几乎相等，右壳稍高，成贝壳高在60mm 左右，壳宽 24mm 左右，主要成分为 95% 以上的CaCO3和 5%左右的有机大分子。海湾扇贝内部主要为贝柱、外套膜及内脏等生物组织，如图1 所示。

海湾扇贝外套膜具有双壳贝类外套膜的典型结构，紧贴于两贝壳的内面，为包被内脏团的二叶薄膜，由中央膜和边缘膜组成，边缘膜较厚、色深，中央膜薄而透明。外套膜各部位组织学结构相似，其组织结构主要为内外上皮层、结缔组织与肌纤维。外套膜除了在背面少数部位连接外其余部分均为游离状态。

1． 2 外套膜剥离技术现状

现有的扇贝外套膜剥离技术主要有 3 类:负压吸引方式、多辊辊碾方式及人工剥离方式。

负压吸引方式是采用真空技术吸除附着在扇贝壳体表面的外套膜;多辊辊碾方式是采用多个并排的细辊，对外套膜进行辊碾撕扯;人工剥离方式是用刀具从贝壳边缘处钩起外套膜，刀尖沿贝壳内面运动至贝柱附近时向上挑起，从而将外套膜及内脏从贝柱上撕下。

1． 3 外套膜剥离方案的确定

目前，虾夷扇贝加工中多采用负压吸引方式和多辊辊碾方式。试验表明:这两类方式应用于海湾扇贝加工时，由于海湾扇贝贝柱娇嫩细小，剥离外套膜的同时贝柱也易受损伤。人工方式剥离效果最好，但在人工操作中存在刀具在贝柱上留下划痕的问题，而且工人由于长时间工作感到疲劳易发生刀具划伤手指的情况。

通过对海湾扇贝内面进行轮廓测量，发现其内面为复杂高阶曲面。以左壳为例，分别测量贝壳内面与平面1、2、3 相交处轮廓曲线，如图2 所示。

左壳内面与平面1 的相交曲线函数表达式为

左壳内面与平面2 的相交曲线函数表达式为

左壳内面与和平面 1、2 呈 45°的平面 3 的相交曲线函数表达式为

同理，通过对海湾扇贝壳内面与过贝柱的若干其它平面的相交曲线进行测量，发现各条相交曲线的函数表达式差异较大，表明海湾扇贝壳内面是一个不规则的高阶曲面。

综上所述，受人工剥离方式启发，本文拟采取机械手这一剥离方案。机械手可节约人工，提高扇贝加工安全性，提升扇贝制品品质。

2 机械手总体结构设计及工作原理

机械手的主要结构包括机架、推杆、导套、导杆、止滑结构、升降盘、卸料半环、开闭杆、连杆、刀杆10 及刀钩，如图3 所示。

导套与机架相连，导杆与机架下方的升降盘相连，在机械手升降时起导向作用。止滑结构位于机架与升降盘之间，由柱塞式气缸与两个反向并联的单向阀(未画出)组成，防止升降盘在自重下滑动。推杆穿过机架、升降盘中心通孔，上端与驱动装置相连，下端设置上挡环、下挡环，且两挡环间距略大于升降盘厚度，其间隙保证手爪总是先张开再下移，先闭合再上移，如图4 所示。

开闭杆、连杆、刀杆及刀钩构成手爪。开闭杆以环形阵列方式铰接在升降盘下表面，连杆一端铰接在推杆下端面，另一端铰接在开闭杆上，两端可以绕铰链销轴转动，向开闭杆传递运动和动力，实现手爪的张开与闭合。刀杆设置在开闭杆的空腔内，刀钩钩尖向内与刀杆铰接相连。卸料半环以环形阵列方式与开闭杆对应布置，上端与机架固定。

工作时，驱动装置驱动推杆下移，手爪先张开，随后推杆压住升降盘下移至扇贝处;刀钩与贝壳内面边缘接触后，贝壳内面迫使刀钩绕铰接销轴转动，刀尖与内面贴合;推杆上移，手爪逐渐闭合，刀钩钩取外套膜并运动至贝柱附近;随后推杆托起升降盘上移，完成上挑工作;推杆再次下移，手爪再次张开，下降至卸料半环附近时，半环迫使刀钩发生旋转，刀钩从外套膜中抽出，完成卸料工作。

3 机械手关键部件结构设计

据统计，扇贝贝柱平均直径约为 13．5mm，为避免手爪钩取或上挑外套膜时划伤贝柱，开闭杆与升降盘的铰接点所在圆周直径设计为 25mm，手爪完全闭合时刀尖所在圆周直径为 15mm。为保证刀具对壳内曲面具有良好的适应性，刀尖与壳面始终保持贴合，手爪设计为柔性结构，如图 5 所示。在开闭杆与刀杆间设置压簧;手爪闭合时在压簧作用下刀杆自动伸出，刀尖保持与贝壳表面接触。刀钩与刀杆铰接且在铰接处设置有扭簧，如图 5 所示。刀钩外侧与贝壳内面先接触，贝壳迫使刀钩克服扭簧阻力转动，刀尖逐渐向贝壳贴合;上挑时，刀钩与贝壳脱离接触后会在扭簧作用下恢复原来向内上挑的状态，进一步钩牢外套膜避免脱钩。

4 机械手手爪运动分析

4． 1 手爪开合运动分析

手爪可简化为如图 6 所示的曲柄滑块机构。其中，推杆简化为滑块，开闭杆简化为曲柄。图 6 中，B点表示连杆、推杆铰接点，C 点表示开闭杆、升降盘铰接点，D 点表示连杆、推杆铰接点，E 点表示刀杆、刀钩铰接点。

推杆2 移动距离与开闭杆摆动角度之间关系为

式中 ω—开闭杆角速度;l4—CE 的长度;v1—推杆移动速度;v2—刀钩钩取速度。

至此，得到推杆移动速度 v1与刀钩钩取速度 v2的关系式。

4． 2 刀钩旋转运动分析

非工作状态下，刀钩在扭簧作用下处于向内上挑状态。机械手下移，当刀钩外侧与贝壳内面边缘部分接触时，其受力状况如图 7 左图所示。扭簧对刀钩的扭矩为 T，刀杆对刀钩的作用力为 F1，贝壳内面对刀钩支持力为 FN，贝壳内面对刀钩摩擦力为 Ff。将力FN与力 Ff合成为与力 F1反向的 F2，对刀钩建立力学方程为

式中 l—铰接点到力 F2作用线的垂直距离;J—刀钩相对铰接点的转动惯量;α—刀钩角加速度。

由分析可知，随机械手的下降刀钩会顺时针转动，刀尖由向内上挑状态逐渐向贝壳内面贴合，这与实际试验结果一致。当刀钩两端全部与贝壳内面接触时，其受力状况如图 7 右图所示。扭簧对刀钩的扭矩为 T'，刀杆对刀钩的作用力为 F'1，贝壳内面对刀钩外侧支持力为 F'N，对刀尖支持力为 F″N，贝壳内面对刀钩外侧摩擦力为 F'f，对刀尖摩擦力为 Ff″。将力 F'N与力 F'f合成为与力 F'1反向的 F'2，将力 F″N与力 F″f合成为与力 F'1反向的 F3，对刀钩建立力学方程为

某时刻 α'= 0，刀钩达到平衡状态停止转动，此时刀尖与贝壳内面贴合。经实际试验验证，结果与分析结论一致。

手爪向内闭合钩取外套膜时，刀钩受力情况与图7 右图类似，刀钩受力保持动态平衡，刀尖与贝壳内面保持近似相切状态。经实际试验验证，手爪在闭合过程中，刀具与贝壳可以保证良好的贴合，这与分析结论一致。

5 结论

基于海湾扇贝生物特性，并受人工剥离方式启发，设计了一种外套膜剥离机械手。其可节约人工，提高扇贝加工安全性，提升扇贝制品品质。手爪设计为柔性结构，可适应扇贝内面高阶曲面轮廓。同时，对机械手推杆移动距离与手爪开合角度的关系、推杆移动速度与刀钩钩取速度的关系、刀钩的形态位置变化情况进行了理论分析论证。对此机械手装置进行试验，发现机械手可较好地完成剥离工作，剥离效果比较理想。因此，该机械手具有很好的应用前景和发展潜力，但仍需进一步的改进和优化，以达到更佳的剥离效果。

参考文献（略）