彭 要， 張正勇，劉 洋，許桃勝，王儒敬

(1.中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院合肥智能機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031； 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026)

0 引 言

枸杞作為我國(guó)西北地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中占據(jù)非常重要的位置。枸杞生產(chǎn)全程機(jī)械化包括施肥，噴藥，剪枝，機(jī)械采收烘干等。其中由于枸杞采收季節(jié)性強(qiáng)，勞動(dòng)力欠缺，勞動(dòng)條件惡劣等因素的影響，所以機(jī)械化采收仍是首要問(wèn)題[1]。枸杞采摘機(jī)的采摘方式主要有振動(dòng)式，梳刷式，剪切式，氣吸式等[2]。在梳刷式方面，高懷智等研制了仿人手型梳刷式枸杞采摘機(jī)，徐麗明等人研制了梳刷振動(dòng)式枸杞采摘機(jī)[3]；在剪切式方面，曾小虎等人發(fā)明了一種新型枸杞采摘器[4]；在氣吸式原理方面，周宏平等人研制了一種氣流式枸杞采摘裝置[2,4]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在振動(dòng)式采摘機(jī)方面研究主要代表有何軍等人研制的4ZGB-30型便攜式枸杞采摘機(jī)[5-6]，首次實(shí)現(xiàn)了枸杞采摘樣機(jī)的研制，其通過(guò)偏心圓盤給枝條施加瞬時(shí)力使枸杞脫落，但這種機(jī)型對(duì)枸杞枝條和枸杞果實(shí)的損傷較大，會(huì)降低果品的品質(zhì)，其長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械振動(dòng)會(huì)使手臂酸痛，不利于推廣。南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所張最等人研制了自走振動(dòng)式枸杞采摘機(jī)[7]，通過(guò)多排振動(dòng)桿對(duì)枸杞枝條反復(fù)施加作用力，使枸杞脫落，并對(duì)枸杞枝條進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算了枸杞振動(dòng)的最大加速度，確定了電機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速范圍；西北農(nóng)林科技大學(xué)陳軍等人通過(guò)對(duì)枸杞枝條進(jìn)行模態(tài)分析及振動(dòng)落果實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，為確定最佳振動(dòng)頻率和振幅提供了理論支撐[1]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張文強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了一種手持式枸杞采摘機(jī)[8]，通過(guò)軟件分析和試驗(yàn)進(jìn)一步研究了頻率，振幅與慣性力之間的關(guān)系。由于枸杞主要分布在我國(guó)西北地區(qū)，所以國(guó)外對(duì)于枸杞采摘僅見于韓國(guó)學(xué)者研制了一種振動(dòng)式枸杞采摘機(jī)[9]，但是該機(jī)型并沒有推廣而且枸杞品種差別較大，不適宜我國(guó)枸杞采摘。

為推進(jìn)寧夏地區(qū)枸杞采摘機(jī)械化進(jìn)程，本文針對(duì)連續(xù)拍打式枸杞采摘機(jī)對(duì)枸杞枝條及果實(shí)損傷大，采收率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種精準(zhǔn)夾持，振幅頻率可調(diào)式枸杞采摘裝置，通過(guò)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，建立采摘模型，并對(duì)振動(dòng)桿頻率進(jìn)行理論計(jì)算和模態(tài)分析，避免振動(dòng)桿發(fā)生共振。利用ANSYS對(duì)振動(dòng)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定最大變形位置和形變量，對(duì)選用合適的材料和結(jié)構(gòu)提供理論支持。并對(duì)精準(zhǔn)夾持和頻率可調(diào)的控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。在以上幾點(diǎn)工作的基礎(chǔ)上對(duì)裝置進(jìn)行采摘實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其預(yù)定功能。

1 枸杞種植模式及生物物理量獲取

1.1 寧夏地區(qū)枸杞種植模式

經(jīng)2017～2018年在寧夏回族自治區(qū)中寧縣實(shí)地調(diào)研，為了推進(jìn)枸杞有機(jī)肥深施，枸杞噴藥，及機(jī)器采收等種植過(guò)程中的機(jī)械化水平，按農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的原則，當(dāng)?shù)罔坭酵茝V的種植模式如圖1所示。每行枸杞所有主干以及冠層成一直線排列，且主干豎直，掛果枝條分散在每行的左右兩側(cè)，每行各株一致性好，整齊劃一，具備同面性。枸杞主干高約1.7 m，整株寬1.2 m。行間距3 m株距1 m。其掛果枝條長(zhǎng)度在0.3～0.9 m之間不等。

圖1 枸杞種植模式圖

1.2 枸杞生物物理量獲取

由于采用振動(dòng)的方式使枸杞果實(shí)脫落，其采摘過(guò)程主要是靠慣性力的作用，相同振動(dòng)條件下，慣性力與質(zhì)量成正比，成熟果的質(zhì)量較花和青果大的多，因此慣性力也相應(yīng)很大，所以成熟果首先脫落[10]。所以需要知道果實(shí)的質(zhì)量等物理特性。本實(shí)驗(yàn)對(duì)中寧縣紅寶種植基地寧杞七號(hào)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，獲得其成熟果實(shí)，未成熟果實(shí)，及枝干參數(shù)如表1所示。

表1 寧杞七號(hào)相關(guān)生物物理量測(cè)量值

參照國(guó)內(nèi)外研究低矮灌木等掛果莖稈的力學(xué)特性研究方法，把枸杞枝條進(jìn)行模型化處理，其模型化處理建模如圖2所示。忽略枝條表皮木質(zhì)芯部等材料，把枝條理想的看成材料密度分布均勻的木質(zhì)材料[1]，由上表可知枸杞枝條的掛果始端和末端的直徑相差較大，所以對(duì)于不同枝條要分段測(cè)量處理，進(jìn)而建立完整的力學(xué)參數(shù)模型。

圖2 枸杞枝條實(shí)物及模型化處理圖

由木質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)可知，在其材料纖維的軸向和徑向兩個(gè)方向上，力學(xué)性能存在較大差異，所以枸杞枝條的材料屬于正交各向異性材料。若枝條的軸向定義為X方向，其材料力學(xué)特性主要受軸向彈性模量EZ，徑向彈性模量EY，EX，同性平面軸向剪切模量GXY異性平面剪切模量GYZ、GXZ，同性平面泊松比μXY，異性平面泊松比μYZ、μXZ，對(duì)于枸杞枝條材料滿足如下數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(1)

式中:EZ，EX，GYZ，μYZ，μXY可由查閱資料或?qū)嶒?yàn)儀器測(cè)得。EZ，EX，可由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)直接測(cè)得軸向和徑向彈性模量的值[11]，由材料力學(xué)中可知：

(2)

式中:M為枝條所受最大彎矩;W為彎曲截面模量;σ為抗彎強(qiáng)度;F為枝條所受最大載荷;l為跨距;d為掛果枝條直徑;I為截面慣性矩;w為中點(diǎn)處彎曲撓度。

利用公式求得抗彎強(qiáng)度，對(duì)載荷位移曲線上的彈性變形階段進(jìn)行線性擬合求得其斜率，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，抗彎強(qiáng)度與剪切模量近似成正比關(guān)系，即可對(duì)不同直徑段求得其剪切模量GXY。通過(guò)查閱資料文獻(xiàn)知，掛果枝條各節(jié)段和各個(gè)節(jié)點(diǎn)處果柄的同性平面泊松比取0.3，μXY1=μXY2=0.3，正交各向異性材料的力學(xué)參數(shù)滿足如下關(guān)系式。即可求得異性平面泊松比[11,16]。

(3)

通過(guò)以上步驟可得相關(guān)力學(xué)特性物理參量結(jié)果如表2所示。

2 采摘原理介紹及分析

如圖3所示，未成熟枸杞果實(shí)與果柄的結(jié)合力大于成熟枸杞果實(shí)與果柄的結(jié)合力，成熟枸杞果實(shí)的質(zhì)量大于未成熟枸杞果實(shí)的質(zhì)量，振動(dòng)時(shí)同一節(jié)點(diǎn)處的加速度相同，因此成熟枸杞果實(shí)果柄所受慣性力大于未成熟枸杞果實(shí)果柄所受慣性力，所以振動(dòng)時(shí)成熟枸杞果實(shí)先被振落。

表2 寧杞七號(hào)相關(guān)力學(xué)量值

雖然花朵與花柄的結(jié)合力范圍與成熟枸杞果實(shí)與果柄的結(jié)合力范圍有所重合，但是花朵的質(zhì)量只有成熟枸杞果實(shí)質(zhì)量的1/5，即振動(dòng)時(shí)花柄所受到的慣性力只有成熟枸杞果實(shí)果柄的1/5，即花朵不容易被振掉，因此通過(guò)精準(zhǔn)施加一定的振動(dòng)特性頻率和振幅，可以使枸杞各部分獲得不同的慣性力，以此原理進(jìn)行對(duì)成熟果實(shí)的采收。

圖3 加速度與結(jié)合力關(guān)系圖

本裝置采用電機(jī)作為振動(dòng)源，其振動(dòng)模型可簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將將勻速圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)[12,15]，來(lái)帶動(dòng)振動(dòng)夾持裝置實(shí)現(xiàn)往復(fù)振動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)特性方程滿足下列關(guān)系式：

運(yùn)動(dòng)位移方程:

(4)

運(yùn)動(dòng)速度方程:

(5)

運(yùn)動(dòng)加速度方程:

(6)

由曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得在θ=0時(shí)，獲得最大加速度:

(7)

同時(shí)由牛頓第二定律可知，枸杞果實(shí)采收加速度滿足f1=m1a1，為了使成熟枸杞能夠被采摘落下，所以要滿足a2>a1即:

(8)

由于R<

(9)

所以當(dāng)振幅取值在20～40 mm之間時(shí)，可得電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率之間的關(guān)系如表3所示。

表3 電機(jī)轉(zhuǎn)速、頻率、振幅之間的關(guān)系

通過(guò)輸入多組頻率振幅數(shù)據(jù)，針對(duì)不同結(jié)合力的大小，對(duì)多組樣本進(jìn)行采樣測(cè)量,然后將其結(jié)果進(jìn)行圖線擬合分析再結(jié)合后期在試驗(yàn)平臺(tái)上的試驗(yàn)結(jié)果，可知精準(zhǔn)夾持式最佳振動(dòng)頻率在15～20 Hz之間時(shí)，對(duì)于青果的損傷率最低，對(duì)熟果的采集率最佳。

采摘電機(jī)功率的計(jì)算公式參照：P=Fv/η

其中：F是慣性力+摩擦力+其它阻力，v是指運(yùn)動(dòng)速度，η是指電機(jī)機(jī)械效率，為進(jìn)行理論計(jì)算，將振動(dòng)機(jī)構(gòu)看作質(zhì)點(diǎn)，且忽略電機(jī)功能轉(zhuǎn)換損耗，可得其功率:

(10)

式中：ρ為摩擦系數(shù)，取0.05；m=50 kg；R=(20 mm,30 mm,40 mm不等)；L=390 mm。最終選擇的電機(jī)型號(hào)為YE2-132M2-6三相異步電動(dòng)機(jī)。

3 采摘實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型的建立

對(duì)于振動(dòng)式枸杞采摘機(jī)分析時(shí)，將枸杞枝條簡(jiǎn)化成一端固定的懸臂梁進(jìn)行分析，枸杞枝條多處均勻受力振動(dòng)，枸杞枝條發(fā)生彎曲變形，不同部位的果實(shí)獲取的加速度不同，當(dāng)果實(shí)的加速度大于其脫落的最大加速度時(shí)，枸杞果實(shí)脫落。由張最等人對(duì)枸杞采摘時(shí)的枝條振動(dòng)計(jì)算及有限元軟件分析可知，枝條各節(jié)點(diǎn)處加速度值不同，在靠近固定端的加速度最小[7]。

3.1 精準(zhǔn)夾持裝置的結(jié)構(gòu)

由于拍打振動(dòng)式裝置來(lái)回不停的拍打枸杞枝條，對(duì)枸杞枝條表皮傷害較大，因此本設(shè)計(jì)采用的是精準(zhǔn)夾持裝置，通過(guò)三排振動(dòng)桿對(duì)枸杞枝條進(jìn)行固定夾持，每根枝條及其每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)模式同步性好，使其在振動(dòng)時(shí)能獲得與振動(dòng)桿大小相同的加速度，可精確控制振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率，使枝條各部分加速度值接近，更有利于枸杞果實(shí)的脫落，可提高采摘率，同時(shí)降低對(duì)枸杞枝條的傷害。

振動(dòng)模型主要由振動(dòng)桿，振動(dòng)框架，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，橫向?qū)к壱苿?dòng)機(jī)構(gòu)，夾緊裝置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如4所示。其工作流程為車輛在枸杞行中行走，在靠近枸杞植株時(shí)，采摘試驗(yàn)平臺(tái)在滑軌上橫向滑動(dòng)，到達(dá)指定的合適位置后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)絲杠調(diào)整相鄰兩振動(dòng)桿之間的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)枸杞枝條的精準(zhǔn)夾持，夾持裝置未出現(xiàn)報(bào)警情況后，啟動(dòng)電機(jī)，通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)振動(dòng)架在縱向滑軌上來(lái)回振動(dòng)，逐步增加其振動(dòng)頻率，直至加載到指定頻率，穩(wěn)定振動(dòng)預(yù)定時(shí)間后，關(guān)閉電機(jī)，振動(dòng)采摘試驗(yàn)平臺(tái)從枸杞枝條中退出，停在車輛中間位置，車輛繼續(xù)前進(jìn)，繼續(xù)進(jìn)行下一株枸杞的采摘。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及振動(dòng)框架結(jié)構(gòu)圖1.滑動(dòng)導(dǎo)軌 2.三相異步電機(jī) 3.聯(lián)軸器 4.曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 5.夾緊調(diào)節(jié)絲杠 6.夾持調(diào)整電機(jī) 7.振動(dòng)桿 8.試驗(yàn)平臺(tái) 9.動(dòng)框架 10.靜框架

夾持裝置主要由靜框架，動(dòng)框架，振動(dòng)桿，絲杠調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)電機(jī)等部分組成。待振動(dòng)桿插入到枸杞枝條中后，啟動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)，帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)近而帶動(dòng)動(dòng)框架移動(dòng)，調(diào)整振動(dòng)桿之間的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)枸杞枝條的夾持。

3.2 振動(dòng)桿的固有頻率分析

由于在初次試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)桿的固有頻率和振動(dòng)頻率有重合部分，因此振動(dòng)桿出現(xiàn)的共振現(xiàn)象，振動(dòng)桿抖動(dòng)較嚴(yán)重，無(wú)法對(duì)枸杞枝條進(jìn)行穩(wěn)定夾持，導(dǎo)致采摘率達(dá)不到預(yù)期。所以為了保證振動(dòng)桿的穩(wěn)定性，我們對(duì)振動(dòng)桿的頻率進(jìn)行了分析計(jì)算，避免共振的發(fā)生。

由材料力學(xué)中彎曲變形章節(jié)中簡(jiǎn)支梁彎曲簡(jiǎn)化理論，梁的撓曲線微分方程可表示為：

(11)

微元段振動(dòng)的瞬時(shí)位移y(x、t)與撓曲線方程y(x)的關(guān)系為:

y(x,t)=Y(x)cosωt

(12)

由式(11)、式(12)可得:

(13)

其通解為:

Y(x)=C1sinβx+C2cosβx+C3sinhβx+

C4coshβx

式中:E為彈性模量；I為截面慣性矩；M為截面處的彎矩；ρ為材料的密度[13]。

計(jì)算得到固有頻率為：

(14)

由公式可知固有頻率與振動(dòng)桿直徑成正比，與其長(zhǎng)度的平方成反比。為了避免其頻率范圍和適宜枸杞采摘的振動(dòng)頻率范圍出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，所以采摘裝置中的振動(dòng)桿設(shè)計(jì)為等圓截面，末端設(shè)計(jì)為錐形，直徑為8 mm，長(zhǎng)度為400 mm，振動(dòng)桿的材料選用為碳纖維材質(zhì)。在ANSYS中對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得到其固有頻率fa的范圍如下表4所示，而實(shí)現(xiàn)枸杞采摘提供的激振頻率fn為15～20 Hz，即滿足fn

表4 振動(dòng)桿的前五階固有頻率值

3.3 振動(dòng)架的變形分析與仿真

頻率越高，意味著振動(dòng)次數(shù)多、正反行程持續(xù)時(shí)間短，速度、尤其是加速度的數(shù)值及變化量大，振動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)加速度成正比。振動(dòng)速度反映了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)量的大小，振動(dòng)加速度則反映了沖擊力的大小。因此對(duì)于采摘裝置的振動(dòng)框架也有一定的強(qiáng)度要求，防止其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中斷裂或發(fā)生變形而無(wú)法正常工作。因此對(duì)振動(dòng)框架所受沖擊力進(jìn)行理論計(jì)算和軟件分析,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)計(jì)了兩種振動(dòng)架，一種材料為合金鋼鋼，另一種為鋁合金。運(yùn)動(dòng)裝置振幅調(diào)節(jié)范圍為20～40 mm，角頻率范圍為122～173 rad/s，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)取得最大加速度公式(7)可知，計(jì)算得到其加速度范圍在297.68～598.58 m/s2之間，由f=ma可知，鋁合金材料和合金鋼材料的振動(dòng)框架受到的沖擊力范圍分別為8.037～16.161 kN和11.907～23.943 kN，先后在ansysworkbench軟件中對(duì)兩種材料的振動(dòng)框架進(jìn)行靜力學(xué)分析[14]，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 合金鋼與鋁合金框架變形圖

最終考慮整個(gè)振動(dòng)裝置的質(zhì)量及慣性沖擊力的大小，使形變量降到最小，最終選擇材料為合金鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其最大形變量為2.38 mm。同時(shí)為了減小形變量，在框架邊角處增加焊點(diǎn)，進(jìn)行熱處理，使其強(qiáng)度加大，在整個(gè)振動(dòng)架的后面交叉焊接兩個(gè)支撐架，增加其穩(wěn)定性防止出現(xiàn)較大變形。

4 控制部分設(shè)計(jì)

整體枸杞精準(zhǔn)振動(dòng)采摘車的控制部分如圖6。

圖6 整車控制示意圖

車輛行走方式為自走式，由發(fā)動(dòng)機(jī)為整車提供動(dòng)力。通過(guò)GPS定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收采摘位置的地理信息，通過(guò)顯示屏顯示出當(dāng)前的位置信息，為后續(xù)采摘車的行走路徑規(guī)劃提供技術(shù)支撐。通過(guò)裝在行走輪附近的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，獲得當(dāng)前的車速，保障整機(jī)合理的行駛速度。對(duì)于振動(dòng)采摘模塊，主要是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)夾持，頻率和振幅可調(diào)以適應(yīng)不同季節(jié)、不同品種枸杞的采摘。通過(guò)安裝在夾持桿上的力傳感器，獲得精準(zhǔn)夾持枸杞枝條的預(yù)緊力，將其控制在合理的范圍之內(nèi)，防止出現(xiàn)夾持過(guò)緊折斷枸杞枝條和夾持過(guò)松無(wú)法達(dá)到預(yù)定的采摘率。通過(guò)PWM(脈沖寬度調(diào)制)和增量式PID算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)。

信號(hào)采集控制終端軟件由基于Keil 開發(fā)平臺(tái)的STM32庫(kù)函數(shù)設(shè)計(jì)，當(dāng)夾持裝置實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)夾持后，由經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定振動(dòng)時(shí)間，針對(duì)高頻和低頻兩種模式，配置兩種定時(shí)器，即當(dāng)頻率低于15 Hz時(shí)，設(shè)置振動(dòng)時(shí)間為15 s，當(dāng)頻率在15～20 Hz之間時(shí)設(shè)置振動(dòng)時(shí)間為10 s。

根據(jù)上位機(jī)的顯示屏按鈕來(lái)設(shè)置切換是否進(jìn)入自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)置RGB的值，調(diào)整雙目攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)圖片的獲取及處理，當(dāng)車上的雙目攝像頭對(duì)采摘后的枸杞枝條進(jìn)行處理，由視覺處理模塊對(duì)圖像進(jìn)行去噪，灰度變換，二值化等一系列處理，經(jīng)處理過(guò)后的圖像如圖7所示。然后將其與圖像庫(kù)中設(shè)置的采集率不合格范圍進(jìn)行比對(duì)，來(lái)發(fā)出指令對(duì)頻率增大或減小做出調(diào)整。其程序控制流程圖如圖8所示。

圖7 攝像機(jī)識(shí)別效果圖

圖8 控制流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)時(shí)間：于2018年 7月19日赴寧夏回族自治區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：寧夏回族自治區(qū)中寧縣紅寶集團(tuán)綠色枸杞種植基地；實(shí)驗(yàn)天氣：晴。利用中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所研發(fā)，寧夏中寧縣登峰機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)制造的精準(zhǔn)夾持枸杞采摘實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，受當(dāng)?shù)貦C(jī)械加工條件的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。采摘的枸杞品種為寧杞七號(hào)樹齡為6～8 a，長(zhǎng)勢(shì)良好，枸杞樹形修剪及行間距基本滿足枸杞機(jī)械化采收要求。

車輛隨機(jī)進(jìn)入枸杞行間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別在單點(diǎn)夾持和雙點(diǎn)夾持的模式下，進(jìn)行多組不同頻率不同振幅的實(shí)驗(yàn)，以振幅、頻率、夾持點(diǎn)數(shù)為實(shí)驗(yàn)因素，以采摘率、含雜率、損傷率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，展開多組實(shí)驗(yàn)，確定適宜枸杞果實(shí)采收的最佳頻率振幅及夾持方式組合。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)驗(yàn)證的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有采摘率，損傷率，含雜率， 分別按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

采摘率為：

含雜率為：

損傷率為：

式中：N為采摘成熟的枸杞個(gè)數(shù)；L為所夾取枝條上成熟枸杞的總數(shù)；P為采摘的青果葉片及花朵總數(shù)；Q為采摘的成熟枸杞中損傷的個(gè)數(shù)。枸杞果實(shí)現(xiàn)場(chǎng)采摘的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5、6所示。

表5 單點(diǎn)夾持采摘實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 雙點(diǎn)夾持實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析表5、6中的數(shù)據(jù)，以采摘率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，可知采摘機(jī)的振幅和頻率對(duì)采采摘率有顯著影響，無(wú)論是單點(diǎn)夾持還是雙點(diǎn)夾持，隨著頻率和振幅的增加，枸杞的采摘率逐步增加。在同等振幅和頻率的條件下，雙點(diǎn)夾持的采摘率高于單點(diǎn)夾持。這是由于雙點(diǎn)夾持使枝條的振動(dòng)頻率和振動(dòng)框架的頻率保持一致，能量損失較小，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的枸杞枝條能獲得較大的加速度，更有利于枸杞果實(shí)的脫落，而在單點(diǎn)夾持的模式下，枸杞枝條相當(dāng)于一端固定的懸臂梁，枝條各部分加速度不一致，會(huì)降低采摘率。

以含雜率和損傷率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，可知，在加大頻率和振幅的過(guò)程中，無(wú)論是成熟果實(shí)還是青果葉片，它們?cè)讷@得更大加速度的同時(shí)，其與枝條的結(jié)合力也會(huì)產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，所以在采摘率上升的同時(shí)，青果和葉片更容易脫落，導(dǎo)致含雜率也會(huì)上升。雙點(diǎn)夾持的損傷率高于單點(diǎn)夾持，原因在于其一雙點(diǎn)夾持枸杞獲得的加速度更大，其脫落的速度大，撞擊的動(dòng)量更大，更容易受損傷，其二雙點(diǎn)夾持情況下，振動(dòng)桿夾到枸杞和枸杞碰到振動(dòng)桿的概率增大，導(dǎo)致枸杞的損傷率變大。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中頻率的變化范圍為20～25 Hz，振幅調(diào)整范圍為20～40 mm，由實(shí)驗(yàn)計(jì)算數(shù)據(jù)可知，振幅在20 mm時(shí)，在頻率變化范圍內(nèi)單點(diǎn)夾持采摘率僅為74.4%，雙點(diǎn)夾持采摘率為84.7%，其采摘率偏低；振幅在40 mm時(shí)，單點(diǎn)夾持損傷率為4.1%，雙點(diǎn)夾持損傷率為9.2%其損傷率偏高。所以在振幅為30 mm的六組實(shí)驗(yàn)中，綜合考慮枸杞損傷率和含雜率，及枸杞枝條精準(zhǔn)夾持情況，選擇最佳實(shí)驗(yàn)組合為振幅30 mm頻率17 Hz，單點(diǎn)夾持采摘率、損傷率、含雜率分別為91.4%、1.6%、1.4%；雙點(diǎn)夾持采摘率、損傷率、含雜率分別為96.4%、2.3%、3.2%。

在確定最佳頻率和振幅組合后，隨機(jī)選擇長(zhǎng)勢(shì)良好的枸杞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，夾持方式存在單點(diǎn)夾持和雙點(diǎn)夾持，還有一部分側(cè)枝由于過(guò)短未夾持到，啟動(dòng)開關(guān)開始采收，設(shè)定振動(dòng)時(shí)間為10 s，振動(dòng)完成后對(duì)采摘率，損傷率，含雜率進(jìn)行計(jì)算。整株枸杞成熟果實(shí)為962顆，采收成熟枸杞909顆，采收青果6顆，花朵2朵，葉片11片，采收的枸杞中損傷的個(gè)數(shù)為25顆，其采摘率為94.49%，損傷率為2.75%，含雜率為2.09%，其評(píng)價(jià)指標(biāo)滿足枸杞采收的要求。

同年秋季赴寧夏進(jìn)行再次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在同等實(shí)驗(yàn)條件下，秋果的采摘率高于夏果，秋果的損傷率和含雜率更高。其原因是秋果的果皮較薄，容易損傷，由于秋季，樹葉更容易脫落，這是導(dǎo)致含雜率上升的主要原因。這也為后續(xù)的清雜裝置的設(shè)計(jì)提出更高要求。

6 結(jié) 論

本文通過(guò)采摘模型理論計(jì)算，軟件分析，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建，及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等步驟得出以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)實(shí)地測(cè)量枸杞相關(guān)參數(shù)，并將枸杞枝條模型化處理，確定更加準(zhǔn)確的生物物理特性參數(shù)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)理論出發(fā)，分析計(jì)算了振動(dòng)采摘原理，確定了采摘的最佳振動(dòng)頻率范圍為15～20 Hz，振幅范圍為20～40 mm。

(2) 針對(duì)傳統(tǒng)采摘單一拍打激振模式參數(shù)的局限性及采摘率低損傷率高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種精準(zhǔn)夾持裝置，由絲杠調(diào)整振動(dòng)框架中動(dòng)框架的位置，進(jìn)而調(diào)整相鄰兩振動(dòng)桿之間的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)枸杞枝條的穩(wěn)定夾持，使枝條各節(jié)點(diǎn)處獲得較大加速度，為實(shí)現(xiàn)枸杞高效低損采摘提供保障。并經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和軟件分析相結(jié)合對(duì)振動(dòng)桿的共振、振動(dòng)架的變形進(jìn)行分析。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛地理位置信息及車輛行駛速度信息，為后續(xù)設(shè)計(jì)行駛路徑提供保障。通過(guò)視覺系統(tǒng)建立采摘率不合格的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，振動(dòng)時(shí)間可控，提高其自動(dòng)化程度。

(3) 通過(guò)先后兩次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以采摘率、損傷率、含雜率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別在不同組振幅、頻率條件下進(jìn)行單點(diǎn)夾持和雙點(diǎn)夾持實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最佳頻率為17 Hz，振幅為30 mm，其采摘率為94.49%，含雜率為2.09%，果實(shí)損傷率為2.75%。能有效的提高枸杞采摘率。