張益維 羅 強(qiáng)，2 王海寶 錢利霞，2

（1.重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 重慶 400000 2.重慶市智能山地農(nóng)機(jī)技術(shù)研發(fā)中心 重慶 400000）

柑橘類農(nóng)作物是世界上種植量最多的果樹，也是我國僅次于蘋果產(chǎn)量的第二大水果，重慶市地處全球柑橘生態(tài)最適宜區(qū)緯度線上，并得益于三峽庫區(qū)溫潤的氣候環(huán)境成為我國柑橘品種最豐富、口感最好生長區(qū)域。由于以上優(yōu)勢，農(nóng)業(yè)部《全國柑橘優(yōu)勢區(qū)域發(fā)展規(guī)劃》中重慶為“長江上中游優(yōu)勢柑橘產(chǎn)業(yè)帶”核心區(qū)域，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局重慶調(diào)查總隊(duì)統(tǒng)計(jì)，2019年重慶市柑橘產(chǎn)量達(dá)到了126.3萬t，使重慶成為了名副其實(shí)的“中國柑橘城”。

1 柑橘采摘作業(yè)所面臨的主要問題

重慶目前的柑橘采摘作業(yè)主要依靠手工采摘，在整個柑橘生產(chǎn)作業(yè)中，采摘作業(yè)的機(jī)械化水平極為低下，其作業(yè)量占到了整個生產(chǎn)過程的近40%，費(fèi)用成本近50%，且在收獲季節(jié)短時(shí)間內(nèi)需要大量人員作業(yè)。

人工采摘作業(yè)不僅效率低下，且目前更面臨著無人可用的囧境。隨著我國社會老齡化問題的日益突出及工業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動力中年輕勞動力迅速向其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，而留下的多為老年人，且重慶市的地形地貌又極大的增加了人工采摘的難度和危險(xiǎn)性。[1-2]由此造成了柑橘采摘的“無人可用”和人工成本的極大增加。

2 國內(nèi)外果實(shí)機(jī)械化采摘研究

對于果實(shí)的機(jī)械化采摘，Schertz 和 Brown對扭斷式和旋轉(zhuǎn)切割式兩種果實(shí)采摘執(zhí)行器進(jìn)行了研究。其中吸入扭斷式果實(shí)采摘末端執(zhí)行器將果實(shí)吸入橡膠軟管內(nèi)后，通過腕部轉(zhuǎn)動將果柄扭斷，而旋轉(zhuǎn)切割式果實(shí)采摘末端執(zhí)行器采用了刀片切斷果柄。[3]日本九保田株式會社研發(fā)的末端執(zhí)行器工作原理是先靠近果實(shí)，吸盤將果實(shí)吸入梳狀罩中，理發(fā)推子形狀切刀切斷果柄，完成果實(shí)收獲。[4]意大利卡塔尼亞大學(xué)G.Muscato 等研發(fā)的末端執(zhí)行器由切割裝置、接近開關(guān)、攝像機(jī)、伸縮托盤、下鉗口等部分構(gòu)成，當(dāng)末端執(zhí)行器到達(dá)目標(biāo)果實(shí)位置時(shí)，下鉗口夾住果實(shí)，切割刀片切斷果柄，果實(shí)落入伸縮托盤，由托盤將果實(shí)運(yùn)送至儲果區(qū)。[5]美國弗羅里達(dá)大學(xué) Michael W.Harman等研發(fā)的末端執(zhí)行器采用三指夾持結(jié)構(gòu)。

3 柑橘機(jī)械化采摘執(zhí)行器的主要問題

柑橘采摘與蘋果等果實(shí)的采摘有本質(zhì)區(qū)別，蘋果等采摘時(shí)果柄較長而柑橘果柄普遍較短，留給機(jī)械機(jī)構(gòu)作業(yè)的空間較?。惶O果等果實(shí)采摘時(shí)其果柄與果實(shí)之間可以采用拉拽等外力，果柄掉落不會對果實(shí)造成傷害，而柑橘的果柄與柑橘果皮緊密聯(lián)系在一起，如果采用拉拽等外力強(qiáng)行摘取會導(dǎo)致柑橘果皮損傷，而我國柑橘的食用環(huán)境主要為新鮮水果販賣，不同于國外的榨汁用柑橘，所以果皮損壞將造成柑橘保存時(shí)間極大較少，不利于其售賣，損害其本身價(jià)值。以上兩點(diǎn)為制約柑橘機(jī)械化采摘作業(yè)執(zhí)行器發(fā)展的主要問題所在。

4 柑橘機(jī)械化采摘執(zhí)行器研究思考

通過實(shí)地調(diào)研和文獻(xiàn)檢索，結(jié)合柑橘自身特性及重慶地形地貌，制定柑橘無損采摘末端執(zhí)行器性能要求指標(biāo)；借助三維建模軟件建立柑橘無損采摘末端執(zhí)行器的模型，并進(jìn)行必要的運(yùn)動仿真分析；借助有限元軟件對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析，分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否滿足實(shí)際工況需求，并將數(shù)值模擬的分析結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參考要素，并以此減少實(shí)驗(yàn)成本，提高工作效率；選擇合適的柑橘果園進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，驗(yàn)證采摘能力，檢驗(yàn)柑橘無損采摘末端執(zhí)行器綜合性能指標(biāo)。

5 總結(jié)

針對重慶山地農(nóng)業(yè)中柑桔人工采摘難度大、成本高等問題，研發(fā)柑橘無損采摘機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對柑桔果實(shí)的抓取與剪柄和柑桔無損害傳輸，提高柑桔采摘速度和精度，降低柑桔機(jī)械損傷率，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會生態(tài)效益。