馬少春，謝瑞培，黃 奇，劉 銘

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 北京 100083)

0 引言

2014年，全國(guó)蘋(píng)果栽培面積2 272.20khm2，蘋(píng)果產(chǎn)量4 292.32萬(wàn)t，占全國(guó)水果栽培總面積和總產(chǎn)量的18.37%和15.65%[2]。隨著水果種植業(yè)的迅速發(fā)展，果園機(jī)械的市場(chǎng)需求不斷提升。果園作業(yè)中，采摘作業(yè)所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的33%～50%[3]。隨著人口老齡化的加劇，人工采摘成本不斷提高[4]。因此，發(fā)展鮮食蘋(píng)果的機(jī)械化收獲技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)蘋(píng)果采摘機(jī)械，對(duì)改善人工采摘現(xiàn)狀具有重要的意義。

目前，在試驗(yàn)室研究階段，蘋(píng)果采摘機(jī)械被越來(lái)越多地應(yīng)用于果實(shí)收獲過(guò)程，常用的機(jī)械模式為抓取式[5]。其優(yōu)點(diǎn)在于模擬人工采摘過(guò)程，直接接觸目標(biāo)物,確保采摘穩(wěn)定性；但由于末端執(zhí)行器的夾持力過(guò)大，往往會(huì)壓傷果實(shí)。如何有效避免末端執(zhí)行器對(duì)果實(shí)的損傷,實(shí)現(xiàn)柔順抓取,是末端執(zhí)行器控制的研究重點(diǎn)[6]。針對(duì)此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于負(fù)壓吸力的便攜式蘋(píng)果采摘裝置。該裝置通過(guò)負(fù)壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的穩(wěn)定夾持，且能作業(yè)于柔軟易損傷、形狀復(fù)雜、生長(zhǎng)發(fā)育程度不一及相互差異很大的果實(shí)，具有很強(qiáng)的生產(chǎn)實(shí)用性和廣泛的應(yīng)用前景[7]。

1 便攜式蘋(píng)果采摘裝置的設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式蘋(píng)果采摘裝置如圖1所示。工作時(shí)，開(kāi)啟離心風(fēng)機(jī)，沿大口徑空氣管，在殼體前方開(kāi)口產(chǎn)生負(fù)壓；調(diào)節(jié)伸縮桿，靠近目標(biāo)果實(shí)，吸引蘋(píng)果進(jìn)入殼體；操縱控制開(kāi)關(guān)，給微型直流電機(jī)通電，小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)環(huán)形轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，弧形刀片組的開(kāi)口隨環(huán)形轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷縮小，完全閉合后切斷果柄；蘋(píng)果通過(guò)殼體下方開(kāi)口落入蘋(píng)果收集布袋，完成對(duì)蘋(píng)果的采摘和收集。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

便攜式蘋(píng)果采摘裝置的總體結(jié)構(gòu)主要包括負(fù)壓機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和收集機(jī)構(gòu)，其主要部件如表1所示。

表1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要部件

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括圓環(huán)刀盤(pán)、弧形刀片組、環(huán)形轉(zhuǎn)盤(pán)、微型直流電機(jī)和小齒輪，如圖2所示。小齒輪固接在微型直流電機(jī)輸出軸上，與環(huán)形轉(zhuǎn)盤(pán)外緣輪齒嚙合；弧形刀片組設(shè)置在圓環(huán)刀盤(pán)和環(huán)形轉(zhuǎn)盤(pán)間，由3片弧形刀片分層排布組成。

1.圓環(huán)刀盤(pán) 2.弧形刀片組 3.環(huán)形轉(zhuǎn)盤(pán)

圓環(huán)刀盤(pán)沿其圓周上設(shè)有3個(gè)孔，相鄰孔之間夾角為120°。環(huán)形轉(zhuǎn)盤(pán)的內(nèi)側(cè)沿徑向設(shè)有3個(gè)徑向槽，相鄰徑向槽之間夾角為120°。弧形刀片一端銷(xiāo)軸與圓環(huán)刀盤(pán)上的孔轉(zhuǎn)動(dòng)連接，另一端銷(xiāo)軸于環(huán)形轉(zhuǎn)盤(pán)徑向槽內(nèi)進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，弧形刀片刀刃相對(duì)形成一個(gè)大小隨其運(yùn)動(dòng)變化的開(kāi)口。為避免弧形刀片兩端間隙過(guò)大，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生上下躥動(dòng)的問(wèn)題，根據(jù)弧形刀片的布置位置，在刀片兩端設(shè)置不同高度的凸臺(tái)，如圖3所示。

(a) 設(shè)有凸臺(tái)的弧形刀片組

(b) 未設(shè)置凸臺(tái)的弧形刀片組

微型直流電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)小齒輪、環(huán)形轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，弧形刀片組開(kāi)口逐漸縮小，完全閉合后切斷果柄；隨后，微型直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，弧形刀片組復(fù)位至開(kāi)口最大，如圖4所示。

1.3 收集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

收集機(jī)構(gòu)包括殼體、防護(hù)片、蘋(píng)果收集布袋、伸縮桿和控制開(kāi)關(guān)，如圖5所示。殼體前端開(kāi)口與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，殼體后端開(kāi)口與負(fù)壓機(jī)構(gòu)連接，殼體下方開(kāi)口與蘋(píng)果收集布袋連接。蘋(píng)果收集布袋根據(jù)長(zhǎng)度分為短布袋(40cm)、長(zhǎng)布袋(60cm)兩種，一次可容納蘋(píng)果10個(gè)/20個(gè)。防護(hù)片布置在殼體后端開(kāi)口上，控制開(kāi)關(guān)布置在伸縮桿上，伸縮桿與殼體固連。

(a) 開(kāi)口閉合正視圖 (b) 開(kāi)口閉合后視圖

(c) 開(kāi)口最大正視圖 (d) 開(kāi)口最大后視圖

1.殼體 2.防護(hù)片 3.蘋(píng)果收集布袋 4.伸縮桿 5.控制開(kāi)關(guān)

防護(hù)片開(kāi)有均勻分布的小孔，在保證空氣流通順暢情況下，防止樹(shù)葉受吸力進(jìn)入負(fù)壓機(jī)構(gòu)，保證離心風(fēng)機(jī)的正常工作。蘋(píng)果收集布袋柔軟有張力，在蘋(píng)果下落時(shí)產(chǎn)生阻力，降低下落速度，減小損傷。伸縮桿主要起支撐采摘裝置及自由伸縮擴(kuò)大采摘范圍作用?？刂崎_(kāi)關(guān)上設(shè)有“閉合”“張開(kāi)”和“停止”3個(gè)按鍵，“閉合”“張開(kāi)”鍵用于控制微型直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)弧形刀片組開(kāi)口的縮小、擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)對(duì)果柄的切割和弧形刀片組的復(fù)位功能;“停止”鍵用于緊急情況下對(duì)微型直流電機(jī)的制動(dòng)。

1.4 負(fù)壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

負(fù)壓機(jī)構(gòu)包括大口徑空氣管和離心風(fēng)機(jī)，如圖6所示。離心風(fēng)機(jī)通過(guò)大口徑空氣管與殼體后端連接，用于將殼體內(nèi)的空氣抽離，使殼體與外界環(huán)境形成氣壓差，對(duì)蘋(píng)果產(chǎn)生吸力。

1.大口徑空氣管 2.離心風(fēng)機(jī)

2 便攜式蘋(píng)果采摘裝置性能試驗(yàn)

2.1 負(fù)壓吸力試驗(yàn)

試驗(yàn)采用UT363迷你風(fēng)速儀(優(yōu)利德科技有限公司，天津，中國(guó))，配合使用離心風(fēng)機(jī)(北京京凱利機(jī)電設(shè)備有限公司，北京，中國(guó))、大口徑空氣管及卷尺，測(cè)量不同長(zhǎng)度大口徑空氣管開(kāi)口處空氣流速。

根據(jù)風(fēng)壓公式得

Wp=P大氣壓-0.5rv2/g

其中，Wp為風(fēng)壓(kN/m2)；r為空氣重度(kN/m3)；v為空氣流速(m/s)；g為重力加速度(m/s2)。

試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。大口徑空氣管長(zhǎng)度為120cm時(shí)，測(cè)得空氣流速最大，即負(fù)壓值最大。為使采摘過(guò)程中， 樣機(jī)對(duì)蘋(píng)果的負(fù)壓吸力最大， 對(duì)蘋(píng)果的定

位效果最佳，故在果園采摘試驗(yàn)中選取120cm大口徑空氣管進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)開(kāi)口處負(fù)壓約為63kPa。

圖7 管道長(zhǎng)度與風(fēng)速、負(fù)壓的關(guān)系圖

2.2 蘋(píng)果采摘試驗(yàn)

試驗(yàn)于2016年10月在北京昌平區(qū)金果樹(shù)果業(yè)科技中心進(jìn)行，試驗(yàn)材料為金果樹(shù)中心培育的富士蘋(píng)果。

選取生長(zhǎng)環(huán)境相似(同種果樹(shù)、相同土壤、給水量、光照等)的成熟期蘋(píng)果，并編號(hào)。啟動(dòng)離心風(fēng)機(jī)至壓力達(dá)到穩(wěn)定，在將刀盤(pán)貼近目標(biāo)蘋(píng)果時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，果實(shí)落入蘋(píng)果收集布袋表明一個(gè)切割采摘周期完成，由秒表測(cè)定并記錄采摘時(shí)間，如表2所示。試驗(yàn)根據(jù)蘋(píng)果接收布袋長(zhǎng)度及離心風(fēng)機(jī)工作情況分為短袋常壓、短袋負(fù)壓和長(zhǎng)袋負(fù)壓3組，每組重復(fù)采摘試驗(yàn)40次。

表2 平均采摘時(shí)間

對(duì)短袋負(fù)壓組和短袋常壓組采摘時(shí)間進(jìn)行ANOVA方差分析得F=9.03；對(duì)短袋負(fù)壓組和長(zhǎng)袋負(fù)壓組采摘時(shí)間進(jìn)行ANOVA方差分析得F=11.47。查方差表，F(xiàn)0.01(2,80)=7.08。得到結(jié)論：短袋負(fù)壓組試驗(yàn)結(jié)果顯著優(yōu)于其他兩組，且組間差異顯著。

將短袋負(fù)壓組和長(zhǎng)袋負(fù)壓組采摘下的蘋(píng)果室溫放置24h，對(duì)碰撞損傷進(jìn)行測(cè)量，按美國(guó)農(nóng)業(yè)部鮮食蘋(píng)果市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行評(píng)定，如表3所示。

使用短收集布袋收集蘋(píng)果，果實(shí)的損傷少，采摘效果好。蘋(píng)果損傷統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表3 蘋(píng)果損傷標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定表

表4 蘋(píng)果損傷統(tǒng)計(jì)

3 裝置的缺陷及改進(jìn)

樣機(jī)采用不銹鋼制作，整體質(zhì)量過(guò)重，長(zhǎng)時(shí)間采摘容易疲勞。考慮除弧形刀片、環(huán)形轉(zhuǎn)盤(pán)及小齒輪等必要部件外，其他部件采用輕質(zhì)材料加工，以減小整機(jī)質(zhì)量，降低工作強(qiáng)度。

試驗(yàn)過(guò)程中，樹(shù)葉易隨蘋(píng)果進(jìn)入殼體，附于防護(hù)片上，影響離心風(fēng)機(jī)工作和采摘試驗(yàn)的進(jìn)行。考慮優(yōu)化防護(hù)片布置位置，對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行檔位控制(采摘時(shí)高檔位工作，怠機(jī)時(shí)低檔位運(yùn)轉(zhuǎn)以降低負(fù)壓值)，促使樹(shù)葉落入蘋(píng)果收集布袋中。

蘋(píng)果收集布袋可容納蘋(píng)果數(shù)較少。當(dāng)延長(zhǎng)蘋(píng)果收集布袋長(zhǎng)度時(shí)，又由于蘋(píng)果下落時(shí)間長(zhǎng)，速度快，損傷加劇。考慮優(yōu)選在蘋(píng)果下落時(shí)能對(duì)蘋(píng)果產(chǎn)生更大阻力，以減少損傷的材料制作蘋(píng)果收集布袋，在保障蘋(píng)果采摘質(zhì)量的前提下，適當(dāng)增大單次采摘作業(yè)量。

4 結(jié)論

采用短蘋(píng)果接收布袋配合離心風(fēng)機(jī)工作進(jìn)行蘋(píng)果采摘，平均采摘時(shí)間3.19s，與人工采摘耗時(shí)相近[1]，明顯優(yōu)于短蘋(píng)果接收布袋單獨(dú)進(jìn)行采摘和采用長(zhǎng)蘋(píng)果接收布袋配合離心風(fēng)機(jī)工作進(jìn)行采摘的情況。為避免個(gè)別數(shù)據(jù)誤差較大，對(duì)整體試驗(yàn)結(jié)果造成干擾，對(duì)短袋負(fù)壓組和短袋常壓組、短袋負(fù)壓組和長(zhǎng)袋負(fù)壓組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA方差分析，分析結(jié)果P<0.01，即3組試驗(yàn)的結(jié)果差異顯著?？梢缘贸鼋Y(jié)論：短袋負(fù)壓情況下，使用樣機(jī)進(jìn)行采摘試驗(yàn)，采摘效率滿足工作需求，且試驗(yàn)結(jié)果具有顯著性。

對(duì)收獲蘋(píng)果的碰撞損傷情況進(jìn)行評(píng)定，發(fā)現(xiàn)使用短蘋(píng)果接收布袋接收蘋(píng)果，蘋(píng)果損傷率較低，達(dá)到1級(jí)特等品的占85%；使用長(zhǎng)蘋(píng)果接收布袋接受蘋(píng)果，雖然達(dá)到特等品的占100%，但有27.5%處于3級(jí)、4級(jí)特等品范疇?？梢缘贸鼋Y(jié)論：在負(fù)壓情況下，使用短蘋(píng)果收集布袋接收蘋(píng)果，能更有效地保障蘋(píng)果質(zhì)量。

雖然，目前樣機(jī)在采摘效率上較人工采摘沒(méi)有太大優(yōu)勢(shì)，但相信隨著裝置結(jié)構(gòu)和工藝的不斷改進(jìn)，采摘效率將逐步提高，損傷情況將逐步降低。下一步的研究可從裝置材料優(yōu)化著手，保證必要部件強(qiáng)度，降低整體質(zhì)量，優(yōu)選材料制作蘋(píng)果收集布袋，使這一設(shè)計(jì)真正達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、達(dá)到適用于輔助人工采摘、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和成本及保障蘋(píng)果質(zhì)量的目的。