鹿賀偉，徐慧群，李 陽，張建軍

(青島理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，青島 266525)

冬棗外形潤滑有光澤，棗皮較脆，果肉豐富且質(zhì)鮮嫩而酥脆，冬棗中含有豐富的對人體有益的微量元素，這些微量元素是人體生長發(fā)育和健康的重要保障[1]。冬棗的成熟期較晚，故冬棗采摘工作屬于典型季節(jié)性強和勞動密集型工作[2]。冬棗種植中需及時劃鋤松土，使棗園土壤保持適宜的墑情，是提高后期冬棗產(chǎn)量和品質(zhì)的有效途徑之一[3]。一般棗園都要及時劃鋤松土，增強根系吸收水分中礦物質(zhì)養(yǎng)分的能力，而這也就導(dǎo)致了棗園土壤松軟，不能承載重型機械的進(jìn)入，在質(zhì)量方面限制了采摘收集機械的設(shè)計。

目前人工采摘依然是應(yīng)用最廣的一種采摘方式，但相比于機械采摘，人工采摘勞動成本高且效率低下，不適用于大規(guī)模種植的高強度作業(yè)。當(dāng)前，國內(nèi)學(xué)者對果實采摘機械的研究逐漸深入。劉錚等[4]針對青梅果實的采摘設(shè)計了具有五自由度機械臂采摘機器人；劉富成等[5]設(shè)計了可控制采摘力度的基于金屬涵道的負(fù)壓吸力蘋果采摘系統(tǒng)；王維信等[6]針對水果種植業(yè)采摘效率低下的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種以伺服電機和氣壓驅(qū)動的平面連桿機構(gòu)和末端抓手組成的新型水果采摘器；李志鵬等[7]利用滑塊搖桿機構(gòu)設(shè)計了一種環(huán)抱吞咽式的臍橙采摘執(zhí)行器，進(jìn)行了運動學(xué)和靜力學(xué)分析，并利用Adams軟件進(jìn)行了運動學(xué)仿真；程堂燦等[8]以RB03型六自由度機器人為研究對象，在MATLAB軟件的Robotics Toolbox平臺下，進(jìn)行運動學(xué)建模與仿真，驗證了其運動學(xué)正解和逆解的正確性。國外對于果蔬采摘機械的研究已經(jīng)發(fā)展到了對采摘機器人的深入研究，自1983年第1臺采摘機器人在美國誕生以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，以日本為代表的發(fā)達(dá)國家，相繼實驗成功了多種果實采摘機器人。20世紀(jì)90年代，日本崗山大學(xué)NAOSHI Kondo等[9]在番茄采摘機器人上設(shè)計出了具有7個自由度的能夠制定采摘姿態(tài)的機械手。但對于冬棗果實來說，機器人采摘并不適應(yīng)于大規(guī)模的運用。

當(dāng)前，沒有能夠普遍適用于我國密集冬棗種植模式的機械出現(xiàn)，已有的技術(shù)，由于動力問題，以及體積質(zhì)量等因素的制約，并不能推廣實際應(yīng)用。為此，根據(jù)人工采摘和機械采摘的優(yōu)勢，結(jié)合實地考察采集的數(shù)據(jù)，設(shè)計一種輔助人工的冬棗采摘收集裝置，具有輕便、成本低、易操作等優(yōu)點，能有效降低冬棗損傷率，提高采摘收集效率。

1 采摘收集裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 冬棗常規(guī)化種植間距及對裝置設(shè)計要求

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)可知，冬棗樹干的高度一般為2～2.5 m，而枝葉上的有棗高度一般為2.5～3 m，主干無枝高度為0.3～0.4 m。冬棗的種植間距并沒有特別固定，但標(biāo)準(zhǔn)田中列間距為3 m，行間距為2～3 m，相近果樹的樹枝與樹枝之間存在交叉，且大部分冬棗種植間距與此類似。棗樹主干直徑100～140 mm，次級干直徑25～35 mm，三級干直徑8～12 mm，只有三級樹干上才生長有冬棗果實。棗園中的土壤質(zhì)地較軟，不適合重型機械作業(yè)。

根據(jù)棗樹間距、棗樹枝干高度等對采摘收集裝置的要求可以總結(jié)如下：收集車的長寬需適合，能夠自由進(jìn)出棗林，收集傘面的高度設(shè)置和展開的寬度不能與鄰近棗樹產(chǎn)生干涉；采摘裝置的長度要能夠兼顧近處和高處的果實；因棗園地質(zhì)較軟，收集采摘裝置整體重量需合理設(shè)計。

1.2 裝置整體構(gòu)造

1.2.1 采摘裝置構(gòu)造

根據(jù)采集的冬棗種植地數(shù)據(jù)，綜合人工采摘和機械采摘的優(yōu)勢，既要考慮采摘效率，又要保障采摘的靈活性，設(shè)計了一種可伸縮振落輔助采摘爪，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可以看出，驅(qū)動電機(3)安裝于機械采摘爪殼體(1)內(nèi)部的后半部分，通過直流驅(qū)動電機(3)的輸出軸與偏心凸塊(2)直接連接，偏心凸塊隨著電機輸出軸旋轉(zhuǎn)，從而起到將電機產(chǎn)生的振動放大的作用，產(chǎn)生激振力，輔助采摘作業(yè)。采摘爪俯視結(jié)構(gòu)如圖2所示，3個采摘爪采摘齒安裝在機械采摘爪殼體的前方，其上有防滑套，防滑套之上加有成對的滾針軸承，可對采摘爪采摘齒起到軸向固定以及改變摩擦性質(zhì)，將冬棗果實原本與采摘齒之間的滑動摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)闈L針軸承與果實的滾動摩擦力，能起到減小摩擦力的作用從而保護(hù)冬棗果實。采摘爪伸縮裝置包括底部帶螺紋的鎖緊牙杯和下部帶螺紋的鎖緊外桿，通過伸縮裝置的固定和鎖緊，實現(xiàn)振動采摘爪裝置的伸長和收縮。主要技術(shù)參數(shù)如表1示。

圖1 采摘結(jié)構(gòu)1—采摘爪殼；2—偏心凸塊；3—驅(qū)動電機；4—前桿體；5—圓臺段；6—倒鉤型前端；7—凸臺；8—后桿體；9—外螺紋段；10—內(nèi)螺紋段；11—鎖緊片

圖2 采摘爪俯視12—防滑套；13—滾針軸承；14—采摘齒

表1 采摘桿主要技術(shù)參數(shù)

1.2.2 收集裝置構(gòu)造

結(jié)合國內(nèi)外資料，根據(jù)我國冬棗種植現(xiàn)狀，設(shè)計了一種繩線拉伸式的傘面收集車，如圖3所示。該收集車由繩線拉伸式傘面收集裝置(19)、繩線拉伸式傘面(15)、連接推桿(16)、齒形縮緊裝置(17)、車體(18)組成。考慮到控制車體質(zhì)量以適應(yīng)棗園軟質(zhì)土壤的情況，采用輕質(zhì)鋁合金金屬，且在撓度校核合格的情況下采用空心結(jié)構(gòu)。

圖3 收集裝置15—繩線拉伸式傘面；16—連接推桿；17—齒形鎖緊裝置；18—車體；19—繩線拉伸式傘面收集裝置；20—第1傘桿；21—第2傘桿；22—拉伸繩線；23—鎖緊前桿；24—后擋桿；25—前檔桿；26—第3傘桿；27—帶立式座軸承；28—第4傘桿；29—凹型槽；30—彈簧；31—推桿頭；32—鎖緊后桿；33—卡塊；34—斜塊

繩線拉伸式傘面收集裝置包括前箱體后部的前后檔桿(24，25)、拉伸繩線(22)、傘桿(20，21，26，28)、帶立式座軸承(27)、方形推桿頭(31)、扭簧(其中扭簧穿過傘桿，圖中認(rèn)為傘桿和扭簧一體，不予標(biāo)示)等部件。齒型鎖緊裝置(17)由鎖緊桿上的斜塊(34)和固定在墊板上的卡塊(33)組成，推桿由前方的推桿頭(31)、彈簧(30)、豎桿部分、鎖緊桿(23，32)連接部分組成。鎖緊桿連接部分采用圓形接觸面，較矩形接觸面，更方便于將推桿撥動，從而使齒形鎖緊裝置的斜塊和卡塊脫離，實現(xiàn)傘面張開狀態(tài)的解鎖。車體是由不同長度的桿件進(jìn)行組裝焊接而成，材料采用6061型鋁合金，具有良好的焊接性能。齒型鎖緊裝置原理為在推桿被推到合適位置時與推桿頭處彈簧產(chǎn)生的彈力平衡，使車體固定在相應(yīng)位置，方便收集。主要技術(shù)參數(shù)如表2示。

表2 收集裝置主要技術(shù)參數(shù)

1.3 一次采收過程工作原理

采摘人員將采摘車前箱體的凹槽對準(zhǔn)棗樹樹干，推動收集車，繩線拉伸式傘面收集裝置發(fā)生動作。收集裝置中的拉伸繩線分為2股，每股分別控制2個可以轉(zhuǎn)過相同角度的傘桿，2股繩線前端分別纏繞在2個扭簧上，其中2個扭簧分別套在左端的前后傘桿上。繩線后端繞過前箱體內(nèi)部的左側(cè)的第1、第2豎直傘桿，穿過推桿前豎檔桿中的孔洞，繞過右側(cè)的前箱體內(nèi)部的第3、第4豎直傘桿，對右側(cè)對應(yīng)的前后傘桿上的扭簧進(jìn)行綁結(jié)和纏繞。當(dāng)收集車對準(zhǔn)棗樹樹干推動時，與棗樹樹干直接接觸的方形推桿頭產(chǎn)生向后的位移，穿過推桿豎檔桿的拉伸繩線會被帶動相應(yīng)的距離，從而拉動纏繞在扭簧上的拉伸繩線，拉伸繩線帶動套在傘桿上的扭簧產(chǎn)生扭力，將前后兩傘桿分別轉(zhuǎn)過105°和195°，實現(xiàn)傘面從閉合到展開狀態(tài)動作。

為維持傘面展開的狀態(tài)，需要齒形鎖緊裝置發(fā)生動作。齒型鎖緊裝置由鎖緊桿上的斜塊和固定在墊板上的卡塊組成，在推桿被后推到合適位置時，斜塊和卡塊相互卡緊，與推桿頭處彈簧產(chǎn)生的彈力平衡，使得車體固定在相應(yīng)位置，傘面保持在展開狀態(tài)。至此完成傘面鎖緊動作，下一步進(jìn)行冬棗采摘工作。

可伸縮振落輔助采摘爪的采摘收縮裝置包括底部帶螺紋的鎖緊牙杯和下部帶螺紋的鎖緊外桿。鎖緊牙杯內(nèi)部有凸臺，凸臺形狀為直角梯形；鎖緊外桿前部由4個鎖緊片組成，鎖緊片形狀與鎖緊牙杯內(nèi)部形狀相吻合，能夠利用壓力實現(xiàn)鎖緊片的變形與伸縮裝置的固定和鎖緊。在需要將采摘桿伸長時，順時針擰動鎖緊牙杯，使鎖緊牙杯和鎖緊外桿脫開，調(diào)整采摘內(nèi)桿的位置，使其伸長到所需要的長度；隨后將鎖緊牙杯套入采摘內(nèi)桿，將鎖緊外桿旋入鎖緊牙杯中，逆時針旋轉(zhuǎn)，卡緊使之固定，從而完成采摘爪的伸長。最后打開采摘爪前部的電機，偏心輪轉(zhuǎn)動放大振動產(chǎn)生激振力，即可進(jìn)行采摘作業(yè)，冬棗果實通過前部齒形結(jié)構(gòu)的掛落和振動動作從樹枝脫落，果樹下固定的傘面收集車集中收集，完成一系列采摘收集工作。

2 具體部件設(shè)計和計算

2.1 電機選擇及功率計算

在機械采摘爪的設(shè)計中，利用與電機連接的偏心輪產(chǎn)生激振力，使機械采摘爪能夠產(chǎn)生振動。

在電機選用時，需要考慮的因素有：電機的尺寸要足夠小且能夠固定連接在采摘爪的下方。電機的類型應(yīng)該為直流驅(qū)動電機，若為交流電機，則需要外接電源及電線，并且需要能將交流變成直流驅(qū)動的整流電路。此外，還需考慮電機的功率和電壓，在設(shè)計中并不需要機械采摘爪產(chǎn)生太大的振動，因為機械采摘爪振幅太大，采摘桿長達(dá)1.5 m左右，力臂太長，會影響采摘的精度和穩(wěn)定性，因此功率不宜過大，而額定電壓方面，采用電池驅(qū)動，因此額定電壓在3～12 V。

在機械轉(zhuǎn)速方面，初選轉(zhuǎn)速為n=4000 r/min，通過轉(zhuǎn)速計算電機功率。設(shè)計中偏心輪和電機輸出軸直連，隨著電機輸出軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。在此設(shè)偏心輪外半徑為R=6 mm，內(nèi)半徑為r=3 mm，中心有一半徑為r0=1 mm圓孔。估算偏心輪的質(zhì)量大約為3 g。

將轉(zhuǎn)動慣量計算公式拓展到偏心輪[10]的計算中，可得出適應(yīng)偏心輪的轉(zhuǎn)動慣量計算公式：

(1)

式中：IZ為轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；m為質(zhì)量，kg；R為偏心輪外半徑，mm；r為偏心輪內(nèi)半徑，mm；r0為中心圓孔半徑，mm。

將R，r，r0的數(shù)據(jù)代入式(1)，可得到轉(zhuǎn)動慣量IZ= 3.225×10-8kg·m2。

旋轉(zhuǎn)力矩計算公式為

M=Jα

(2)

式中：M為旋轉(zhuǎn)力矩，N·m；J為旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；α為轉(zhuǎn)動體角加速度，rad/s2。

角加速度公式為

(3)

式中：Δω為角速度變化量，rad/s；Δt為時間變化量，s。

角速度公式為

(4)

式中：ω1為初設(shè)電機轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；T為運動周期，s。

將n的數(shù)據(jù)代入式(4)，可得ω1=418.88 rad/s。

假設(shè)電機能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速穩(wěn)定到額定轉(zhuǎn)速的時間為0.5 s，即Δt=0.5 s。將數(shù)據(jù)代入式(3)中，可得α= 837.76 rad/s2。

將所求得的轉(zhuǎn)動慣量IZ和角加速度α代入式(2)中，可得力矩M=2.701×10-5N·M。

轉(zhuǎn)動剛體的功率為

P=Mω1

(5)

式中：P為功率，W。

將上述數(shù)據(jù)代入式(5)中，可得P=0.0226 W。

功率、電壓、轉(zhuǎn)速都不是很大，因此從小型直流電機中選擇，確定電機的額定電壓為6 V，轉(zhuǎn)速為7000 r/min左右。最終選擇的電機型號為R300C，具體參數(shù)如表3所示。

表3 R300C型號電機參數(shù)

2.2 偏心輪尺寸設(shè)計及計算

在本機械中，偏心輪是產(chǎn)生激振力，使得機械采摘爪運動的核心部件。偏心輪安裝在電機的輸出軸上，從而在電機產(chǎn)生高速轉(zhuǎn)動時，偏心輪也會隨著輸出軸而旋轉(zhuǎn)。由于偏心作用，電機身會產(chǎn)生較大的振動，電機與底座固定連接，使整個采摘桿也會一起同頻率振動，帶動冬棗果實從樹枝上脫落。

2.2.1 偏心輪偏振力計算

偏心輪材料選用具有中高等強度，中等韌性和塑性，綜合性能較高，耐磨性和減振性良好，鑄造工藝性能良好等特點的球墨鑄鐵。設(shè)計中采用的參數(shù)為：偏心塊密度ρ=7.3 g/cm3，偏心輪厚B=4 mm，電機轉(zhuǎn)速n=7000 r/min，偏心輪外半徑R=6 mm，偏心輪內(nèi)半徑r=3 mm，中心圓孔半徑r0=1 mm。

激振力計算公式：

(6)

式中：F為偏心輪產(chǎn)生的激振力，N；m為偏心輪的質(zhì)量，kg；e為偏心輪的偏心距，mm；ω2為偏心輪的轉(zhuǎn)動角速度，rad/s。

偏心輪的偏心距為計算激振力的重要數(shù)據(jù)，但由于偏心輪各不相同，隨著實際應(yīng)用情況可以改變形狀，并沒有統(tǒng)一的形狀和計算公式。統(tǒng)計多種偏心輪形狀，結(jié)合尺寸考慮，偏心輪形狀設(shè)計如圖4所示。

圖4 偏心輪模型

在不同的形狀結(jié)構(gòu)下，偏心輪的偏心距和激振力的計算公式也不相同。根據(jù)資料搜集和推導(dǎo)[10]，可得圖4形狀的偏心距公式如下：

(7)

根據(jù)轉(zhuǎn)速和角速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系可得，當(dāng)轉(zhuǎn)速單位為r/min時，偏心輪轉(zhuǎn)動角速度為

(8)

式中：n為電機轉(zhuǎn)速，r/min；T為運動周期，s。

將數(shù)據(jù)代入(8)式中，可得ω2=733.03 rad/s。

根據(jù)偏心輪的形狀，推算其體積公式和質(zhì)量公式為

(9)

m=ρV

(10)

式中：V為偏心輪體積，cm3；B為偏心輪厚度，mm。

由式(6)—(10)可得，V=0.27 cm3，m=1.97 g=0.00197 kg，e=0.00186 m，F(xiàn)=1.96 N。

2.2.2 偏心輪的振幅計算

所求激振力F=1.96 N，其值并不大。但因在設(shè)計中，將電機和偏心輪安置在了機械采摘爪的頭部位置，考慮到其質(zhì)量和位置的特殊性，很小的激振力會對傘桿的末端產(chǎn)生一個較大的力矩，這個力矩太大會對采摘的定位產(chǎn)生干擾，故需要對激振幅度進(jìn)行計算。

將人和采摘桿的模型簡化為懸臂梁的模型，等效為一個集中力作用在靠近懸臂梁自由端的模型。

懸臂梁模型的撓曲線方程：

(11)

式中：w1為懸臂梁模型各點撓度變形量，mm；F為電機激振力，N；E為采摘桿楊氏模量，GPa；I為采摘桿截面對中軸的慣性矩，m4；a為載荷作用點到固定端距離，mm；x為所求撓度點到固定端距離，mm。

可求得該種加載情況下，最大撓度為

(12)

式中：wB為懸臂梁模型未固定端撓度變形量，mm；l為采摘桿長度，m。

機械采摘爪桿體的材料選用6061鋁合金，其彈性模量E=68.9 GPa。機械采摘爪桿體的尺寸為l=1.480 m，a=1.385 m。

在求解慣性矩I時注意到，因偏心輪直接作用的矩形底面和后方圓柱形的機械采摘爪桿體結(jié)合在一起，形狀復(fù)雜不單一，無法直接計算出偏心輪所能產(chǎn)生的振幅。故分別計算假設(shè)圓形和矩形截面極限情況下產(chǎn)生的撓度，求出一個撓度的范圍，根據(jù)該范圍確定是否合理。

依據(jù)慣性矩計算公式可知，當(dāng)將載荷作用體全部簡化為圓環(huán)截面時，其直徑D=25 mm，d=20 mm。將上述數(shù)據(jù)代入式(12)中，可求得最大撓度wB≈1.23 mm。

當(dāng)將載荷作用體全部簡化為矩形時，矩形的長b=43.4 mm，高度h=5 mm。將上述數(shù)據(jù)代入式(12)中，可求得最大撓度wB≈15.4 mm。

該偏心輪產(chǎn)生的激振幅度在1.23～15.4 mm。該范圍內(nèi)的振動幅度較為合適，不會對采摘工作造成較大的干擾，也能夠產(chǎn)生足夠的振動輔助冬棗采摘。

3 結(jié)束語

根據(jù)沾化冬棗種植園實地生產(chǎn)種植情況，結(jié)合已有采摘機械，設(shè)計了一種振動式輕便冬棗采摘收集裝置，由繩線拉伸式傘面收集裝置、可伸縮振落輔助采摘爪、齒形鎖緊裝置等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，主要采用人力以驅(qū)動繩線拉伸帶動扭簧旋轉(zhuǎn)傘桿實現(xiàn)傘面展開，以齒形鎖緊裝置卡住斜塊實現(xiàn)傘面和車體固定，用以收集冬棗。以微型電機驅(qū)動采摘爪產(chǎn)生激振力輔助人工采摘，具有實用輕便等優(yōu)點。在我國冬棗種植園密集種植模式下，通過人工手持采摘機械采摘爪掛落，輔助以振動冬棗，通過可固定自鎖的收集車上張開的柔性傘布對冬棗果實進(jìn)行收集，能在保證較低損傷率的前提下有效提高冬棗采摘效率，有利于冬棗的采摘收集工作的快捷化，輕便化發(fā)展。