林潘忠，郎文昌，孫蓓蓓

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035；2.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

1 引言

水果采摘是水果生產(chǎn)過(guò)程中勞動(dòng)量最大的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]，除了掛于低處的水果可直接采摘外，對(duì)于高處的水果必須借助梯子或者特定的采摘工具采摘，然而攀爬、搭梯不但采摘效率低，作業(yè)安全也難以保障。

一些水果如紅棗可采用振動(dòng)式的采摘方式采摘，然而對(duì)絕大部分水果如采用振動(dòng)式采摘方式易使果實(shí)果柄損傷，果品質(zhì)量差[2]，所以設(shè)計(jì)一種操作方便、采摘效率高的高空摘果工具是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水果采摘進(jìn)行了大量的研究，各種水果采摘裝置[3-5]相繼問(wèn)世，而研究方向主要可以分為電動(dòng)式和機(jī)械式兩大類。

文獻(xiàn)[5]基于欠驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一種帶肌腱驅(qū)動(dòng)的末端執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)水果機(jī)械采摘的形狀適應(yīng)性和平穩(wěn)抓??；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種便攜電動(dòng)式水果采摘機(jī)，該設(shè)備可以利用控制手柄調(diào)整切割刀的位置，并聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟切割電動(dòng)機(jī)切斷果柄完成采摘。

文獻(xiàn)[7]根據(jù)荔枝的生長(zhǎng)特性，研制了一種荔枝串果采摘器具，利用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將枝葉撥開(kāi)，定刀片鉤住果梗，再扳動(dòng)手柄，使得動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)將果梗切斷，可快速采摘且柔性接果，不損傷果實(shí)。

然而由于水果生長(zhǎng)時(shí)形態(tài)各異，生長(zhǎng)方向不同，有些豎直生長(zhǎng)，有些是橫放著搭在其他枝條上，有些是斜向生長(zhǎng)的，而目前常見(jiàn)的幾種采摘機(jī)械仍存在通用性不強(qiáng)、操作復(fù)雜、易損傷果實(shí)等缺點(diǎn)，另外果農(nóng)常用的便攜式單果采摘器由于果柄定位困難而大幅降低采摘效率，大部分人更愿意徒手采摘，導(dǎo)致水果采摘機(jī)械化難以實(shí)現(xiàn)。這里結(jié)合果農(nóng)的采摘方式和果實(shí)的生長(zhǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種定位簡(jiǎn)單、操作方便、通用性極強(qiáng)且效率高的純機(jī)械式高效水果采摘裝置。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置主要由伸縮機(jī)構(gòu)、多方位環(huán)形剪切機(jī)構(gòu)和果實(shí)收集結(jié)構(gòu)三大部分所組成，其環(huán)形剪切機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 環(huán)形剪切機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall Structure of Annular Cutting Mechanism

水果采摘裝置總體設(shè)計(jì)思路，如圖2所示。通過(guò)“一套”、“二剪”兩步可輕松實(shí)現(xiàn)采果。使用時(shí)把采摘頭深向果實(shí)，利導(dǎo)向凹口設(shè)計(jì)，果柄順利滑入剪切口，由于環(huán)形口上布置有7 把剪刀，因此無(wú)論果實(shí)生長(zhǎng)方向如何，定位十分方便。當(dāng)桔子果柄落入剪切口時(shí)，按下把手，經(jīng)過(guò)反向擺桿滑塊機(jī)構(gòu)傳力，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀片剪切果柄。

圖2 總體設(shè)計(jì)思路Fig.2 Overall Design Idea

果實(shí)順著采摘頭下方連接的果袋經(jīng)中間緩沖后直接落入果籃，完成單果采摘。

2.1 多方位環(huán)形剪切機(jī)構(gòu)

剪切機(jī)構(gòu)是水果采摘裝置最主要的部分，是實(shí)現(xiàn)采果動(dòng)作的關(guān)鍵所在。目前常見(jiàn)的剪切形式主要包括電動(dòng)式、切割式、夾持式等類型[9]。本次設(shè)計(jì)采用機(jī)械切割式的方法，通過(guò)反向擺桿滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)環(huán)形剪切機(jī)構(gòu)切斷果柄，使用者可以在遠(yuǎn)程控制摘果。

2.1.1 反向擺桿滑塊機(jī)構(gòu)

反向擺桿滑塊機(jī)構(gòu)，如圖1所示。主要由滑動(dòng)桿件、連桿、擺桿、組合機(jī)架組成。當(dāng)使用者按下把手時(shí)，力通過(guò)滑動(dòng)桿件進(jìn)行傳遞，使得滑動(dòng)桿件拉動(dòng)連桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，連桿從而帶動(dòng)拉圈（擺桿）進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1.2 剪切結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪切結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)圈、拉圈、旋轉(zhuǎn)刀片、鉸接座、鉸接螺釘?shù)冉M成，在內(nèi)圈上均勻布置7把剪刀，擺桿滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉸接螺釘軸繞內(nèi)圈中心轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)拉圈在一定角度的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多把旋轉(zhuǎn)刀片聯(lián)動(dòng)剪切和復(fù)位，無(wú)論果柄落入哪一個(gè)剪切口均可實(shí)現(xiàn)采摘。

2.1.3 刀片限位與導(dǎo)向弧口

刀片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，刀片下部的圓形施力把柄始終在拉圈凹槽內(nèi)擺動(dòng)，當(dāng)固定座與拉圈處在右極限接觸時(shí)，刀片完全隱藏避免劃傷果實(shí)，如圖4（a）所示；當(dāng)固定座與拉圈處于左極限接觸時(shí)，刀片實(shí)現(xiàn)剪斷果柄的功能，如圖4（b）所示。

圖4 刀片限位Fig.4 Limit of the Blade

為方便果實(shí)定位，將剪切口外邊設(shè)計(jì)導(dǎo)向弧口，使果實(shí)能順利滑入剪切口；同時(shí)還設(shè)計(jì)有防脫離口，果柄進(jìn)入弧口后可防止果實(shí)滑出，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)向弧口結(jié)構(gòu)Fig.5 Arc Guiding Structure

2.2 伸縮機(jī)構(gòu)和果實(shí)收集裝置

伸縮機(jī)構(gòu)主要由內(nèi)空心桿、外空心桿件、滑塊拉動(dòng)及鎖點(diǎn)定位桿件、節(jié)點(diǎn)鎖扣件等組成，如圖6所示。

圖6 伸縮機(jī)構(gòu)Fig.6 Telescopic Mechanism

使用者拉長(zhǎng)伸縮桿到合適位置，通過(guò)彈簧自動(dòng)鎖扣扣在合適長(zhǎng)度的節(jié)點(diǎn)上完成伸縮。

一般果樹的高度基本在（2～5）m之間[10]，當(dāng)需要改變長(zhǎng)度時(shí)，按下節(jié)點(diǎn)鎖扣件上的按鈕，拉動(dòng)內(nèi)空心桿就能再次改變長(zhǎng)度。

收集裝置，如圖7所示。主要由半凹口式特制果袋與果籃連接組成。半凹口式果袋采用交替縮口設(shè)計(jì)使得果實(shí)在下落過(guò)程中進(jìn)行緩沖，損耗大部分機(jī)械能，避免損傷果實(shí)。

圖7 半凹口式果籃Fig.7 Half-Notched Type Fruit Basket

3 力學(xué)分析與擺桿滑塊行程計(jì)算

3.1 伸縮桿彎曲變形分析

由于伸縮桿直徑小、長(zhǎng)度大，且需要承受環(huán)形剪切機(jī)構(gòu)的自重和果實(shí)重量，因此容易發(fā)生彎曲變形，有必要對(duì)其變形量進(jìn)行分析計(jì)算。伸縮桿采用6061鋁合金材料，在工作的時(shí)候可簡(jiǎn)化為懸臂梁，簡(jiǎn)圖，如圖8所示。

圖8伸縮桿工作變形Fig.8 Working Strain of Telescopic Rod

則任意橫截面上的彎矩為：

計(jì)算得到的θB＜0，表示此時(shí)截面B的轉(zhuǎn)角為逆時(shí)針轉(zhuǎn)向；ωB＜0，表示B點(diǎn)的撓度向下。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，剪切機(jī)構(gòu)自重和果實(shí)重量之和F約為19.2N，桿總長(zhǎng)l=3000mm得：θB=-9×10-12rad，ωB=-1×10-10mm，伸縮桿變形量在許用范圍內(nèi)，符合采摘時(shí)的力學(xué)設(shè)計(jì)要求。

3.2 環(huán)形剪切機(jī)構(gòu)擺桿初始角與滑塊行程分析

為計(jì)算反向擺桿滑塊各構(gòu)件參數(shù)及對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，初定擺桿長(zhǎng)a=78.25mm（已知參數(shù)），滑塊初始位置c1=107.06mm（由采摘頭轉(zhuǎn)動(dòng)座等尺寸確定，為已知參數(shù)），其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖9所示。

圖9 反向擺桿滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.9 Kinematic Sketch of Reverse Crank Slider

由上式得滑塊行程為c2-c1，效率為η=cosαcosβ。

根據(jù)已知條件，a=78.25mm，c1=107.06mm，由Matlab求解得θ（擺桿初始角）與力臂比以及θ與滑塊行程關(guān)系的最佳值，最后確定拉圈鉸接座（見(jiàn)圖3）的位置及連桿長(zhǎng)度。

圖3 剪切結(jié)構(gòu)Fig.3 Shearing Device

由Matlab 軟件求得角度與滑塊形成及效率關(guān)系，如圖10所示。

圖10 θ與力臂比以及滑塊行程關(guān)系Fig.10 The Relationship Between Arm Ratio and Stroke of Gliding Block with θ

根據(jù)仿真結(jié)果，求得θ的最佳值為53°，此時(shí)剪切力臂比為0.75，滑塊行程14.3mm，連桿長(zhǎng)度為93.8mm。

3.3 剪切機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析與強(qiáng)度校核

為了保證實(shí)際需求時(shí)，剪切機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度能完全滿足要求，采用ANSYS軟件對(duì)剪切機(jī)構(gòu)整個(gè)裝配體進(jìn)行了靜力學(xué)分析。這里利用SolidWorks軟件對(duì)采摘裝置的剪切機(jī)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，然后導(dǎo)入HyperMesh中劃分網(wǎng)格，建立有限元模型，最后在ANSYS中進(jìn)行分析計(jì)算，剪刀材料為W18Cr4V。

在計(jì)算過(guò)程中，為提高計(jì)算效率，我們對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，忽略了過(guò)渡圓角、倒角等對(duì)應(yīng)力影響較小的細(xì)小特征，力學(xué)分析簡(jiǎn)化后的模型，如圖11所示。

圖11 簡(jiǎn)化后的力學(xué)分析模型Fig.11 Mechanical Analysis Model After Simplification

為減少計(jì)算時(shí)間，我們對(duì)極限位置兩把剪刀（距離施力點(diǎn)最近的1號(hào)和最遠(yuǎn)的5號(hào)兩把剪刀）進(jìn)行了分析。

（1）1號(hào)刀位（距離施力點(diǎn)最近）

為了使分析結(jié)果更加接近實(shí)際，在剪切口加上木制的圓柱體代替剪切時(shí)的水果枝條。

1號(hào)刀位在剪切時(shí)的等效應(yīng)力云圖，如圖12所示。

圖12 1號(hào)刀位剪切力學(xué)分析Fig.12 Mechanical Analysis of No.1 Cutting Blade

從圖中可以看出，接觸應(yīng)力最大值出現(xiàn)在刀口的根部，這主要是由于應(yīng)力集中造成的，是與實(shí)際相符合的，剪切口處最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的最大許用應(yīng)力。

（2）5號(hào)刀位（距離施力點(diǎn)最遠(yuǎn)）

5號(hào)刀位剪切口受力情況，如圖13所示。其最大應(yīng)力也符合材料強(qiáng)度要求。通過(guò)對(duì)剪切機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力情況進(jìn)行有限元分析，可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)本裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，確保剪切機(jī)構(gòu)的可靠性與安全性。

圖13 5號(hào)刀位剪切力學(xué)分析Fig.13 Mechanical Analysis of Cutting No.5 Blade

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證裝置的可靠性，在理論分析與計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作了水果采摘裝置實(shí)物，并對(duì)所制作的實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

為驗(yàn)證該采摘裝置的使用效果，使用本裝置在橘園中與采摘人員同時(shí)采摘，對(duì)采摘效果進(jìn)行比較。

我們選擇了兩棵高度和果實(shí)密度相近的果樹，實(shí)驗(yàn)組由一人操作實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)照組由果農(nóng)利用剪刀采摘，并配有梯子。

本次實(shí)驗(yàn)采摘單棵果樹，以單位時(shí)間內(nèi)采果數(shù)量和完成整棵果樹采摘所需時(shí)間作為參考依據(jù)，并且實(shí)時(shí)記錄兩組的采摘情況，結(jié)果，如表1所示。通過(guò)分析相關(guān)數(shù)據(jù)，本采摘裝置在2.4分鐘左右就采摘完成整棵果樹43 個(gè)柑橘，平均速度約為18 個(gè)/min；而傳統(tǒng)人工采摘完成整棵果樹共41個(gè)柑橘，用時(shí)需5分鐘左右，平均速度約為8.2個(gè)/min。本采摘裝置的主要優(yōu)勢(shì)在于省力快捷，與人工采摘相比較，采摘裝置的性能明顯占優(yōu)，不僅定位方便，而且省去了架梯和果實(shí)傳遞的過(guò)程，整個(gè)采摘過(guò)程輕松不費(fèi)力。

圖14 高效水果采摘裝置樣機(jī)Fig.14 Prototype of High-Efficiency Fruit Picking Device

表1 本裝置與人工采摘效率對(duì)比Tab.1 Comparison of Picking Efficiency Between Fruit Picking Device with Manual

圖15 采果效率對(duì)比Fig.15 Contrast of Fruit Picking Efficiency

通過(guò)多次試驗(yàn)，單棵果樹采摘效率大約是人工采摘的2.2倍。人工采摘伴隨著架梯、傳果等輔助時(shí)間，在高處采果時(shí)效率明顯較低，而且可以預(yù)見(jiàn)隨著勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)時(shí)間的增加，采摘效率將進(jìn)一步降低。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)了一種基于反向擺桿滑塊傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)的高效水果采摘裝置，以倒擺桿滑塊作為力的傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)，推動(dòng)多把環(huán)形放置的剪刀進(jìn)行剪切，實(shí)現(xiàn)水果快速定位采摘；

（2）對(duì)水果采摘裝置的伸縮桿進(jìn)行力學(xué)分析，并用ANSYS軟件對(duì)剪切機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析和Matlab軟件對(duì)擺桿滑塊行程參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保各項(xiàng)設(shè)計(jì)可靠合理；

（3）根據(jù)理論計(jì)算設(shè)計(jì)制作了水果采摘裝置樣機(jī)，并與采摘人員進(jìn)行采摘效率比較，結(jié)果表明該裝置單棵果樹采摘效率約是人工采摘的2.2倍。

本次設(shè)計(jì)的高效水果采摘裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多種水果的快速采摘，為水果采摘裝置的設(shè)計(jì)與發(fā)展提供了一種新的思路和參考價(jià)值。