余傳佩，Ampazidis Yiannis

(1. 九江職業(yè)技術學院機械工程學院，江西九江，332007； 2. 佛羅里大學IFAS，美國佛羅里達，34142)

0 引言

新鮮櫻桃是一種廣受全球喜愛的水果，在世界各地廣泛種植，比如美國、智利和中國等。新鮮櫻桃的收獲窗期很短，通常只有1～2周時間，而且果實嬌嫩，特別容易碰傷。另外，為了保存和食用方便，要求帶果柄一起采摘。目前新鮮櫻桃基本上還是依靠手工采摘[1-2]，是一種勞動密集的作業(yè)。在美國，隨著市場上的熟練工人數(shù)量不斷減少，勞動力成本不斷增加[3-5]，這使得勞動力成本占新鮮櫻桃生產(chǎn)費用的50%～60%[3-5]。在我國，隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少，勞動力成本的增加給新鮮櫻桃種植的可持續(xù)性帶來了很大的壓力[3, 6]。因此，研發(fā)機械化程度較高的櫻桃采收機械，具有巨大的經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景[3-4, 7]。

從1960年開始，新鮮櫻桃的機械化采摘就已經(jīng)陸續(xù)有人在研究。諾頓等開發(fā)了后備箱液壓振動式收割機，用于采摘傳統(tǒng)形式果園的甜櫻桃，可實現(xiàn)對果園里80%～90%的櫻桃機械化采摘，但是該收割機會導致相當大的水果和樹木的損傷[8]。彼得森等開發(fā)了一種集成的機械化收割機，通過敲擊樹枝的方式來收獲新鮮櫻桃果實。然而機械成本較高，不能實現(xiàn)選擇性采摘，且只能采摘特定樹型上的櫻桃，并會造成一些嚴重的樹皮和果實的損傷[9]。Tanigaki等[10]開發(fā)了一種機器人收獲系統(tǒng)，采用計算機圖像識別櫻桃果實，通過機器手夾住果實后拉斷果柄的方式來實現(xiàn)機械化自動采摘。試驗結(jié)果表明，果實識別率低，采摘效率不高，且不能保證帶柄采摘，容易碰傷果實。Zhou等[7]開發(fā)了一種手持振動式櫻桃采摘輔助裝置，采取抓住樹枝并振動，從而利用慣性力晃斷果柄，實現(xiàn)櫻桃的采摘。結(jié)果表明，對果梗脆落、樹冠較小和果實較大的櫻桃收獲率較高。但是從時間分布研究表明，震動時間不到整個運行時間的30%，而50%以上的時間花在振動系統(tǒng)的移動定位上。另外，不能保證帶柄采摘，也不能實現(xiàn)選擇性采摘，櫻桃碰傷率依然明顯[11]。

針對以上問題，本文仿照理發(fā)的原理，設計了一款推剪式櫻桃輔助采摘器，通過順著枝條連續(xù)不間斷推剪櫻桃果柄[12]，從而實現(xiàn)櫻桃的快速帶柄采摘。

1 采摘器結(jié)構(gòu)設計

本推剪式櫻桃采摘器由果柄推剪器、姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)、收集裝置、伸縮桿和控制電路5部分組成，如圖1所示。

圖1 推剪式采摘器的組成

采摘時，操作者手持采摘器，首先將伸縮桿調(diào)節(jié)至適合高度，然后啟動果柄推剪器，沿著樹枝從一端推剪到另一端。果柄推剪器快速連續(xù)地剪切果柄，采下櫻桃果實，果實落入收集裝置中，從而完成櫻桃的帶柄快速采摘。操作者單手握桿的同時還可以通過大拇指和食指操控旋鈕，根據(jù)需要調(diào)節(jié)果柄推剪器的俯仰、側(cè)傾角度，從而方便地采摘各種不同姿態(tài)的櫻桃果實。

1.1 果柄推剪器

果柄推剪器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由電機、偏心軸、十字滑塊、動刀片、靜刀片和刀架等組成。其中靜刀片如圖3所示，刀刃齒數(shù)為14，齒距為3.5 mm，齒高為8 mm。動刀片如圖4所示，刀刃齒數(shù)為14，齒距為3.0 mm，齒高為6 mm。

圖2 果柄推剪器的結(jié)構(gòu)組成

圖3 靜刀片

圖4 動刀片

果柄推剪器采用雙滑塊機構(gòu)設計，其工作原理如圖5所示，電機帶動偏心軸轉(zhuǎn)動，偏心軸帶動十字滑塊往復移動，從而帶動固定在十字滑塊上的動刀片進行往復移動，往復移動的動刀片與靜刀片一起實現(xiàn)剪切運動，剪切櫻桃果柄。

動刀片固定在十字滑塊上，根據(jù)圖5可得

S=R·cosα

(1)

式中：S——動刀片的位移，mm；

R——偏心軸的偏距，1.75 mm；

α——偏心軸的角位移，(°)。

由式(1)可得

H=R·(cos0°-cos180°)

(2)

式中：H——動刀片的行程，mm。

當R=1.75 mm時，由式(2)可得動刀片的行程H=3.5 mm。

電機選用FF180微型直流電機，額定功率3 W，額定電壓12～24 V，額定轉(zhuǎn)速5 000～12 000 r/min。

圖5 機構(gòu)的位置示意圖

1.2 姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)

為了采摘樹枝上不同生長姿態(tài)的櫻桃果實，該裝置設計了果柄推剪器的空中姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)。該機構(gòu)由兩套舵機和對應支架組成，分別實現(xiàn)刀具俯仰角度、側(cè)傾角度兩個自由度的調(diào)節(jié)。舵機選擇幻爾LD-1501MG數(shù)字舵機，轉(zhuǎn)動角度為0°～180°，堵轉(zhuǎn)扭矩為170 N·m。

結(jié)合伸縮桿的高度調(diào)節(jié)，以及操作者在地面上的前后、左右移動和轉(zhuǎn)動3個自由度，本裝置可以實現(xiàn)全部6個自由的調(diào)節(jié)，從而可以實現(xiàn)全方位、全姿態(tài)的果實采摘。

1.3 收集裝置

為了盡可能地全部收集剪落的果實，本文設計了一套傘狀結(jié)構(gòu)果實收集裝置。此裝置不但可以全方位地進行收集剪落的果實，還能通過底部拉鏈，實現(xiàn)果實的方便取出。另外，在不用時還可以拆卸下來，折疊存放。

1.4 伸縮桿

作為經(jīng)濟作物的櫻桃，由于頂端優(yōu)勢，果農(nóng)通常限制其生長高度不超過3.5 m，大部分櫻桃樹高度在2～3 m，故此需要設計長度合適，操作方便的高度調(diào)節(jié)裝置。

本伸縮桿由三節(jié)鋁合金方管組成，每節(jié)方管壁厚為1.2 mm，強度好，質(zhì)量小。完全收縮狀態(tài)時長度為65 cm，完全伸長狀態(tài)時長度為160 cm，如圖1所示。采摘者手持采摘器，通過調(diào)節(jié)伸縮桿的長度，可以方便地采摘3.5 m內(nèi)任意高度的櫻桃。同時，為了實現(xiàn)操作方便，固定鎖緊裝置采用偏心卡扣設計。

1.5 控制電路

為了實現(xiàn)對推剪器電機和姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)的控制，主控電路設計如圖6所示。其中PWM電路如圖7所示。

圖6 主控電路

圖7 PWM電路

考慮到對控制電路的保護，以及水果采摘方便，本采摘器將電路元器件全部隱藏在伸縮桿內(nèi)。電源開關、電機開關以及姿態(tài)操控旋鈕均布置在手柄上。在采摘水果時，操作者可單手握住采摘器的手柄，利用大拇指便可以操控電源開關和電機開關，同時還可以利用大拇指和食指操控舵機調(diào)節(jié)旋鈕?？傊瑔问旨纯赏瓿蓪烟彝萍羝麟姍C、采摘姿態(tài)和電源的操控，簡單方便。

2 關鍵參數(shù)設計

本文在實際的果柄剪切過程中發(fā)現(xiàn)，靜刀片齒距、動刀片齒距、電機轉(zhuǎn)速、動刀片行程等參數(shù)會影響櫻桃果柄的剪切效率和質(zhì)量。為此，本文從水果市場購買了多批新鮮帶柄櫻桃，采用控制變量法，進行果柄剪切對比試驗。通過對比分析不同參數(shù)下的剪切效果和質(zhì)量，從而探索并優(yōu)化以上參數(shù)的配置。

2.1 靜刀片齒距

本文將各種不同品種批次的新鮮櫻桃分成了12組，進行了櫻桃果柄直徑的測試，結(jié)果如表1所示。

表1 櫻桃果柄直徑測量結(jié)果Tab. 1 Measurement results of cherry stem diameter

根據(jù)表1的測量統(tǒng)計結(jié)果，櫻桃果柄的直徑都在1.3～2.7 mm之間，為此本文將靜刀片齒距設定為3.5 mm。

2.2 動刀片齒距

在確定了靜刀片齒距后，通過實際的剪切對比試驗方法，探索動刀片的齒距。本文設計制作了齒距分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm的6種不同齒距的動刀片進行剪切對比試驗。在實驗室中，本文預先設定動刀片行程為3 mm，電機轉(zhuǎn)速為2 400 r/min。

為了直觀體現(xiàn)剪切效果，本文將固定時間內(nèi)成功剪切櫻桃果柄的數(shù)量與試驗總數(shù)量的比例定義為剪切效率。在確定上述參數(shù)不變的情況下，分別對各種不同齒距的動刀片進行果柄的剪切試驗，記錄并繪制動刀片齒距與剪切效率的關系曲線，如圖8所示。

圖8 動刀片齒距與剪切效率關系

從圖8可以看出，動刀片齒距在3.0 mm時，剪切效率最高。同時，本文通過觀察不同齒距剪切櫻桃果柄的斷面，發(fā)現(xiàn)當動刀片齒距為1 mm左右時，斷面多毛刺，果柄是鋸斷；當動刀片齒距為3 mm附近時，果柄多為一次性剪斷，而當齒距繼續(xù)增大，幾乎沒有鋸斷的果柄，然而采摘效率降低。故此選定動刀片齒距為3 mm。

2.3 電機轉(zhuǎn)速

在靜刀片齒距和動刀片齒距分別確定后，本文通過改變電機轉(zhuǎn)速的方法，來探索不同電機轉(zhuǎn)速(對應剪切頻率)對果柄剪切效果的影響，同理采用控制變量的方法，其中動刀片行程預設為3.0 mm。

根據(jù)以上參數(shù)，按照電機轉(zhuǎn)速分別為2 000、4 000、6 000、8 000、10 000 r/min，進行分組果柄剪切試驗，觀察并記錄下剪切效果，結(jié)果如圖9所示。

圖9 電機轉(zhuǎn)速與剪切效率關系

從圖9可以看出，在電機轉(zhuǎn)速為7 000 r/min時，剪切效率最高。同時本文觀察分析了不同動刀頻率下剪切櫻桃果柄的斷面，發(fā)現(xiàn)當頻率越高出現(xiàn)鋸斷的果柄頻率也隨之增加，但是當頻率不斷增加剪切效率會趨于一個平穩(wěn)的數(shù)值，故此，電機轉(zhuǎn)選定為7 000 r/min。

2.4 動刀片行程

根據(jù)以上結(jié)果，在保持其他參數(shù)不變的條件下，本文進行了不同動刀片行程的果柄剪切試驗。按照動刀片行程分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 mm，進行分組果柄剪切試驗，觀察并記錄下剪切效果，結(jié)果如圖10所示。

圖10 動刀片行程與剪切效率關系圖

從圖10可以看出，動刀片行程為3.5 mm時果柄的剪切效率最高。另外，在觀察了不同運動行程下剪切櫻桃果柄的斷面，本文還發(fā)現(xiàn)當行程越小，出現(xiàn)鋸斷的果柄頻率越大，反之亦然。

2.5 核心參數(shù)與剪切方式的總結(jié)分析

上述試驗表明靜刀片齒距、動刀片齒距、電機轉(zhuǎn)速、動刀片運動行程4個參數(shù)顯著影響櫻桃果柄剪切效率?；谝陨显囼灲Y(jié)果，本文得到了最優(yōu)的設計參數(shù)，靜刀片齒距為3.5 mm，動刀片齒距為3.0 mm，電機轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，動刀片行程為3.5 mm。

同時，上述試驗還表明動刀片齒距、電機轉(zhuǎn)速、動刀片行程的改變會影響果柄的剪切方式，行程減小、頻率增大，動刀片齒距減小都會使采摘方式傾向于“鋸斷果柄”，反之則是趨向于“剪斷果柄”。根據(jù)剪切效果的分析，設計時應當使“剪斷”方式作為主要方式，當果柄不能很好地剪切時，仍能通過“鋸斷”的方式采摘。

3 采摘試驗

3.1 試驗條件

2021年5月1—2日，在江西省九江市濂溪區(qū)東嶺櫻桃種植專業(yè)合作社的果園，進行了實地采摘試驗。該果園位于廬山余脈，海拔約為152 m，果園地形為山地坡地，坡度約為5°～40°，果樹不規(guī)律分布，間距一般為3～5 m，果樹高度大部分為2.5～3.5 m。試驗設備及儀器包含米尺、秒表、電子秤和紙筆等。

3.2 試驗方法及評價指標

試驗時，采摘人員使用本采摘器輔助采摘，分別隨機選定不同果樹進行5次采摘[13-14]，每次采摘時間為30 min。試驗結(jié)束后統(tǒng)計采摘的總數(shù)，對收獲的櫻桃總數(shù)、帶柄合格率、果實損傷率分別進行統(tǒng)計，并記錄試驗結(jié)果。

櫻桃采摘必須符合以下兩點要求：(1)為了保存和食用方便，新鮮櫻桃果實采摘必須帶柄采摘，本文規(guī)定采摘的果柄長度不少于果柄原長的50%為帶柄合格采摘。(2)不能碰傷櫻桃果實，同時還要盡量不要傷及果柄旁邊的花蕾，以免影響來年的櫻桃產(chǎn)量。

1) 帶柄合格率[10, 14]

(3)

式中：U0——不符合果柄要求櫻桃數(shù)，kg；

U1——符合果柄要求櫻桃數(shù)，kg。

2) 損傷率[10]：根據(jù)采摘總數(shù)，定義損傷率，即統(tǒng)計每次采摘櫻桃總數(shù)Q0，采收后損傷的櫻桃數(shù)數(shù)Q1。

損傷率

(4)

3.3 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表2所示，可以看出，使用推剪式櫻桃采摘器，平均30 min內(nèi)采摘櫻桃9.715 kg，平均帶柄合格率為98.6%，損傷率僅為0.8%。以上數(shù)據(jù)表明，本采摘器不但能提高采摘效率，降低勞動強度和作業(yè)危險性，而且能實現(xiàn)櫻桃的帶柄采摘要求，同時還幾乎不會碰傷櫻桃樹木和果實。

表2 采摘試驗結(jié)果Tab. 2 Picking experiment results

4 結(jié)論

1) 本文仿照理發(fā)的原理，研制了一種推剪式櫻桃采摘器。該裝置通過連續(xù)快速地推剪櫻桃果柄來采摘櫻桃，具備高低、俯仰和側(cè)傾調(diào)節(jié)功能和果實收集功能，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位全姿態(tài)櫻桃果實的采摘。

2) 本文還分析了影響櫻桃果柄剪切效果的關鍵因素，并通過剪切對比試驗研究，得到了在靜刀片齒距為3.5 mm，動刀片齒距為3 mm，動刀片行程為3.5 mm 以及電機轉(zhuǎn)速為7 000 r/min時，推剪器的剪切效果最佳。

3) 果園試驗結(jié)果表明，使用該裝置輔助人工采摘櫻桃，平均半小時內(nèi)采摘櫻桃9.7 kg以上，帶柄合格率98%以上，損傷率1%以下。該裝置實現(xiàn)了快速高效帶柄的采摘櫻桃，并且不碰傷櫻桃果實及果樹，具有較好的參考應用價值。