李遠(yuǎn) 梅松 石志剛 蔣清海 童一飛

摘要：為解決藍(lán)莓機(jī)械化高質(zhì)量采摘難題，提出一種兼顧回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)復(fù)合運(yùn)動(dòng)挑振方法。通過(guò)構(gòu)建挑振復(fù)合運(yùn)動(dòng)模型，獲取挑振最佳作業(yè)參數(shù)，結(jié)合挑振關(guān)鍵部件膠棒的長(zhǎng)度與撓度設(shè)計(jì)分析，運(yùn)用MATLAB軟件仿真出端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滿足脫果加速度變化曲線。利用跨行平臺(tái)集成關(guān)鍵部件，以兔眼藍(lán)莓為采收對(duì)象，開展驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，當(dāng)膠棒長(zhǎng)325 mm、膠棒橫截面直徑10 mm、自轉(zhuǎn)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為40 r/min、往復(fù)振動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為380 r/min時(shí)，成熟藍(lán)莓的采凈率可達(dá)87.11%，損傷率在6.54%以內(nèi)，滿足相關(guān)采收機(jī)械的采摘指標(biāo)，對(duì)研究藍(lán)莓高效低耗采收具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：藍(lán)莓；機(jī)械化采摘；挑振復(fù)合運(yùn)動(dòng)；MATLAB仿真；收獲機(jī)械

中圖分類號(hào)：S225

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design and test of blueberry pick-up compound picking technology

Abstract：

In order to solve the difficulty of mechanized high quality picking of blueberry， this paper presents a method of crank-slider mechanism combined motion picking with rotary motion. Through the construction of the vibration complex motion model， the optimal operation parameters of the vibration were obtained. Combined with the design and analysis of the length and deflection of the rubber rod， the key component of the vibration， the change curve of the acceleration of the end point was simulated by MATLAB software. A cross-bank platform was used to integrate key components and a validation test was carried out with rabbit-eye blueberry as the harvest object. The experiment showed that when the stick length was 325 mm， the cross section diameter of the stick was 10 mm， the rated speed of the rotation motor was 40 r/min， and the rated speed of the reciprocating vibration motor was 380 r/min， the picking demand could be met， and the picking rate of ripe blueberries could reach 87.11%， and the damage rate was less than 6.54%， which met the picking indexes of relevant harvesting machinery. It has certain guiding significance for the study of high efficiency and low consumption harvesting of blueberry.

Keywords：

blueberries; mechanized picking; combined lifting movement; MATLAB simulation; harvesting machinery

0 引言

藍(lán)莓具有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，含有多種維生素和礦物質(zhì)，具有強(qiáng)心抗癌、抗衰老以及提高免疫力等獨(dú)特的功效，曾被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織列為人類五大健康食品之一［12］，深受水果市場(chǎng)的喜愛。我國(guó)是世界藍(lán)莓種植大國(guó)，也是世界藍(lán)莓消費(fèi)大國(guó)。截至2022年，我國(guó)藍(lán)莓種植面積約為66.4 khm2，藍(lán)莓產(chǎn)量超377.2 kt［3］。由于我國(guó)各地藍(lán)莓種植模式以及種植品種有所不同，且國(guó)內(nèi)果品采收機(jī)械相對(duì)于工業(yè)化發(fā)展迅速的發(fā)達(dá)國(guó)家還有所差距，為了解決這一困境，藍(lán)莓采收的機(jī)械化、智能化已然成為我國(guó)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的迫切要求與必然趨勢(shì)。

目前已栽培的藍(lán)莓品種包括北高叢藍(lán)莓、高叢藍(lán)莓、半高叢藍(lán)莓、兔眼藍(lán)莓、矮叢藍(lán)莓五大類共62個(gè)品種［4］，2009年，郭艷玲等［5］研究了適合野生藍(lán)莓收獲的手推式矮叢藍(lán)莓采摘機(jī)和適合矮叢藍(lán)莓的手推式矮叢藍(lán)莓振動(dòng)收獲機(jī)，這兩款采摘機(jī)都屬小型機(jī)械，操作方便，維護(hù)便宜，但在實(shí)際使用中仍有很多缺點(diǎn)。2021年，李建航等［6］研發(fā)了適用于高叢的藍(lán)莓采摘樣機(jī)，該款藍(lán)莓采摘機(jī)較低叢藍(lán)莓采摘機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有分選與分離樹葉的功能，但不太適用于國(guó)內(nèi)某些農(nóng)藝種植方式與地形分布，且由于其對(duì)枝條造成的傷害，會(huì)不同程度地影響來(lái)年的采摘收成，故沒(méi)有大范圍的推廣。

國(guó)內(nèi)外振動(dòng)式采摘機(jī)普遍是利用往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或者偏心回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力作用在果樹的樹干、樹枝或樹冠上［7］，但是存在采摘效率低等問(wèn)題，如把往復(fù)式運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合到一起（即為復(fù)合式運(yùn)動(dòng)），效率是否會(huì)提高，這是目前工作的目標(biāo)之一。另外，由于國(guó)內(nèi)從大方向上藍(lán)莓品種繁多，種植農(nóng)藝不規(guī)范，小塊區(qū)域特色種植模式制約了國(guó)內(nèi)機(jī)械推廣應(yīng)用［8］，從技術(shù)層面看，國(guó)內(nèi)對(duì)不同品種藍(lán)莓的植株生物性狀缺乏統(tǒng)計(jì)歸納，高質(zhì)量振動(dòng)采摘關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)依據(jù)不足，振動(dòng)脫果機(jī)理不明，高質(zhì)量作業(yè)的參數(shù)配置決策依據(jù)空白［9］，導(dǎo)致無(wú)法研發(fā)技術(shù)可靠、作業(yè)效果佳的藍(lán)莓采收技術(shù)裝備［10］。

針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)典型品種藍(lán)莓的機(jī)械化采收［11］，需要進(jìn)行系統(tǒng)性深入研究，本文提出一種兼顧回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)挑振方法，根據(jù)其復(fù)合運(yùn)動(dòng)特性，建立挑振膠棒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和加速度的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)MATLAB對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，確定最佳速度，同時(shí)根據(jù)ABAQUS對(duì)膠棒的長(zhǎng)度進(jìn)行合理性靜力學(xué)分析，確定最佳膠棒長(zhǎng)度，根據(jù)確定的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)挑振復(fù)合采摘裝置，以兔眼藍(lán)莓為采收對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)優(yōu)越性。

1 挑振數(shù)學(xué)模型建立

本文采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)完成挑振單元的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)三維坐標(biāo)模擬添加挑振單元的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二者相互疊加配合，共同實(shí)現(xiàn)挑振的目的。

1.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為挑振單元的自振裝置，結(jié)合振動(dòng)桿NK的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，EF和ED由曲拐以及過(guò)渡板組成，DN為定向軸，NK為膠棒（振動(dòng)桿），F(xiàn)1D1以及F2D2是曲拐所能達(dá)到的兩個(gè)極限位置，假設(shè)EF與z軸所夾角為θ1，F(xiàn)D與z軸所夾角為θ2，θ1′、θ1″分別為兩個(gè)極限位置EF與z軸所夾角，θ2′、θ2″分別為兩個(gè)極限位置FD與z軸所夾角，設(shè)計(jì)偏心距為e，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)解析法可求得方程式（1）。

結(jié)合圖1可得

根據(jù)式（1），設(shè)EF為a，F(xiàn)D為b，OD為d，以EF的長(zhǎng)度a為基準(zhǔn)，可得

整理得

cosθ1=k0sinθ1+k1（4）

1.2 曲柄滑塊與自轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)分析

由圖2可知，振動(dòng)裝置在增加z軸自轉(zhuǎn)之后，可以求得K點(diǎn)在空間坐標(biāo)系的軌跡方程，其中，V為膠棒在x軸方向前進(jìn)移動(dòng)的速度量大小，t為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變量，設(shè)膠棒NK與x′軸的夾角為θ3，則結(jié)合圖1和圖2可得空間軌跡方程，如式（5）所示。

根據(jù)式（5），可以求得三個(gè)方向上位移導(dǎo)數(shù)，即空間速度方程，如式（6）所示。

式中：

Mx′，My′，Mz′——膠棒末端在x，y，z軸的速度投影。

根據(jù)式（6），可以求得三個(gè)方向上速度導(dǎo)數(shù)，即空間加速度方程，如式（7）所示。

式中：

Mx″，My″，Mz″——膠棒末端在x，y，z軸的加速度投影。

2 挑振復(fù)合采摘裝置設(shè)計(jì)與分析

2.1 挑振復(fù)合采摘關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

已知挑振單元如圖3所示，該單元位于機(jī)架上的挑振總成，各挑振總成包括兩個(gè)挑振單元，一個(gè)振動(dòng)單元位于另一個(gè)挑振單元的下方，兩個(gè)挑振單元在行走方向錯(cuò)位設(shè)置，將挑振單元按照一上一下、一前一后設(shè)置，位置布置與栽培農(nóng)藝對(duì)應(yīng)，在采收時(shí)，僅需要將果樹的主干進(jìn)行固定，其余枝條垂掛，無(wú)需對(duì)枝條進(jìn)一步處理。挑振單元通過(guò)上下往復(fù)振動(dòng)和周向轉(zhuǎn)動(dòng)，將行進(jìn)間不同位置的枝條挑起，并在作業(yè)中挑枝不纏枝，使枝條按順序排出，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械化低損連續(xù)采收。

2.2 挑振復(fù)合采摘部件關(guān)鍵參數(shù)確定

2.2.1 膠棒長(zhǎng)度確定

膠棒長(zhǎng)度的確定，要充分考慮分離的可靠性，以及整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)緊湊性，通過(guò)查找相關(guān)資料［12］結(jié)合平均藍(lán)莓枝條間隙，比較合理的膠棒長(zhǎng)度設(shè)計(jì)依次為325 mm，355 mm，385 mm，415 mm，445 mm，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析。

查閱相關(guān)資料可知，當(dāng)膠棒長(zhǎng)度增加時(shí)，膠棒端點(diǎn)的振幅在增加，但是膠棒長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)使膠棒易折斷，為了更準(zhǔn)確地獲取適宜的膠棒長(zhǎng)度，結(jié)合ABAQUS軟件，設(shè)定兩膠棒間距為150 mm，其中膠棒的材質(zhì)為橡膠，彈性模量為1 GPa，泊松比為0.49；基座的材質(zhì)為合金鋼，彈性模量為210 000 MPa，泊松比為0.3。施加均勻載荷2×103 Pa，網(wǎng)格劃分和靜力學(xué)分析如圖4所示。

從圖4（b）可以看出，隨著膠棒的長(zhǎng)度增大，對(duì)應(yīng)的膠棒端點(diǎn)位移形變量也會(huì)變大，如圖4（c）所示，隨著膠棒長(zhǎng)度的增加，膠棒與基座相連的根部受力會(huì)逐漸增大，由此可得結(jié)論：膠棒長(zhǎng)度越長(zhǎng)，可靠性越低，變形量越大。綜上所述，在合理的膠棒長(zhǎng)度范圍內(nèi)，應(yīng)盡量選擇長(zhǎng)度短的膠棒，故325 mm的膠棒長(zhǎng)度是首選。

2.2.2 膠棒最大撓度確定

挑振單元的膠棒固定方式是一端固定在基座上，形如懸臂梁結(jié)構(gòu)，外部集中載荷由枝條拉伸試驗(yàn)獲得，如圖5所示。

圖5中，膠棒長(zhǎng)L為325 mm，橫截面為直徑10 mm的圓形，且為等截面的各向同性桿，其邊界條件為一端固定在基座上，另一端為自由端，受橫向集中載荷F作用，F(xiàn)為30 N。查閱相關(guān)資料可得，膠棒的彈性模量E為1 GPa，彎曲強(qiáng)度［σ］為90 MPa。

梁的抗彎截面模量

彎矩

截面慣性矩

由此可得最大彎曲應(yīng)力

因此

由材料力學(xué)［13］可得撓曲線方程為

由上可得膠棒的端截面轉(zhuǎn)角

最大撓度

綜上可得，膠棒最大可承受力為55.38 N，最大撓度為-0.214 6 m，滿足藍(lán)莓采摘裝置采摘需求。

2.3 挑振復(fù)合采摘部件關(guān)鍵參數(shù)確定

在作業(yè)速度0.1 m/s的條件下，通過(guò)MATLAB對(duì)式（5）進(jìn)行仿真，空間位移軌跡如圖6所示，通過(guò)作業(yè)速度可以求得挑振機(jī)構(gòu)自轉(zhuǎn)速度為40 r/min。結(jié)合式（7）及2.1節(jié)、2.2節(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì)，可解得膠棒端點(diǎn)的空間軌跡的加速度曲線。

根據(jù)藍(lán)莓脫離力學(xué)特性［14］，仿真篩選曲柄往復(fù)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為380 r/min。為了研究撞擊能量與藍(lán)莓脫落關(guān)系，對(duì)K點(diǎn)這個(gè)振動(dòng)位置進(jìn)行如下分析，在自轉(zhuǎn)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速40 r/min，往復(fù)振動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速380 r/min條件下，通過(guò)MATLAB仿真分析可以得到圖7所示的仿真圖，其中圖7（a）為y-z平面K點(diǎn)加速度投影、圖7（b）為K點(diǎn)的空間加速度。

綜上所述，由圖7（a）可知，K點(diǎn)沿y-z平面先反向增加，y軸方向加速度首先達(dá)到極值aym1約361 m/s2，此時(shí)z軸方向加速度也達(dá)到極值azm1約91 m/s2，隨后沿z軸反方向加速度達(dá)到極值azm2約33 m/s2，此時(shí)ay1約47 m/s2，隨后y軸反方向增加至極值aym2約361 m/s2，此時(shí)az2約14 m/s2，后沿z軸反方向減小至極值azm3約29 m/s2，此時(shí)ay2約38 m/s2。可知兩段分別達(dá)到x，y極值的區(qū)間存在最佳作業(yè)速度與加速度，顯然最佳速度與加速度和位置均不同。由圖7（b）可知，整體加速度在空間上是先從0增加至最佳作業(yè)加速度ae1后減小至0，在增加至最佳作業(yè)加速度ae2后減小至0。

3 試驗(yàn)與分析

本文利用該試驗(yàn)部件集成動(dòng)力平臺(tái)開展藍(lán)莓采收試驗(yàn)，將上述挑振關(guān)鍵部件安裝于小型液壓挖掘機(jī)，替換挖頭，進(jìn)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)融合，于2021年7月份在溧水白龍有機(jī)藍(lán)莓種植基地開展采收試驗(yàn)，重點(diǎn)研究采凈率、損傷率等采收關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的變化規(guī)律。

3.1 試驗(yàn)方案

3.1.1 試驗(yàn)藍(lán)莓植株基本參數(shù)

首先對(duì)溧水藍(lán)莓種植基地3～4.5年樹齡的兔眼藍(lán)莓植株的基本特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得植株的行距約為2.7 m，株距約為2.5 m，冠型直徑范圍65～110 cm，掛果枝條高度為60～140 cm，成熟果實(shí)重量為0.6～2.5 g，藍(lán)莓果柄結(jié)合力為0.18～4.36 N。由此可知藍(lán)莓的行距、株距較為合理，基本滿足機(jī)械化作業(yè)裝備的通過(guò)性要求，但由于采摘園農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范的等因素，對(duì)于實(shí)際采摘作業(yè)有著較大的影響，使得采凈率存在一定的誤差，后期可以通過(guò)農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化等方法加以改善。

3.1.2 果柄結(jié)合力試驗(yàn)方案

由于藍(lán)莓掛果枝條受力時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲變形，可能會(huì)對(duì)果枝分離力產(chǎn)生影響，所以具體的測(cè)量方法為：將需要測(cè)量的果實(shí)用繩子固定住，拉力計(jì)固定在繩子的另一端，然后沿著果柄方向緩慢拉動(dòng)拉力計(jì)，直至藍(lán)莓果實(shí)脫落。測(cè)量時(shí)采用的原則是隨機(jī)取樣的方式，為了增加樣本的數(shù)量及試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別測(cè)量10次藍(lán)莓果實(shí)結(jié)合力，并取這10組平均值為一個(gè)試驗(yàn)小組，共做10組，一共100次果柄結(jié)合力測(cè)試試驗(yàn)。

3.1.3 采凈率與損傷率試驗(yàn)方案

根據(jù)挑振膠棒末端復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡以及最優(yōu)水平組合：膠棒長(zhǎng)325 mm、膠棒偏置角度15°、采摘作業(yè)時(shí)作用速率選取0.1 m/s，對(duì)應(yīng)自轉(zhuǎn)速度40 r/min，往復(fù)振動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速380 r/min條件下，進(jìn)行田間試驗(yàn)。

采凈率：先統(tǒng)計(jì)采摘前果枝上成熟的藍(lán)莓果實(shí)個(gè)數(shù)，然后在采摘裝置完成作業(yè)后，再統(tǒng)計(jì)采摘后果枝上成熟的藍(lán)莓果實(shí)個(gè)數(shù)，采凈率的計(jì)算如式（17）所示。

式中：

α——采凈率；

n1——采摘前果枝上成熟的藍(lán)莓果實(shí)個(gè)數(shù)，顆；

n2——采摘后果枝上成熟的藍(lán)莓果實(shí)個(gè)數(shù)，顆。

損傷率試驗(yàn)方法：先測(cè)量采集到的藍(lán)莓果實(shí)質(zhì)量m1，然后在測(cè)量采集到的有損傷的藍(lán)莓果實(shí)質(zhì)量m2，損傷率即為m1/m2。

由于試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)時(shí)只針對(duì)一壟藍(lán)莓灌木進(jìn)行15次采摘試驗(yàn)，所以只對(duì)上述最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

果柄結(jié)合力測(cè)試結(jié)果如表1所示。采凈率與損傷率試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

綜上所述，結(jié)合表1測(cè)得的實(shí)際采摘加速度346.58 m/s2及上文計(jì)算得出的理論采摘加速度361 m/s2可以得到理論加速度值滿足實(shí)際采摘加速度需求，在此，成熟藍(lán)莓的采凈率可達(dá)87.11%，損傷率在6.54%以內(nèi)，滿足藍(lán)莓機(jī)械化采摘的硬性指標(biāo)。

4 結(jié)論

1） 本文提出一種兼顧回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)復(fù)合運(yùn)動(dòng)挑振方法，借助理論計(jì)算與基地種植農(nóng)藝相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款雙動(dòng)力回轉(zhuǎn)振動(dòng)式采收裝置，通過(guò)構(gòu)建挑振復(fù)合運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，為藍(lán)莓果實(shí)高效無(wú)損采摘提供理論依據(jù)。

2） 通過(guò)對(duì)膠棒長(zhǎng)度以及膠棒最大撓度進(jìn)行分析，確定最佳作業(yè)參數(shù)，利用MATLAB軟件仿真計(jì)算出端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滿足脫果加速度變化曲線，求解出理論加速度最佳作業(yè)區(qū)間。

3） 在挑振機(jī)構(gòu)運(yùn)行的條件下，自轉(zhuǎn)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速40 r/min，往復(fù)振動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速380 r/min，理論加速度值滿足實(shí)際采摘加速度需求，成熟藍(lán)莓的采凈率可達(dá)87.11%，損傷率在6.54%以內(nèi)，滿足相關(guān)采收機(jī)械的采摘指標(biāo)，該設(shè)計(jì)模型也為小漿果采收提供理論依據(jù)和一定的指導(dǎo)意義。

4） 在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上對(duì)藍(lán)莓采摘裝置有如下展望，可以大力加強(qiáng)采摘裝置與農(nóng)藝技術(shù)相結(jié)合，使藍(lán)莓種植更加產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化；可以向多功能方向發(fā)展，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，減少種植戶成本投入；可以加強(qiáng)智能化發(fā)展，增加路徑、圖像識(shí)別，擁有藍(lán)莓各成熟度的權(quán)重指標(biāo)，選擇性采摘，可以向人性化方向發(fā)展，增強(qiáng)人機(jī)交互性，讓操作方法更加簡(jiǎn)單，維護(hù)成本更加低廉，適用性更加強(qiáng)大。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 李殿鑫， 戴遠(yuǎn)威， 陳偉， 等. 藍(lán)莓的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及保健功能研究進(jìn)展［J］. 農(nóng)產(chǎn)品加工， 2018（4）： 69-70， 74.

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