小型側(cè)翼折展式林果收集裝置的設(shè)計與試驗

杜小強(qiáng)，李黨偉，王 丹，武傳宇，林樂鵬

（1. 浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，杭州 310018；2. 浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室，杭州 310018）

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

小型側(cè)翼折展式林果收集裝置的設(shè)計與試驗

杜小強(qiáng)1,2，李黨偉1，王 丹1，武傳宇1,2，林樂鵬1

（1. 浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，杭州 310018；2. 浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室，杭州 310018）

為了解決現(xiàn)有林果收集裝置體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對果樹行間距要求高等問題，該文以國內(nèi)外現(xiàn)有林果收集設(shè)備為基礎(chǔ)，以折展性能較好的空間折展機(jī)構(gòu)為切入點，提出了一種小型側(cè)翼折展式林果收集裝置。對收集裝置的主要結(jié)構(gòu)—側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，采用遺傳算法對此機(jī)構(gòu)的主要桿件進(jìn)行尺寸優(yōu)化，并建立側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入ADAMS動力學(xué)分析軟件中進(jìn)行仿真和計算。根據(jù)理論分析與仿真結(jié)果，加工試驗樣機(jī)，進(jìn)行野外采收試驗和末端軌跡驗證，比較虛擬仿真軌跡與由高速攝像捕捉到的樣機(jī)實際運(yùn)動軌跡，驗證了側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)設(shè)計方案的正確與可靠性，并得出此收集裝置對于大棗樹和銀杏樹的平均承接率分別為84.68%和66.71%，可為后續(xù)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：收獲機(jī)；機(jī)構(gòu)；優(yōu)化；林果收集；折展機(jī)構(gòu)；遺傳算法；仿真

0 引 言

林果生產(chǎn)是中國繼糧食生產(chǎn)和蔬菜生產(chǎn)之后的第三大產(chǎn)業(yè)[1-2]，是勞動密集型和技術(shù)密集型相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，已成為許多地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大支柱[3-4]。據(jù)統(tǒng)計，2015年中國林業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到 4 436.39億元，果園面積達(dá)到1.281 7× 107hm2，水果產(chǎn)量達(dá) 2.747 5×108t，其中林果產(chǎn)量約占63%[5]。在新的生產(chǎn)形勢下，預(yù)計到2023年，全國林果總產(chǎn)量將達(dá)到1.864 9×108t[6-7]。隨著林果產(chǎn)量的急劇增長，在保證林果采收作業(yè)質(zhì)量、提高工作效率方面，機(jī)械化收獲技術(shù)和裝備受到越來越廣泛的關(guān)注。

林果采收作業(yè)過程中果實在人工或機(jī)械作用下脫離樹體后需要經(jīng)過收集作業(yè)，其收集方法有人工收集、機(jī)械輔助收集和機(jī)械化收集3種[8]。機(jī)械輔助收集主要是半自動化的收集方法，機(jī)械化收集主要是采用全自動化的收集方法。一般林果體積較小，落入雜草中難以找尋，人工收集作業(yè)勞動強(qiáng)度大、成本高、效率低[9]。近年來，各種振動式、拽振式實用小型林果采收機(jī)被用于對林果的采摘[10-14]，因此，需要發(fā)展與采收機(jī)聯(lián)合作業(yè)的收集裝置，這樣不僅可以提高林果收集效率，而且可以降低勞動成本，解決人口老齡化與農(nóng)業(yè)勞動力減少對林果生產(chǎn)造成的影響。

林果收集裝置主要分為采摘收集與地面收集 2個方面。早期國外利用以液壓為動力的可升降及橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)研制出一種半自動化摘果臺架[15-16]，在一定程度上改變了人工的收獲方式，但人力勞動量依舊很大，對收獲效率提高較小。相對于采摘收集裝置，地面收集裝置更為少見，有清掃集條機(jī)和撿拾清選機(jī)[17]，以及能夠?qū)崿F(xiàn)林果一體化收集的連續(xù)收獲機(jī)械[18-19]，該類機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積巨大，例如意大利SICMA Srl公司生產(chǎn)的林果收集機(jī)械整體尺寸達(dá)到了7 640 mm×2 140 mm（長×寬），不適宜現(xiàn)有林果種植環(huán)境。目前中國林果的收集作業(yè)還是以人工收集為主，機(jī)械化程度較國外存在較大差距[20-21]，機(jī)械化收集缺乏適應(yīng)性以及推廣性。因此，根據(jù)林果生長情況以及國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀，研發(fā)適用性強(qiáng)的小型化林果收集裝置是必然趨勢[22]。

空間折展機(jī)構(gòu)具有良好的折展性能[23-25]，應(yīng)用于林果收集能夠解決收集裝置占用空間大的問題，降低對樹體行間距的要求，且展開后覆蓋面積較大，能夠快速有效地進(jìn)行林果的收集作業(yè)，提高工作效率。因此，本文提出一種小型側(cè)翼折展式林果收集裝置，并初步確定小型林果收集裝置的大體尺寸、作業(yè)要求及折展方式，然后分析了其工作原理和運(yùn)動特性，并對其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，最后加工樣機(jī)進(jìn)行試驗。

1 小型側(cè)翼折展式林果收集裝置方案設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

小型側(cè)翼折展式林果收集裝置主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為 3個部分：移動合攏機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)。裝置整體為倒傘式結(jié)構(gòu)，采用兩端支撐、扇形圍攏的方式，分為左右對稱兩個部分，整個裝置的工作范圍為：展開后直徑約3.6 m，合攏后直徑約0.4 m，合攏后高度約0.55 m。其主要機(jī)構(gòu)及工作原理是：1）移動合攏機(jī)構(gòu)用于移動和定位整個裝置，機(jī)構(gòu)底部裝有萬向輪，使其能夠方便地靠近（遠(yuǎn)離）樹體，當(dāng)整個裝置靠近樹體時，可通過直線軸承使得裝置的左部與右部分別抵住（脫離）樹干；2）升降機(jī)構(gòu)底部裝有步進(jìn)電機(jī)，在電機(jī)驅(qū)動下帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)絲杠螺母上下移動，進(jìn)而帶動升降平臺上下運(yùn)動；3）側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)在絲杠螺母帶動下實現(xiàn)平行四桿機(jī)構(gòu)折疊合攏，從而實現(xiàn)整個裝置的折合過程。固定在側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)上的帆布隨著收集裝置展開后，表面成為扇形弧面，落下的果實依靠自身重力作用由扇形曲面向扇形中心區(qū)域滑落，進(jìn)行統(tǒng)一收集。

圖1 小型側(cè)翼折展式林果收集裝置主體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Main structure diagram of small fruit collecting device with flank deployable and foldable mechanism

1.2 側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)設(shè)計

側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)簡圖如圖 2所示，主要由平行四桿結(jié)構(gòu)、直角連接結(jié)構(gòu)和剪叉臂結(jié)構(gòu)組成。直角連接結(jié)構(gòu)中CD⊥DP、C1D1⊥D1P1，構(gòu)成空間直角結(jié)構(gòu)。直角連接結(jié)構(gòu)的左側(cè)端點與平行四桿結(jié)構(gòu)右側(cè)端點相連，而右側(cè)端點與剪叉臂結(jié)構(gòu)左側(cè)端點相連，即平行四桿結(jié)構(gòu)和剪叉臂結(jié)構(gòu)通過空間直角相連。當(dāng)收集裝置處于折疊展開過程中，直角連接結(jié)構(gòu)作為整個機(jī)構(gòu)的中間調(diào)節(jié)部分，實現(xiàn)該機(jī)構(gòu)側(cè)向折展。

圖2 側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)折合過程示意圖Fig.2 Folding process of flank deployable and foldable mechanism

2 側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及尺寸優(yōu)化

2.1 側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

為了得到側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點的運(yùn)動軌跡、速度及加速度等運(yùn)動參數(shù)，以便對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，確定桿件最優(yōu)尺寸，本文建立了側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)運(yùn)動模型簡圖，如圖 3所示，對側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，相關(guān)參數(shù)及說明見表1。設(shè)導(dǎo)向桿為固定桿件，令與導(dǎo)向桿固定相連桿件端點A為坐標(biāo)原點，水平向右為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向，以垂直于xAy面向外為z軸正方向，建立如圖3所示的直角坐標(biāo)系A(chǔ)xyz。

圖3 側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)運(yùn)動模型簡圖Fig.3 Kinematic model diagram of flank deployable and foldable mechanism

表1 側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)各變量參數(shù)Table 1 Variable parameters of flank deployable and foldable mechanism

根據(jù)以上條件的設(shè)定，得點P坐標(biāo)

假設(shè)PF為固定桿件，令端點P為坐標(biāo)原點，以P→F方向為x1軸正方向，以垂直于該方向為y1軸正方向，以垂直于x1Py1面向外為z1軸正方向，建立如圖3所示局部直角坐標(biāo)系Px1y1z1，由此可求出局部直角坐標(biāo)系Px1y1z1中折展機(jī)構(gòu)末端G點的坐標(biāo)為

求局部坐標(biāo)系Px1y1z1到全局坐標(biāo)系A(chǔ)xyz的變換矩陣，首先平移局部坐標(biāo)系Px1y1z1，使得原點P與全局坐標(biāo)系A(chǔ)xyz的原點A重合，則平移矩陣T1為

因桿AD與桿PF共面，且桿PF與桿AD的夾角為γ1，則有局部坐標(biāo)系Px1y1z1與全局坐標(biāo)系A(chǔ)xyz繞y軸方向相對轉(zhuǎn)角為γ1，得局部坐標(biāo)系Px1y1z1與全局坐標(biāo)系A(chǔ)xyz繞y軸方向的旋轉(zhuǎn)矩陣T2為

局部坐標(biāo)系Px1y1z1繞y軸旋轉(zhuǎn)角度γ1后，使得P→F方向與A→D方向重合，再繞z軸旋轉(zhuǎn)角度γ2（此時，），使得P→F方向與x軸正方向重合，則繞z軸方向的旋轉(zhuǎn)矩陣T3為

將局部坐標(biāo)系Px1y1z1中G點坐標(biāo)轉(zhuǎn)化至全局坐標(biāo)系A(chǔ)xyz中，則在全局坐標(biāo)系A(chǔ)xyz中側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)末端G點的坐標(biāo)為

式中

2.2 側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化

根據(jù)圖 3中各桿件間相互位置和幾何關(guān)系，進(jìn)行桿件尺寸的初步約束和設(shè)定，板間距離：lAA1＜500 mm；平行四桿結(jié)構(gòu)：直角三角形：(l)2+ (l-l)2= (l)2；展開狀態(tài)時：

CC1PDP1D1EE1坐標(biāo)系A(chǔ)xyz中，xD＜xD1，坐標(biāo)系Px1y1z1中，x1E1＜x1F；閉合狀態(tài)時：坐標(biāo)系A(chǔ)xyz中，xB1＞xC1，坐標(biāo)系Px1y1z1中，x1E1＞x1F。

由以上約束條件和設(shè)定，對桿件尺寸進(jìn)行初步取值：lAB= 230 mm，lBC= 200 mm，lCD= 170 mm，lDP= 100 mm，lEF= 175 mm，lA1B= 300 mm，lB1B=lC1C= 120 mm，lD1P1=lDP= 50 mm，lP1E1=lPE= 160 mm，lE1G= 800 mm。分析側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)展開時各桿件尺寸變化對G點位移及∠EFG大小的影響，展開狀態(tài)的設(shè)定條件為：AD方向與水平方向夾角為20°左右。使其他桿件長度為初步取值，逐一改變各桿長度，設(shè)置步長為 10 mm，根據(jù)以上條件編寫MATLAB運(yùn)動學(xué)分析程序計算得到如圖4所示的結(jié)果。

從圖4可以看出，各桿長度變化量都為100 mm時，對G點位移變化量及∠EFG大小的變化量作為影響程度的依據(jù)：桿A1B1的長度變化對G點位移及∠EFG的大小不產(chǎn)生影響；桿PE長度變化對G點的位移變化及∠EFG的角度變化影響都較為劇烈；此時G點位移變化量約為76.4 mm，∠EFG角度變化量約為2.7°；AB桿長的長度變化對∠EFG的影響最為劇烈，此時∠EFG角度變化量約為5°；AD桿長變化對G點位移變化最為劇烈，此時G點位移變化量約為100 mm；PE桿長變化與G點位移變化成正比，與∠EFG角度變化成反比；桿AB、桿AD、桿DP、桿PF長度的變化與G點位移變化、∠EFG角度變化成正比。

1）優(yōu)化方法及優(yōu)化目標(biāo)

尺寸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法采用遺傳算法（genetic algorithm）[26-27]，該方法是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法[28-30]，用于本次優(yōu)化的求解思路為：a）基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析，確定優(yōu)化變量及優(yōu)化目標(biāo)；b）輸入初始數(shù)據(jù)，得出初始結(jié)果；c）在保持其它桿件長度不變前提下，依次改變某一桿件長度變量，得出變量結(jié)果；d）將變量結(jié)果與上一結(jié)果進(jìn)行對比，選取最優(yōu)結(jié)果；e）重復(fù)步驟c）和d），得出最終結(jié)果。

根據(jù)前文數(shù)據(jù)分析結(jié)果，AB、AD、PE對G點位移和∠EFG影響較大，因此選取桿AB、桿AD、桿PE作為待優(yōu)化桿件，即優(yōu)化變量，各優(yōu)化桿件的初始優(yōu)化區(qū)間為lAB∈(180, 280)，lAD∈(550, 650)，lPE∈(110, 210)。根據(jù)遺傳算法的優(yōu)化思想，在折展半徑R=1 600 mm確定的條件下，將展開狀態(tài)時G點沿x軸坐標(biāo)xG與閉合狀態(tài)時xG0的差值，即G點位移作為優(yōu)化目標(biāo)，當(dāng)G點位移最大時，認(rèn)為機(jī)構(gòu)折展比最大。而各桿件之和取最小值作為另一個優(yōu)化目標(biāo)，確定優(yōu)化目標(biāo)為：(li為各部分桿長)。

圖4 不同桿件長度變化對G點位移、∠EFG的影響Fig.4 Influence of variable rod length on the displacement of point G and ∠EFG

2）遺傳算法優(yōu)化的理論模型及結(jié)果

確定機(jī)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的初始向量為

將式（9）代入式（8）中可得

在運(yùn)動學(xué)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化過程中，設(shè)第k次的設(shè)計參數(shù)向量為

將式（11）代入式（8）得

根據(jù)本次優(yōu)化的求解思路，尋找最優(yōu)桿件尺寸的遺傳算法運(yùn)算流程如圖5所示。由于桿件尺寸的初步選取存在一定的主觀性，同時優(yōu)化區(qū)間的設(shè)定是基于桿件初始尺寸±50 mm的非定性選取，因此，在運(yùn)算過程中，優(yōu)化區(qū)間存在一定的局限性。在優(yōu)化過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化區(qū)間無法滿足約束條件或最優(yōu)解的取值為優(yōu)化區(qū)間邊界值時，則說明該桿件可能還存在更加優(yōu)化的取值。在這種情況下，對桿件的優(yōu)化區(qū)間進(jìn)行±50 mm的區(qū)間擴(kuò)展：當(dāng)取得最大區(qū)間值時，則進(jìn)行正50 mm的區(qū)間擴(kuò)展；反之，亦然。不斷重復(fù)上述流程，得到最終的優(yōu)化區(qū)間為ABl∈(230, 280)，ADl∈(650, 700)，PEl∈(300, 350)。最后求得桿長的最優(yōu)解為：lAB= 277.88 mm，lAD= 661.64 mm，lPE= 306.58 mm。

圖5 桿件優(yōu)化的遺傳算法流程圖Fig.5 Flowchart of genetic algorithm on rods optimization

3 側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)ADAMS仿真分析

根據(jù)對側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)的理論設(shè)計分析及桿件的優(yōu)化結(jié)果，運(yùn)用Solidworks軟件建立側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)三維模型，去除模型中的連接桿件，添加升降機(jī)構(gòu)，得其簡化模型如圖6a所示。把所建模型導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)定各桿件的材料屬性，添加配合關(guān)系，以y方向為重力加速度方向，重力加速度大小取9.8 m/s2，在絲杠處添加旋轉(zhuǎn)電機(jī)，帶動整個裝置的運(yùn)行。由于該機(jī)構(gòu)為折展機(jī)構(gòu)，則其動力仿真分為折疊與展開2個過程。設(shè)置仿真時間為130 s，得到該機(jī)構(gòu)折疊（展開）過程末端點運(yùn)動仿真曲線，如圖6b所示。最后仿真計算得到側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)驅(qū)動力矩變化曲線，如圖7所示。

圖6 仿真模型及側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)上末端點G的運(yùn)動軌跡曲線Fig.6 Simulation model and trajectory curve of end point G in flank deployable and foldable mechanism

因側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)為空間機(jī)構(gòu)，則其驅(qū)動力矩分為x、y、z3個方向，x、z方向驅(qū)動力矩過小，可忽略不計，僅考慮y方向的驅(qū)動力矩，其仿真的驅(qū)動力矩如圖7所示，可得側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)在折展過程中的最大驅(qū)動力矩約為0.4 N·m。因該仿真機(jī)構(gòu)為一個側(cè)翼折展臂的仿真，而整個裝置為雙半圓三分型結(jié)構(gòu)（6個側(cè)翼折展臂），需2個電機(jī)驅(qū)動，則每個半圓三分型機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力矩約為6×0.4=2.4 N·m?？紤]到摩擦及其它因素影響，選取電機(jī)的額定扭矩為4 N·m。

圖7 側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)折展過程驅(qū)動力矩曲線Fig.7 Driving torque curve of the flank deployable and foldable mechanism

4 試驗樣機(jī)驗證

4.1 樣機(jī)軌跡驗證

根據(jù)對側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)的理論分析及參數(shù)優(yōu)化仿真結(jié)果，進(jìn)行了小型林果收集裝置試驗樣機(jī)的制造裝配，圖8為該收集裝置的試驗樣機(jī)及采收試驗現(xiàn)場圖。

圖8 側(cè)翼折展式林果收集試驗樣機(jī)及野外采收試驗現(xiàn)場Fig.8 Prototype of flank deployable and foldable mechanism and harvest experiment site in orchard

為準(zhǔn)確獲取側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡，于側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)末端涂敷黑色作為醒目標(biāo)記。用百萬像素高速攝像機(jī)Phantom v5.1進(jìn)行拍攝記錄，運(yùn)用ZooTracer軟件（識別并追蹤物體的運(yùn)動軌跡）對拍攝的視頻進(jìn)行處理，獲取標(biāo)記點相關(guān)位置坐標(biāo)，以平滑曲線依次將各點相連，由此得到側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)折合過程運(yùn)動軌跡，如圖6c所示。

將捕捉到的實際運(yùn)動軌跡與虛擬樣機(jī)仿真得到的軌跡進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)稍有偏差，但基本吻合。分析偏差存在的原因，可能是：1）試驗樣機(jī)加工、裝配中引起的精度誤差；2）標(biāo)記點坐標(biāo)確定及運(yùn)動軌跡繪制等視頻處理過程中引起的微量偏差；3）相機(jī)拍攝角度引起的軌跡變形。

4.2 收集試驗

根據(jù)現(xiàn)有條件，選取銀杏樹以及冬棗樹作為試驗對象，對試驗樣機(jī)的承接率進(jìn)行測試，承接面選用折展性與耐磨性良好的帆布, 以適應(yīng)作業(yè)環(huán)境及小型林果下落時的擊打力度。大棗和銀杏的野外田間機(jī)械采收試驗分別于2015年9月和10月在浙江理工大學(xué)百果園進(jìn)行，隨機(jī)選取3棵8齡大棗樹和3顆12齡銀杏樹，作業(yè)方式采用手持式人力振搖桿，振搖桿頂端有卡口，可將林果枝杈連接處置于振搖桿頂端卡扣內(nèi)，以（0°，30°）的角度范圍沿桿柄方向進(jìn)行振搖采收和收集，如圖10所示。采收樣本樹的果實總量、收集量、落地量見表2，大棗樹和銀杏樹的平均承接率分別為84.68%和66.71%。

表2 小型側(cè)翼折展式林果收集裝置田間收集試驗結(jié)果Table 2 Experiment results of mechanical harvest using the small fruit collecting device

小型側(cè)翼折展式林果收集裝置承接率試驗的意義主要在于驗證該機(jī)構(gòu)的適用性和可靠性。從試驗結(jié)果得出，小型側(cè)翼折展式林果收集裝置和小型采收裝置在野外采收作業(yè)的配合應(yīng)用，與傳統(tǒng)人工作業(yè)方式相比極大的提高了野外林果采收的效率，并且減少了果實在落下時的損傷，為后續(xù)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)提供參考依據(jù)[31]。

5 結(jié) 論

1）通過對小型側(cè)翼折展式林果收集裝置關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)分析，對收集裝置整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并對收集裝置關(guān)鍵部位——側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。

2）為了實現(xiàn)最大折展比，基于遺傳算法對側(cè)翼折展機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，對桿件的優(yōu)化區(qū)間進(jìn)行了±50 mm的區(qū)間擴(kuò)展，最后得到了主要桿件尺寸的最優(yōu)解為：lAB=277.88 mm，lAD= 661.64 mm，lPE= 306.58 mm。

3）對機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行簡化，通過ADAMS仿真計算，得到單個半圓三分型機(jī)構(gòu)在折展過程中的最大驅(qū)動力矩為2.4 N·m，并以此為依據(jù)來選用合適電機(jī)。

4）根據(jù)尺寸優(yōu)化與仿真結(jié)果，加工試驗樣機(jī)，對比折展機(jī)構(gòu)末端的仿真軌跡與樣機(jī)實際運(yùn)動軌跡，軌跡基本吻合；進(jìn)行野外采收試驗，得到小型側(cè)翼折展式林果收集裝置對于大棗樹和銀杏樹的平均承接率分別為84.68%和66.71%，驗證了此機(jī)構(gòu)設(shè)計的可靠性及該裝置在野外特別是山地地區(qū)的實用價值。

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Design and experiment on small fruit collecting device with flank deployable and foldable mechanisms

Du Xiaoqiang1,2, Li Dangwei1, Wang Dan1, Wu Chuanyu1,2, Lin Lepeng1
(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou310018,China;2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Transplanting Equipment and Technology, Hangzhou310018,China)

Most orchard gardens are distributed in the subtropical and tropic zone, and especially in mountainous and hilly region in China. With the development of science and technology and the increasing cost in labor, the mechanized operation for fruit collection is needed. Existing small fruit collecting devices have bulky and complex structure and need to be equipped with high-power drive, and strict requirement in the tree spacing. In order to adapt to the mechanization collection of small fruit and improve the mechanical collecting device, based on the existing fruit collection equipment at home and abroad, and considering deployable and foldable mechanisms of the equipment, a collecting device with flank deployable and foldable mechanism was introduced in this paper. This collection device mechanism can reduce the bulk in process of moving, adapt in line spacing of the fruit trees, have larger coverage area in unfolding state, and can adjust quickly and effectively in operation to improve collecting efficiency. The collecting device consisted of three parts: flank deployable and foldable mechanism (the core mechanism), lifting mechanism, and mobile clamping mechanism. The displacement and coordinate pointGat the end of the flank deployable and foldable mechanism were calculated by transformation matrix. Then kinematics of the flank deployable and foldable mechanism was analyzed, and the main components of the mechanism were optimized using genetic algorithm (GA) operated in MATLAB. RodAB,AD,PEwere taken as the main optimization variables by comparing the influence of variable rod length on the displacement of pointGand ∠EFG. Given the radius in folding and unfolding, the maximum displacement of pointGduring the unfolding process and the minimum dimension sum of the rods were taken as the optimization objectives. In order to obtain the more preferable rod dimension, the optimization range of the rods was expanded about ±50 mm. And the final optimization range and optimal solution of the main rods dimension were obtained based on the restrictions by iterative calculation at last. The optimal dimensions of the main components werelAB=277.88 mm，lAD=661.64 mm,lPE=306.58 mm. The obtained results were used to modify the 3D model of the flank deployable and foldable mechanism, and the 3D model of this mechanism was imported into the dynamic analysis software ADAMS. From such model, then the motion trajectory of the mechanism was simulated and the dynamic simulation results showed that the driving torque was 2.4 N·m.The motor type was determined based on the results achieved by simulation. Finally, a prototype of the flank deployable and foldable mechanism was manufactured and tested based on the optimal theoretical model, and the trajectory of pointGwas recorded by the Phantom v5.1 high-speed camera. Due to precision and errors of the prototype caused by machining and assembling and errors from camera shooting angle and image processing, there was a slight deviation between trajectory of experiment and virtual simulation, but they were basically consistent, which verified accuracy and reliability on the theoretical design of this collecting device. Experiment results of mechanical harvest using a small fruit collecting device with flank deployable and foldable mechanism demonstrated that this collection device had practical value and this research provides a reference for the improvement of the other collection mechanism.

harvesters; mechanisms; optimization; fruit collection; deployable and foldable mechanism; genetic algorithm;simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.002

S225.93

A

1002-6819(2017)-14-0011-07

杜小強(qiáng)，李黨偉，王 丹，武傳宇，林樂鵬. 小型側(cè)翼折展式林果收集裝置的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(14)：11－17.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.002 http://www.tcsae.org

Du Xiaoqiang, Li Dangwei, Wang Dan, Wu Chuanyu, Lin Lepeng. Design and experiment on small fruit collecting device with flank deployable and foldable mechanisms[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 11－17. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.002 http://www.tcsae.org

2017-02-25

2017-03-30

國家自然科學(xué)基金項目（51475433，51505431）；浙江省高校中青年學(xué)科帶頭人培養(yǎng)項目；浙江理工大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊專項（13020049-Y）；浙江理工大學(xué) 521中青年拔尖人才項目和浙江理工大學(xué)研究生創(chuàng)新研究項目（No.YCX15029）

杜小強(qiáng)，男，福建福清人，教授，博士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)研究。杭州 浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，310018。

Email：xqiangdu@zstu.edu.cn