便攜式高效水果采摘裝置設(shè)計與仿真

林潘忠，郎文昌，孫蓓蓓

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學院機械工程系，浙江 溫州 325035；2.東南大學機械工程學院，江蘇 南京 211189）

1 引言

水果采摘是水果生產(chǎn)過程中勞動量最大的一個環(huán)節(jié)[1]，除了掛于低處的水果可直接采摘外，對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式的采摘方式采摘，然而對絕大部分水果如采用振動式采摘方式易使果實果柄損傷，果品質(zhì)量差[2]，所以設(shè)計一種操作方便、采摘效率高的高空摘果工具是非常具有現(xiàn)實意義的。

目前國內(nèi)外學者對水果采摘進行了大量的研究，各種水果采摘裝置[3-5]相繼問世，而研究方向主要可以分為電動式和機械式兩大類。

文獻[5]基于欠驅(qū)動原理設(shè)計了一種帶肌腱驅(qū)動的末端執(zhí)行器，實現(xiàn)水果機械采摘的形狀適應(yīng)性和平穩(wěn)抓??；文獻[6]設(shè)計了一種便攜電動式水果采摘機，該設(shè)備可以利用控制手柄調(diào)整切割刀的位置，并聯(lián)動開啟切割電動機切斷果柄完成采摘。

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

然而由于水果生長時形態(tài)各異，生長方向不同，有些豎直生長，有些是橫放著搭在其他枝條上，有些是斜向生長的，而目前常見的幾種采摘機械仍存在通用性不強、操作復雜、易損傷果實等缺點，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，導致水果采摘機械化難以實現(xiàn)。這里結(jié)合果農(nóng)的采摘方式和果實的生長特點，設(shè)計了一種定位簡單、操作方便、通用性極強且效率高的純機械式高效水果采摘裝置。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

圖1 環(huán)形剪切機構(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)計思路，如圖2所示。通過“一套”、“二剪”兩步可輕松實現(xiàn)采果。使用時把采摘頭深向果實，利導向凹口設(shè)計，果柄順利滑入剪切口，由于環(huán)形口上布置有7 把剪刀，因此無論果實生長方向如何，定位十分方便。當桔子果柄落入剪切口時，按下把手，經(jīng)過反向擺桿滑塊機構(gòu)傳力，帶動旋轉(zhuǎn)刀片剪切果柄。

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

果實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)形剪切機構(gòu)

剪切機構(gòu)是水果采摘裝置最主要的部分，是實現(xiàn)采果動作的關(guān)鍵所在。目前常見的剪切形式主要包括電動式、切割式、夾持式等類型[9]。本次設(shè)計采用機械切割式的方法，通過反向擺桿滑塊機構(gòu)帶動環(huán)形剪切機構(gòu)切斷果柄，使用者可以在遠程控制摘果。

2.1.1 反向擺桿滑塊機構(gòu)

反向擺桿滑塊機構(gòu)，如圖1所示。主要由滑動桿件、連桿、擺桿、組合機架組成。當使用者按下把手時，力通過滑動桿件進行傳遞，使得滑動桿件拉動連桿進行運動，連桿從而帶動拉圈（擺桿）進行轉(zhuǎn)動。

2.1.2 剪切結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，擺桿滑塊機構(gòu)帶動鉸接螺釘軸繞內(nèi)圈中心轉(zhuǎn)動，從而帶動拉圈在一定角度的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)多把旋轉(zhuǎn)刀片聯(lián)動剪切和復位，無論果柄落入哪一個剪切口均可實現(xiàn)采摘。

2.1.3 刀片限位與導向弧口

刀片在運動過程中，刀片下部的圓形施力把柄始終在拉圈凹槽內(nèi)擺動，當固定座與拉圈處在右極限接觸時，刀片完全隱藏避免劃傷果實，如圖4（a）所示；當固定座與拉圈處于左極限接觸時，刀片實現(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

為方便果實定位，將剪切口外邊設(shè)計導向弧口，使果實能順利滑入剪切口；同時還設(shè)計有防脫離口，果柄進入弧口后可防止果實滑出，如圖5所示。

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

2.2 伸縮機構(gòu)和果實收集裝置

伸縮機構(gòu)主要由內(nèi)空心桿、外空心桿件、滑塊拉動及鎖點定位桿件、節(jié)點鎖扣件等組成，如圖6所示。

圖6 伸縮機構(gòu)Fig.6 Telescopic Mechanism

使用者拉長伸縮桿到合適位置，通過彈簧自動鎖扣扣在合適長度的節(jié)點上完成伸縮。

一般果樹的高度基本在（2～5）m之間[10]，當需要改變長度時，按下節(jié)點鎖扣件上的按鈕，拉動內(nèi)空心桿就能再次改變長度。

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)計使得果實在下落過程中進行緩沖，損耗大部分機械能，避免損傷果實。

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

3 力學分析與擺桿滑塊行程計算

3.1 伸縮桿彎曲變形分析

由于伸縮桿直徑小、長度大，且需要承受環(huán)形剪切機構(gòu)的自重和果實重量，因此容易發(fā)生彎曲變形，有必要對其變形量進行分析計算。伸縮桿采用6061鋁合金材料，在工作的時候可簡化為懸臂梁，簡圖，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：

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

3.2 環(huán)形剪切機構(gòu)擺桿初始角與滑塊行程分析

為計算反向擺桿滑塊各構(gòu)件參數(shù)及對相關(guān)參數(shù)進行最優(yōu)化設(shè)計，初定擺桿長a=78.25mm（已知參數(shù)），滑塊初始位置c1=107.06mm（由采摘頭轉(zhuǎn)動座等尺寸確定，為已知參數(shù)），其機構(gòu)運動簡圖，如圖9所示。

圖9 反向擺桿滑塊機構(gòu)運動簡圖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（見圖3）的位置及連桿長度。

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°，此時剪切力臂比為0.75，滑塊行程14.3mm，連桿長度為93.8mm。

3.3 剪切機構(gòu)的力學分析與強度校核

為了保證實際需求時，剪切機構(gòu)的強度能完全滿足要求，采用ANSYS軟件對剪切機構(gòu)整個裝配體進行了靜力學分析。這里利用SolidWorks軟件對采摘裝置的剪切機構(gòu)進行幾何建模，然后導入HyperMesh中劃分網(wǎng)格，建立有限元模型，最后在ANSYS中進行分析計算，剪刀材料為W18Cr4V。

在計算過程中，為提高計算效率，我們對模型進行一定的簡化處理，忽略了過渡圓角、倒角等對應(yīng)力影響較小的細小特征，力學分析簡化后的模型，如圖11所示。

圖11 簡化后的力學分析模型Fig.11 Mechanical Analysis Model After Simplification

為減少計算時間，我們對極限位置兩把剪刀（距離施力點最近的1號和最遠的5號兩把剪刀）進行了分析。

（1）1號刀位（距離施力點最近）

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

1號刀位在剪切時的等效應(yīng)力云圖，如圖12所示。

圖12 1號刀位剪切力學分析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，是與實際相符合的，剪切口處最大應(yīng)力遠小于材料的最大許用應(yīng)力。

（2）5號刀位（距離施力點最遠）

5號刀位剪切口受力情況，如圖13所示。其最大應(yīng)力也符合材料強度要求。通過對剪切機構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力情況進行有限元分析，可以在設(shè)計階段對本裝置的結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)優(yōu)化，確保剪切機構(gòu)的可靠性與安全性。

圖13 5號刀位剪切力學分析Fig.13 Mechanical Analysis of Cutting No.5 Blade

4 實驗驗證

為了驗證裝置的可靠性，在理論分析與計算的基礎(chǔ)上，設(shè)計制作了水果采摘裝置實物，并對所制作的實物樣機進行現(xiàn)場實驗。

為驗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采摘，對采摘效果進行比較。

我們選擇了兩棵高度和果實密度相近的果樹，實驗組由一人操作實驗裝置，對照組由果農(nóng)利用剪刀采摘，并配有梯子。

本次實驗采摘單棵果樹，以單位時間內(nèi)采果數(shù)量和完成整棵果樹采摘所需時間作為參考依據(jù)，并且實時記錄兩組的采摘情況，結(jié)果，如表1所示。通過分析相關(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 個柑橘，平均速度約為18 個/min；而傳統(tǒng)人工采摘完成整棵果樹共41個柑橘，用時需5分鐘左右，平均速度約為8.2個/min。本采摘裝置的主要優(yōu)勢在于省力快捷，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傳遞的過程，整個采摘過程輕松不費力。

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

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

圖15 采果效率對比Fig.15 Contrast of Fruit Picking Efficiency

通過多次試驗，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、傳果等輔助時間，在高處采果時效率明顯較低，而且可以預見隨著勞動強度和勞動時間的增加，采摘效率將進一步降低。

5 結(jié)語

（1）設(shè)計了一種基于反向擺桿滑塊傳導機構(gòu)的高效水果采摘裝置，以倒擺桿滑塊作為力的傳導機構(gòu)，推動多把環(huán)形放置的剪刀進行剪切，實現(xiàn)水果快速定位采摘；

（2）對水果采摘裝置的伸縮桿進行力學分析，并用ANSYS軟件對剪切機構(gòu)進行了靜力學分析和Matlab軟件對擺桿滑塊行程參數(shù)進行最優(yōu)化設(shè)計，確保各項設(shè)計可靠合理；

（3）根據(jù)理論計算設(shè)計制作了水果采摘裝置樣機，并與采摘人員進行采摘效率比較，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)計的高效水果采摘裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低等優(yōu)點，可實現(xiàn)多種水果的快速采摘，為水果采摘裝置的設(shè)計與發(fā)展提供了一種新的思路和參考價值。