全閉合切割式采摘器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

郭家偉，黎建軍，韓飛坡，王 佐

（1.馬鞍山學(xué)院，安徽馬鞍山 243100；2中國計(jì)量大學(xué)，杭州 310018）

0 引言

果蔬類，特別是蘋果，因其價(jià)格低、營養(yǎng)豐富，成為人們追求健康飲食的必需品，供應(yīng)量日漸增長。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)表明：截止2019年底，我國蘋果總產(chǎn)量為4 242萬噸，同比增長8.13%［1］。面對不斷增長的蘋果需求量及日益減少的農(nóng)業(yè)勞動力，如何提高蘋果采摘效率，特別是如何經(jīng)濟(jì)高效地解決采摘高處果實(shí)的問題，一直困擾果農(nóng)。眾多高校和科研機(jī)構(gòu)開始研發(fā)果實(shí)采摘機(jī)器人［2-3］，如李彥晶等［4］設(shè)計(jì)了一種便攜式采摘裝置，采用感應(yīng)觸發(fā)電機(jī)驅(qū)動圓鋸片切割果梗，實(shí)現(xiàn)蘋果采摘，雖然可以提高蘋果采摘效率，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且果實(shí)損壞率較高，因此并未得到市場推廣。張陽團(tuán)隊(duì)［5-6］設(shè)計(jì)了一種背負(fù)式蘋果采收一體機(jī)，采用偏心式圓盤刀片作為采摘刀頭，試驗(yàn)表明平均采摘率較高，平均受損率較低，但該一體機(jī)體積較大，移動使用不便。ZHANG等［7］開發(fā)了一種基于運(yùn)動控制的蘋果自動采摘機(jī)，利用軟件控制采摘執(zhí)行器，雖然采摘效率和采摘品質(zhì)均可保證，但運(yùn)營成本較高。

雖然蘋果采摘器已經(jīng)面世多年，但其使用率并不太高，主要有以下2點(diǎn)原因：（1）大多數(shù)采摘器都是有源驅(qū)動，控制系統(tǒng)復(fù)雜，采摘成本過高；（2）采摘機(jī)器人一般是利用視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)蘋果的識別、定位與采摘，但由于識別精度遠(yuǎn)未達(dá)到人眼級別，導(dǎo)致采摘過程中果實(shí)破損率較高。

針對蘋果采摘過程中存在的問題，設(shè)計(jì)一款全閉合切割式蘋果采摘器，通過剪葉的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)果梗切割。

1 蘋果采摘器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 采摘對象物理模型建立

采摘器的采摘對象為蘋果，建立如圖1所示的蘋果形態(tài)特征圖，圖中D為蘋果橫徑，H為蘋果縱徑。

圖1 蘋果形態(tài)特征Fig.1 The morphological characteristics of apple

從水果批發(fā)市場采購3種不同品種的蘋果樣品，每種樣品數(shù)量為50。測量所有樣品的橫徑D和縱徑H，形態(tài)特征測量結(jié)果如表1所示。

表1 形態(tài)特征測量結(jié)果Tab.1 The measurement results of morphological characteristics

經(jīng)調(diào)研并查閱相關(guān)文獻(xiàn)后分析可知，由于蘋果產(chǎn)地、生長環(huán)境及栽培方式不同，個(gè)體間的形態(tài)特征差別較大，但約85%以上的蘋果形態(tài)特征處于平均值附近［8-9］。

1.2 采摘器構(gòu)成

蘋果采摘器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由剪桿、采摘機(jī)構(gòu)、果實(shí)采集機(jī)構(gòu)及基座構(gòu)成。采摘機(jī)構(gòu)安裝在基座面上，果實(shí)采集機(jī)構(gòu)安裝在基座底部，剪桿與采摘機(jī)構(gòu)固定連接。

圖2 采摘器結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of picking device

1.3 采摘器工作原理

采摘作業(yè)開始后，通過調(diào)節(jié)伸縮桿來調(diào)整采摘機(jī)構(gòu)高度；當(dāng)靠近采摘目標(biāo)時(shí)，轉(zhuǎn)動剪桿使采摘機(jī)構(gòu)完全張開并緩慢套入待采摘果實(shí)，然后反向轉(zhuǎn)動剪桿使采摘機(jī)構(gòu)閉合，通過采摘機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)閉合進(jìn)行果梗切割；切割完成后果實(shí)從基座下方的開口進(jìn)入由柔性網(wǎng)筒搭接而成的果實(shí)采集機(jī)構(gòu)內(nèi)，完成果實(shí)收集。

2 采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 采摘機(jī)構(gòu)組成

采摘機(jī)構(gòu)由5組相同的曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成?；瑝K、連桿、剪葉及驅(qū)動環(huán)構(gòu)成一組曲柄連桿機(jī)構(gòu)。其中固定套用于固定剪葉，剪葉可繞固定套旋轉(zhuǎn)，剪葉通過鉸接螺栓與連桿相連，滑塊與連桿通過活動鉸鏈連接，剪桿與驅(qū)動環(huán)固結(jié)，工作過程如圖3所示。當(dāng)采摘機(jī)構(gòu)處于完全張開（呈封閉圓環(huán)狀態(tài)）時(shí)套入蘋果，然后轉(zhuǎn)動剪桿使5片剪葉旋轉(zhuǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)果梗切割，完成采摘作業(yè)。

圖3 采摘機(jī)構(gòu)工作過程Fig.3 The working process of picking mechanism

2.2 采摘機(jī)構(gòu)功能尺寸設(shè)計(jì)

采摘機(jī)構(gòu)功能尺寸決定采摘效率及果實(shí)損壞率，因此需對采摘機(jī)構(gòu)功能尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。圖4為運(yùn)動功能尺寸圖，圖中位置OBC表示剪葉完全張開狀態(tài)，位置O1B1C1表示完全閉合狀態(tài)，E為固定套中心點(diǎn)，OBC可繞E點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至O1B1C1。根據(jù)蘋果樣品形態(tài)特征測量結(jié)果可知，采摘對象橫徑比縱徑大，且橫徑最大值為98 mm。為防止損壞果實(shí)，將完全張開后的內(nèi)孔直徑d設(shè)為120 mm，且為防止損壞其他果實(shí)，剪葉轉(zhuǎn)動的極限位置應(yīng)是B點(diǎn)與驅(qū)動環(huán)外徑相切處。

圖4 運(yùn)動功能尺寸Fig.4 The functional size of motion

由內(nèi)孔直徑d可計(jì)算出弧SOC長度及其所對應(yīng)的圓心角α和弦LOC長度：

由采摘機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析可知，弧SOC、弧SO1C1、弧SOB及弧SO1B1完全相等，且圓心角α等于圓心角θ，可知：

根據(jù)弦長公式可得：

在△BCO中運(yùn)用余弦定理：

由式（4）計(jì)算可得：∠BCO=54°。

同理在△OCO1中：

由式（5）計(jì)算可得：∠OCO1=54°。

則∠BCO1=∠BCO+∠OCO1=108°。

在△BCO1中運(yùn)用余弦定理：

由式（6）計(jì)算可得：LO1B=116.4 mm。

可知驅(qū)動環(huán)外徑d2=2LO1B=232.8 mm，表明采摘機(jī)構(gòu)最大工作面積為0.043 m2?？紤]強(qiáng)度要求，將滑塊直徑設(shè)為98 mm，即驅(qū)動環(huán)內(nèi)徑d3=192.8 mm?？紤]固定套及鉸接螺栓的安裝要求，在弦BC兩端預(yù)留安裝位置D和E，且設(shè)LB1D=LEC1=a。由于E為旋轉(zhuǎn)中心，在ΔECO1中可列出方程組：

解方程組（7）可得：β=55°，a=11.5 mm。表明剪葉由位置OBC旋轉(zhuǎn)55°至位置O1B1C1處，預(yù)留位置滿足安裝要求。

桿LDE、LA1A長度計(jì)算式：

2.3 采摘機(jī)構(gòu)傳動性能分析

完成采摘作業(yè)的前提是采摘機(jī)構(gòu)傳動性能滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》［10］，四連桿機(jī)構(gòu)最小傳動角γmin≥40°。采摘機(jī)構(gòu)最小傳動角位于OBC處，如圖5所示。

圖5 最小傳動角Fig.5 The minimum transmission angle

由LOA=106.4 mm及LA1A=55.4 mm可計(jì)算出弧SAA1所對應(yīng)的圓心角φ：

在△O1CA1中運(yùn)用余弦定理：

由式（11）計(jì)算可得：λ=32°。

傳動角計(jì)算式：

代入λ=32°，可得采摘機(jī)構(gòu)最小傳動角γ=43°，滿足傳動性能要求。

2.4 采摘機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析

運(yùn)用ADAMS動力學(xué)軟件對采摘機(jī)構(gòu)閉合進(jìn)行仿真分析［11-12］。在不影響計(jì)算精度的情況下，將采摘機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，建立如圖6所示的運(yùn)動仿真模型，圖中O為基座質(zhì)心點(diǎn)。根據(jù)仿真結(jié)果繪制剪葉弧上邊緣點(diǎn) O1、O2、O3、O4、O5運(yùn)動軌跡。

圖6 運(yùn)動仿真模型Fig.6 The motion simulation model

圖7所示為剪葉邊緣點(diǎn)運(yùn)動軌跡曲線?？芍? 個(gè)剪葉的邊緣點(diǎn) O1、O2、O3、O4、O5由初始位置（呈封閉圓狀態(tài)時(shí)）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動至基座質(zhì)心點(diǎn)處，表明采摘機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)完全閉合，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 邊緣點(diǎn)運(yùn)動軌跡曲線Fig.7 The motion trajectory curve of edge point

3 采摘試驗(yàn)

3.1 采摘對比

選定安徽碭山某一蘋果種植基地進(jìn)行采摘試驗(yàn)。試驗(yàn)選取同一品種、平均高度為1.8 m的成熟期蘋果。將熟練度基本相同的采摘工人分成2組，一組采用手工采摘（高處可以借助人字梯），另外一組手持采摘器。規(guī)定采摘時(shí)間為10 min，2組分別沿著果樹由下向上采摘。記錄每分鐘內(nèi)每組的采摘數(shù)目，對比如表2所示。

表2 蘋果采摘數(shù)目對比Tab.2 The comparison of the number of apples picked

3.2 結(jié)果分析

采摘試驗(yàn)結(jié)果表明：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，手工組蘋果采摘總數(shù)目為67個(gè)，平均每分鐘采摘6.7個(gè)；采摘器組蘋果采摘總數(shù)目為100個(gè)，平均每分鐘采摘10個(gè)，采摘器組的采摘效率明顯高于手工組。

由于2組樣本量大小相等，故采用t檢驗(yàn)分析2組蘋果采摘的結(jié)果是否具有差異性。如果t值超過臨界值，則可以判定2組蘋果采摘結(jié)果有顯著差異［13-14］。

首先建立虛無假設(shè)H0:μ1=μ2，即先假定2個(gè)總體平均數(shù)之間沒有顯著差異；然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)量t值評判2組樣本平均數(shù)之間的差異程度，t值計(jì)算式如下。

式中，n1、n2分別為手工組和采摘器組樣本容量，n1=10，n2=10分別為手工組和采摘器組采摘數(shù)目的算術(shù)平均值。

以α=0.05為顯著性水平，自由度df=n1+n2-2=18，查 t值表可知：臨界值 t（18）0.05=2.101。若t＜2.101，假設(shè)H0成立，即2個(gè)總體平均數(shù)之間沒有顯著性差異；否則2個(gè)總體平均數(shù)之間有顯著性差異。

由式（13）計(jì)算可得t值為2.57，由于t＞2.101，表明手工組和采摘器組采摘結(jié)果之間有顯著性差異。

分析原因可知，在采摘高處果實(shí)時(shí)，手工組需要頻繁移動及攀爬人字梯，這無疑增加了采摘時(shí)間，并且隨著采摘時(shí)間的推移，體力消耗會進(jìn)一步增大，采摘效率會急劇下降，而采摘器組則可以保持較高的采摘效率。

4 結(jié)語

（1）通過采摘機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)閉合運(yùn)動可以實(shí)現(xiàn)果梗的切割，所設(shè)計(jì)的采摘器可以高效率的完成對不同高度蘋果的采摘作業(yè)。

（2）手工組和采摘器組采摘結(jié)果之間有顯著差異，采摘器的采摘效率為每分鐘10個(gè)，明顯高于手工組的每分鐘6.7個(gè)，且采摘器的采摘效率比較穩(wěn)定，體力消耗均勻。

（3）影響蘋果采摘試驗(yàn)結(jié)果的因素較多，要獲取更加可靠的結(jié)論，還需要進(jìn)一步擴(kuò)大采摘試驗(yàn)樣本，這也是今后研究的重點(diǎn)。