推剪式櫻桃采摘器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

余傳佩，Ampazidis Yiannis

(1. 九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西九江，332007； 2. 佛羅里大學(xué)IFAS，美國(guó)佛羅里達(dá)，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(guó)、智利和中國(guó)等。新鮮櫻桃的收獲窗期很短，通常只有1～2周時(shí)間，而且果實(shí)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(dòng)密集的作業(yè)。在美國(guó)，隨著市場(chǎng)上的熟練工人數(shù)量不斷減少，勞動(dòng)力成本不斷增加[3-5]，這使得勞動(dòng)力成本占新鮮櫻桃生產(chǎn)費(fèi)用的50%～60%[3-5]。在我國(guó)，隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少，勞動(dòng)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(jī)械化程度較高的櫻桃采收機(jī)械，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景[3-4, 7]。

從1960年開始，新鮮櫻桃的機(jī)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(dòng)式收割機(jī)，用于采摘傳統(tǒng)形式果園的甜櫻桃，可實(shí)現(xiàn)對(duì)果園里80%～90%的櫻桃機(jī)械化采摘，但是該收割機(jī)會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)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(jī)械化收割機(jī)，通過敲擊樹枝的方式來收獲新鮮櫻桃果實(shí)。然而機(jī)械成本較高，不能實(shí)現(xiàn)選擇性采摘，且只能采摘特定樹型上的櫻桃，并會(huì)造成一些嚴(yán)重的樹皮和果實(shí)的損傷[9]。Tanigaki等[10]開發(fā)了一種機(jī)器人收獲系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別櫻桃果實(shí)，通過機(jī)器手夾住果實(shí)后拉斷果柄的方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)采摘。試驗(yàn)結(jié)果表明，果實(shí)識(shí)別率低，采摘效率不高，且不能保證帶柄采摘，容易碰傷果實(shí)。Zhou等[7]開發(fā)了一種手持振動(dòng)式櫻桃采摘輔助裝置，采取抓住樹枝并振動(dòng)，從而利用慣性力晃斷果柄，實(shí)現(xiàn)櫻桃的采摘。結(jié)果表明，對(duì)果梗脆落、樹冠較小和果實(shí)較大的櫻桃收獲率較高。但是從時(shí)間分布研究表明，震動(dòng)時(shí)間不到整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的30%，而50%以上的時(shí)間花在振動(dòng)系統(tǒng)的移動(dòng)定位上。另外，不能保證帶柄采摘，也不能實(shí)現(xiàn)選擇性采摘，櫻桃碰傷率依然明顯[11]。

針對(duì)以上問題，本文仿照理發(fā)的原理，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)櫻桃的快速帶柄采摘。

1 采摘器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本推剪式櫻桃采摘器由果柄推剪器、姿態(tài)調(diào)整機(jī)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(shí)，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(dòng)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(shí)，果實(shí)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(shí)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(shí)。

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(jī)、偏心軸、十字滑塊、動(dòng)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(dòng)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(dòng)刀片

果柄推剪器采用雙滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，其工作原理如圖5所示，電機(jī)帶動(dòng)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心軸帶動(dòng)十字滑塊往復(fù)移動(dòng)，從而帶動(dòng)固定在十字滑塊上的動(dòng)刀片進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)，往復(fù)移動(dòng)的動(dòng)刀片與靜刀片一起實(shí)現(xiàn)剪切運(yùn)動(dòng)，剪切櫻桃果柄。

動(dòng)刀片固定在十字滑塊上，根據(jù)圖5可得

S=R·cosα

(1)

式中：S——?jiǎng)拥镀奈灰?，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——?jiǎng)拥镀男谐?，mm。

當(dāng)R=1.75 mm時(shí)，由式(2)可得動(dòng)刀片的行程H=3.5 mm。

電機(jī)選用FF180微型直流電機(jī)，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(jī)構(gòu)的位置示意圖

1.2 姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)

為了采摘樹枝上不同生長(zhǎng)姿態(tài)的櫻桃果實(shí)，該裝置設(shè)計(jì)了果柄推剪器的空中姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由兩套舵機(jī)和對(duì)應(yīng)支架組成，分別實(shí)現(xiàn)刀具俯仰角度、側(cè)傾角度兩個(gè)自由度的調(diào)節(jié)。舵機(jī)選擇幻爾LD-1501MG數(shù)字舵機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)自由度，本裝置可以實(shí)現(xiàn)全部6個(gè)自由的調(diào)節(jié)，從而可以實(shí)現(xiàn)全方位、全姿態(tài)的果實(shí)采摘。

1.3 收集裝置

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

1.4 伸縮桿

作為經(jīng)濟(jì)作物的櫻桃，由于頂端優(yōu)勢(shì)，果農(nóng)通常限制其生長(zhǎng)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(shè)計(jì)長(zhǎng)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(qiáng)度好，質(zhì)量小。完全收縮狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)度為65 cm，完全伸長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)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(zhǎng)度，可以方便地采摘3.5 m內(nèi)任意高度的櫻桃。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)操作方便，固定鎖緊裝置采用偏心卡扣設(shè)計(jì)。

1.5 控制電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)推剪器電機(jī)和姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的控制，主控電路設(shè)計(jì)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(duì)控制電路的保護(hù)，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(guān)、電機(jī)開關(guān)以及姿態(tài)操控旋鈕均布置在手柄上。在采摘水果時(shí)，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(guān)和電機(jī)開關(guān)，同時(shí)還可以利用大拇指和食指操控舵機(jī)調(diào)節(jié)旋鈕?？傊瑔问旨纯赏瓿蓪?duì)櫻桃推剪器電機(jī)、采摘姿態(tài)和電源的操控，簡(jiǎn)單方便。

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

本文在實(shí)際的果柄剪切過程中發(fā)現(xiàn)，靜刀片齒距、動(dòng)刀片齒距、電機(jī)轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀片行程等參數(shù)會(huì)影響櫻桃果柄的剪切效率和質(zhì)量。為此，本文從水果市場(chǎng)購(gòu)買了多批新鮮帶柄櫻桃，采用控制變量法，進(jìn)行果柄剪切對(duì)比試驗(yàn)。通過對(duì)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(jìn)行了櫻桃果柄直徑的測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

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

根據(jù)表1的測(cè)量統(tǒng)計(jì)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(shè)定為3.5 mm。

2.2 動(dòng)刀片齒距

在確定了靜刀片齒距后，通過實(shí)際的剪切對(duì)比試驗(yàn)方法，探索動(dòng)刀片的齒距。本文設(shè)計(jì)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(dòng)刀片進(jìn)行剪切對(duì)比試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室中，本文預(yù)先設(shè)定動(dòng)刀片行程為3 mm，電機(jī)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(shí)間內(nèi)成功剪切櫻桃果柄的數(shù)量與試驗(yàn)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(duì)各種不同齒距的動(dòng)刀片進(jìn)行果柄的剪切試驗(yàn)，記錄并繪制動(dòng)刀片齒距與剪切效率的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8 動(dòng)刀片齒距與剪切效率關(guān)系

從圖8可以看出，動(dòng)刀片齒距在3.0 mm時(shí)，剪切效率最高。同時(shí)，本文通過觀察不同齒距剪切櫻桃果柄的斷面，發(fā)現(xiàn)當(dāng)動(dòng)刀片齒距為1 mm左右時(shí)，斷面多毛刺，果柄是鋸斷；當(dāng)動(dòng)刀片齒距為3 mm附近時(shí)，果柄多為一次性剪斷，而當(dāng)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(dòng)刀片齒距為3 mm。

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速

在靜刀片齒距和動(dòng)刀片齒距分別確定后，本文通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，來探索不同電機(jī)轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)剪切頻率)對(duì)果柄剪切效果的影響，同理采用控制變量的方法，其中動(dòng)刀片行程預(yù)設(shè)為3.0 mm。

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

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速與剪切效率關(guān)系

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

2.4 動(dòng)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(jìn)行了不同動(dòng)刀片行程的果柄剪切試驗(yàn)。按照動(dòng)刀片行程分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 mm，進(jìn)行分組果柄剪切試驗(yàn)，觀察并記錄下剪切效果，結(jié)果如圖10所示。

圖10 動(dòng)刀片行程與剪切效率關(guān)系圖

從圖10可以看出，動(dòng)刀片行程為3.5 mm時(shí)果柄的剪切效率最高。另外，在觀察了不同運(yùn)動(dòng)行程下剪切櫻桃果柄的斷面，本文還發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(yàn)表明靜刀片齒距、動(dòng)刀片齒距、電機(jī)轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)行程4個(gè)參數(shù)顯著影響櫻桃果柄剪切效率?；谝陨显囼?yàn)結(jié)果，本文得到了最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，靜刀片齒距為3.5 mm，動(dòng)刀片齒距為3.0 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，動(dòng)刀片行程為3.5 mm。

同時(shí)，上述試驗(yàn)還表明動(dòng)刀片齒距、電機(jī)轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀片行程的改變會(huì)影響果柄的剪切方式，行程減小、頻率增大，動(dòng)刀片齒距減小都會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)使“剪斷”方式作為主要方式，當(dāng)果柄不能很好地剪切時(shí)，仍能通過“鋸斷”的方式采摘。

3 采摘試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)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(jìn)行了實(shí)地采摘試驗(yàn)。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(yàn)設(shè)備及儀器包含米尺、秒表、電子秤和紙筆等。

3.2 試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)時(shí)，采摘人員使用本采摘器輔助采摘，分別隨機(jī)選定不同果樹進(jìn)行5次采摘[13-14]，每次采摘時(shí)間為30 min。試驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)采摘的總數(shù)，對(duì)收獲的櫻桃總數(shù)、帶柄合格率、果實(shí)損傷率分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

櫻桃采摘必須符合以下兩點(diǎn)要求：(1)為了保存和食用方便，新鮮櫻桃果實(shí)采摘必須帶柄采摘，本文規(guī)定采摘的果柄長(zhǎng)度不少于果柄原長(zhǎng)的50%為帶柄合格采摘。(2)不能碰傷櫻桃果實(shí)，同時(shí)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(jì)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(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)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(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)危險(xiǎn)性，而且能實(shí)現(xiàn)櫻桃的帶柄采摘要求，同時(shí)還幾乎不會(huì)碰傷櫻桃樹木和果實(shí)。

表2 采摘試驗(yàn)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(shí)收集功能，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位全姿態(tài)櫻桃果實(shí)的采摘。

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

3) 果園試驗(yàn)結(jié)果表明，使用該裝置輔助人工采摘櫻桃，平均半小時(shí)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(shí)現(xiàn)了快速高效帶柄的采摘櫻桃，并且不碰傷櫻桃果實(shí)及果樹，具有較好的參考應(yīng)用價(jià)值。