落地林果收獲機(jī)器人設(shè)計(jì)

鄭東臣，宋欣，冀鵬飛，陳娟娟，馬磊，鄭志偉

落地林果收獲機(jī)器人設(shè)計(jì)

鄭東臣1a，宋欣1a，通信作者，冀鵬飛1a，陳娟娟1a，馬磊2，鄭志偉1b

（1. 天津農(nóng)學(xué)院 a. 工程技術(shù)學(xué)院，b. 水利工程學(xué)院，天津 300392；2. 約翰迪爾（天津）有限公司，天津 300457）

針對(duì)當(dāng)前我國在林果收獲作業(yè)中存在的機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低和人工成本高等問題，提出設(shè)計(jì)一種落地林果收獲機(jī)器人。該機(jī)器人主要由撿拾器、輸送機(jī)構(gòu)、水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、集果器、太陽能供電裝置和自走式移動(dòng)底盤組成，能夠?qū)崿F(xiàn)核桃、栗子、大棗等落地林果的自動(dòng)撿拾、清雜和收集功能，能夠自主適應(yīng)果園的地形條件，作業(yè)靈活，操作簡(jiǎn)單。經(jīng)過物理樣機(jī)性能測(cè)試表明具有較高的撿拾效率和撿拾成功率。

落地林果；收獲機(jī)器人；撿拾器；水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)；集果器

近年來，我國各類林果栽植面積一直迅猛增加，林果產(chǎn)業(yè)已成為我國種植業(yè)中位列糧食、蔬菜之后的第三大產(chǎn)業(yè)。林果收獲作為果園生產(chǎn)全過程中的重要環(huán)節(jié)，具有季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)密集等特點(diǎn)，所用勞動(dòng)力數(shù)量約占整個(gè)生產(chǎn)過程的35%～45%[1]。常見的林果收獲方式主要有樹上果品一次性聯(lián)合收獲和樹上果品搖落—集果—撿拾的分段收獲。由于我國果園種植密度大，果園地表情況復(fù)雜多樣，大型林果收獲機(jī)和接果裝置無法在果園靈活作業(yè)，所以分段收獲方式更加適合于我國的果園收獲作業(yè)[2]。但是，我國林果收獲作業(yè)機(jī)械化程度較低，特別是撿拾環(huán)節(jié)主要還是依靠人工完成，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低和人力成本費(fèi)用高等問題，嚴(yán)重制約了我國林果產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。因此，對(duì)于林果自動(dòng)化收獲機(jī)械的需求也日益緊迫。

早在二十世紀(jì)五六十年代，國外學(xué)者就對(duì)林果收獲機(jī)械進(jìn)行了研究，如SEMEK自走式榛子收獲機(jī)[1]、CROFT發(fā)明的自走式山核桃收獲機(jī)[3]等。但是，這些國外設(shè)備一般體型較大，作業(yè)不靈活，與我國的果園條件和林果收獲方式無法相適應(yīng)。近年來，我國也開展了相關(guān)研究，如石河子大學(xué)研制的4ZZ-2Y型紅棗收獲機(jī)[4]，通過裝在旋轉(zhuǎn)軸上的樹脂片對(duì)落地紅棗實(shí)現(xiàn)集條，利用入土的彎形鋼齒進(jìn)行撿拾。由于樹脂片安裝缺少自由度，彎形鋼齒不具備仿形功能，因此作業(yè)效果欠佳。馮冰等發(fā)明了一種具有毛刷聚攏和抖動(dòng)式拾果功能林果收獲機(jī)[5]，但該設(shè)備容易掃入樹葉樹枝等雜物，存在輸送堵塞或卡絆，后續(xù)分揀困難等問題。此外，石河子大學(xué)還研制了一種氣吸式紅棗收獲機(jī)[6]，在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)吸入雜物堵塞管道，氣流致使地面塵土揚(yáng)起導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境惡劣，需要人工扶持，撿拾效率低等問題。

針對(duì)上述現(xiàn)有林果收獲機(jī)械存在的問題及我國林果產(chǎn)業(yè)對(duì)收獲機(jī)械的實(shí)際需求，本研究提出一種集撿拾、清雜和收集功能于一體的落地林果自動(dòng)化收獲機(jī)器人，適用于我國小型果園的地形條件，可提高林果收獲的作業(yè)效率和質(zhì)量，降低林果收獲的人工成本。

1 研究方案

1.1 工作原理

落地林果收獲機(jī)器人，主要由撿拾器、輸送機(jī)構(gòu)、水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、集果器、太陽能供電裝置和自走式移動(dòng)底盤組成，如圖1所示。收獲作業(yè)時(shí)，機(jī)器人自主移動(dòng)，與地面接觸的撿拾器通過自轉(zhuǎn)進(jìn)行果實(shí)的撿拾，同時(shí)該撿拾器在水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，在地面上往復(fù)滾動(dòng)，增強(qiáng)撿拾效果。當(dāng)該撿拾器充滿后，雙鏈條輸送機(jī)構(gòu)開始工作，撿拾器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使得第2個(gè)撿拾器到達(dá)地面位置開始撿拾工作，在這一過程中，水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)持續(xù)工作，一方面帶動(dòng)撿拾器往復(fù)滾動(dòng)，另一方面可以讓前一個(gè)撿拾器在擺動(dòng)過程中進(jìn)行清雜。當(dāng)?shù)?個(gè)撿拾器充滿后，繼續(xù)順時(shí)針輸送，使第3個(gè)撿拾器到達(dá)工作位置，同時(shí)第一個(gè)撿拾器達(dá)到集果器上方中間位置，停止輸送，撿拾器在集果器表面凸起的作用下，相鄰彈簧絲被撐開，收集到的果實(shí)開始掉落到集果器中。此時(shí)，啟動(dòng)水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，加速果實(shí)的掉落，當(dāng)撿拾器中果實(shí)完全掉落至集果器后，便完成了一次完整的撿拾集果過程。如此循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)落地林果的自動(dòng)連續(xù)撿拾和收集。

圖1 落地林果收獲機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

注：1. 太陽能板；2. 撿拾器；3. 集果器；4. 自走式移動(dòng)底盤；5. 水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)；6. 輸送機(jī)構(gòu)

1.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 自走式移動(dòng)底盤

由于果園地面條件復(fù)雜多樣，移動(dòng)底盤需要具備一定的地形適應(yīng)性和穩(wěn)定性。因此，機(jī)器人自走式移動(dòng)底盤采用了越野輪四輪驅(qū)動(dòng)和減震底盤的設(shè)計(jì)方案。底盤轉(zhuǎn)向通過調(diào)整兩側(cè)輪子驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，可達(dá)到較小的轉(zhuǎn)彎半徑，滿足小型果園的作業(yè)需求。移動(dòng)底盤主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 移動(dòng)底盤主要設(shè)計(jì)參數(shù)

移動(dòng)底盤在行進(jìn)過程中要克服的阻力主要有：滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速度阻力，這些阻力均由驅(qū)動(dòng)力來克服。

（1）滾動(dòng)阻力F

滾動(dòng)阻力在底盤行進(jìn)過程中，主要由車輪軸承阻力和車輪與地面間的滾動(dòng)摩擦阻力組成，其數(shù)值為13.16 N。滾動(dòng)阻力計(jì)算如表2所示。

表2 滾動(dòng)阻力計(jì)算 N

其中，——車輪與地面間的壓力，小車自重15 kg，最大載重量為50 kg，因此最大整車重量為65 kg，一般情況下，底盤前行過程中四輪同時(shí)著地，各輪的壓力為＝159.25 N；

——車輪軸直徑，＝22 mm；

——車輪直徑，＝125 mm；

——車輪軸承摩擦因數(shù)，取值0.015；

——車輪承受載荷，＝159.25 N；

——果園地面摩擦阻力系數(shù)，取值0.08。

（2）空氣阻力F

由于移動(dòng)底盤運(yùn)動(dòng)速度較慢，在一般作業(yè)條件下，空氣阻力的影響可忽略不計(jì)。

（3）坡度阻力F

移動(dòng)底盤實(shí)際行進(jìn)的地面并非理想化絕對(duì)平整，而是存在一定的坡度，當(dāng)?shù)妆P行駛到該坡度處時(shí)，重力將產(chǎn)生一個(gè)沿著坡度方向的阻力，這個(gè)阻力即為坡度阻力。

F＝sin＝65×9.8×sin10°＝110.61 N（1）

式中：——底盤滿載總重量；

——最大坡度，＝10°。

（4）加速度阻力F

底盤加速時(shí)，需克服總體質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，這個(gè)慣性力即為加速度阻力。

F＝＝1.04×65×0.5＝33.8 N （2）

式中：——旋轉(zhuǎn)慣量換算系數(shù)，取1.04；——滿載總質(zhì)量；——最大加速度。

綜上可知，移動(dòng)底盤的驅(qū)動(dòng)力F＝F＋F＋F＋F＝157.57 N。

1.2.2 撿拾器

撿拾器為橄欖球狀，如圖2所示，是由彈簧鋼絲和兩端的固定圓盤組成。撿拾作業(yè)時(shí)，機(jī)器人向前行進(jìn)，處于最底部的撿拾器通過與地面的摩擦作用使其產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。同時(shí)，受到地面果實(shí)的擠壓作用，可將與地面接觸的相鄰彈簧鋼絲撐開，使得果實(shí)進(jìn)入到撿拾器內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)撿拾。當(dāng)觸地彈簧絲轉(zhuǎn)離地面時(shí)便可恢復(fù)形變，從而確保收集到的果實(shí)不會(huì)掉落出去。由于彈簧絲具有彈性和柔韌性，對(duì)果園的地形條件能夠具備一定的仿形功能，可以保證撿拾效果，并且還能夠?qū)?duì)果實(shí)的損傷降到最低。

圖2 撿拾器

（1）彈簧鋼絲的選擇

常用的彈簧鋼絲材料有碳素彈簧鋼、不銹鋼和有色金屬合金。其中，碳素彈簧鋼價(jià)格低廉，經(jīng)熱處理后具有較好的強(qiáng)度和韌性，但是彈性極限低，多次使用后容易失去彈性。不銹鋼材質(zhì)具有良好的硬度、彈性和成型性，且價(jià)格適中。有色金屬材質(zhì)具有耐磨、耐腐蝕和防磁等特性，一般用于有特殊要求的場(chǎng)合。根據(jù)撿拾器使用要求，選用具有一定強(qiáng)度和彈性的304不銹鋼彈簧鋼絲。

由于彈簧鋼絲的直徑會(huì)對(duì)撿拾效果產(chǎn)生很大影響，因此，分別采用直徑為0.8、1.0、1.2、1.5、1.8 mm的5種鋼絲制作了撿拾器，并對(duì)每一種撿拾器的使用效果進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明，如果鋼絲直徑過粗，鋼絲比較硬，需要很大的外力才能使其變形，導(dǎo)致果實(shí)難以壓入，而且也增加了果實(shí)取出的難度。鋼絲直徑過細(xì)，鋼絲會(huì)比較軟，容易變形，會(huì)導(dǎo)致果實(shí)從撿拾器中掉落出來。經(jīng)過多次試驗(yàn)比較，最終確定用直徑1.5 mm的彈簧鋼絲制作撿拾器撿拾效果最佳。

（2）彈簧鋼絲的均布數(shù)量

撿拾器最大直徑為180 mm，沿圓周方向均布彈簧鋼絲的數(shù)量由可撿拾果實(shí)的最小直徑?jīng)Q定。以撿拾果實(shí)的直徑在20～50 mm范圍為例，撿拾器最大直徑處的周長為565.2 mm，彈簧絲沿圓周均布數(shù)量約為28根，但考慮到要保證被撿拾的果實(shí)不易掉出，彈簧鋼絲的實(shí)際數(shù)量確定為30根。

1.2.3 輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)主要用于輸送撿拾器至撿拾位置和集果位置。如圖3所示，輸送機(jī)構(gòu)采用雙鏈條傳送方式，由鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)撿拾器的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。鏈條傳送無彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，工作可靠，效率高；傳遞功率大，過載能力強(qiáng)，相同工況下的傳動(dòng)尺寸??；所需張緊力小，作用于軸上的壓力??；能在高溫、潮濕、多塵、有污染等惡劣環(huán)境中工作。采用雙鏈條傳送可以確保撿拾器的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 輸送機(jī)構(gòu)

（1）鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求

傳動(dòng)比為1，初步擬定鏈速為0.12 m/s（撿拾器工位間切換時(shí)間約為4 s）；鏈輪齒數(shù)選擇要考慮減少多邊形效應(yīng)，傳動(dòng)平穩(wěn)性，動(dòng)荷載及鏈條磨損；鏈傳動(dòng)在保證承載力條件下，結(jié)構(gòu)盡量緊湊。

（2）鏈輪鏈條選型

鏈條：根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，選用短節(jié)距滾子鏈08A-1，滾子直徑7.95 mm，節(jié)距12.7 mm，鏈節(jié)數(shù)151，鏈條長度1917.7 mm；

鏈輪：齒數(shù)22，分度圓直徑89.32 mm，齒頂圓直徑97.19 mm，齒厚7.3 mm，中心孔徑16 mm，中心孔鍵槽寬6 mm，鍵槽深2.8 mm。

1.2.4 水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖4所示，其主要作用是利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的工作原理實(shí)現(xiàn)除移動(dòng)底盤外的其他機(jī)構(gòu)一起做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)主要有3個(gè)作用：

圖4 水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

第一，在不影響底盤行走的前提下，實(shí)現(xiàn)撿拾器對(duì)一定區(qū)域的反復(fù)撿拾，提高撿拾效果；

第二，通過水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)撿拾器運(yùn)動(dòng)，使得里面的果實(shí)可以產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)撿拾器的清雜效果；

第三，能夠加速處于集果位置的撿拾器中果實(shí)落入集果器中，降低果實(shí)之間、果實(shí)與撿拾器鋼絲之間的卡絆。

（1）水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

如圖5所示，設(shè)曲柄長為＝60 mm，連桿長為＝103.85 mm，滑塊運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)極限位置分別是曲柄和滑塊連桿夾角為0°（位置A）和180°（位置B）。位置A處滑塊位移為43.85 mm，位置B處滑塊位移為163.85 mm，由此可知滑塊最大可移動(dòng)距離為120.00 mm。利用Matlab對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，分別得到滑塊位移和速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖5 水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)滑塊極限位置示意圖

圖6 水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

（2）水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型

水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性決定了該機(jī)構(gòu)的使用效果。通過對(duì)水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及根據(jù)物理樣機(jī)的測(cè)試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速＝28 r/min，且往復(fù)擺動(dòng)角度為90°時(shí)，該機(jī)構(gòu)具有良好撿拾和清雜效果。滑塊的移動(dòng)距離約70 mm，往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次的時(shí)間約為2.3 s。考慮到水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載約為60 kg，確定選用型號(hào)為60GA775的低速大扭矩直流減速電機(jī)，其性能參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)性能參數(shù)

1.2.5 集果器

集果器（圖7）位于移動(dòng)底盤的正上方，頂部開矩形槽，槽的兩側(cè)有連續(xù)的弧形凸起，下面設(shè)有抽屜，用于盛放果實(shí)。當(dāng)撿拾器傳送至集果器上方時(shí)，與弧形凸起產(chǎn)生擠壓作用，相鄰彈簧鋼絲被撐開，間隙變大，果實(shí)落入集果器中。

圖7 集果器

2 物理樣機(jī)及性能測(cè)試

落地林果收獲機(jī)器人的物理樣機(jī)如圖8所示，其整機(jī)外形尺寸為長700 mm、寬500 mm、高 710 mm；作業(yè)幅寬200 mm；可撿拾果實(shí)直徑范圍為20～50 mm；機(jī)器人最高行進(jìn)速度為1.256 m/s。

圖8 落地林果收獲機(jī)器人物理樣機(jī)

經(jīng)過性能測(cè)試可知，撿拾作業(yè)行走速度為0.16 m/s時(shí)，撿拾效果最佳；以地面果實(shí)均勻散落密度為37～42個(gè)/m2進(jìn)行多次測(cè)試，平均需要30.8 s完成，撿拾成功率為86%～93%。

3 結(jié)語

落地林果收獲機(jī)器人具備撿拾、清雜和收集功能于一體，可自主作業(yè)，大大降低了林果收獲的人工成本。經(jīng)過物理樣機(jī)性能測(cè)試表明該機(jī)器人操作簡(jiǎn)單，工作可靠靈活，具有較高的撿拾效率，并且能夠最大限度地降低對(duì)果品的損失和漏檢現(xiàn)象。該機(jī)器人的應(yīng)用將有助于提高我國林果收獲作業(yè)的效率和質(zhì)量，縮短林果上市時(shí)間，促進(jìn)我國林果產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。

[1] 周遠(yuǎn)航，坎雜，李成松，等. 落地林果集果撿拾技術(shù)研究及進(jìn)展[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017（1）：256-263.

[2] 阿麗婭·熱依木. 新疆特色林果業(yè)發(fā)展研究[D]. 烏魯木齊：新疆師范大學(xué)，2012.

[3] CROFT J W. Pecan harvesting machine：United：US3597905A [P]. 1974-02-22.

[4] 付威，何榮，曲金麗，等. 自走式矮化密植紅棗收獲機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（4）：106-109.

[5] 馮冰，陳霽，柯望來，等. 一種果實(shí)撿拾裝置及撿拾方法：CN103814695A[P]. 2014-05-28.

[6] 史高昆，馬少輝. 氣吸式紅棗收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2014（2）：25-27.

Design of harvesting robot for falling forest fruits

Zheng Dongchen1a, Song Xin1a,Corresponding Author, Ji Pengfei1a, Chen Juanjuan1a, Ma Lei2, Zheng Zhiwei1b

（1. Tianjin Agricultural University, a. College of Engineering and Technology, b. College of Water Conservancy Engineering, Tianjin 300392, China; 2. John Deere（Tianjin）Co. Ltd, Tianjin 300457, China）

Aiming at the problems of low mechanization degree, high labor intensity, low operation efficiency and high labor cost in forest fruit harvesting in China, the design of the forest fruit harvesting robot was proposed in the paper. The robot is mainly composed of gatherer, conveying mechanism, horizontal swing mechanism, fruit collector, solar-powered device and self-moving mobile chassis, which can realize the functions of automatic picking up, cleaning and collecting of the falling forest fruit such as walnut, chestnut and jujube. It is flexible and easy to operate, and has good adaptability to the topography of orchards. The performance test of the physical prototype shows that it has high collecting efficiency and success rate.

falling forest fruit; harvesting robot; gatherer; horizontal swing mechanism; fruit collector

1008-5394（2020）04-0068-05

10.19640/j.cnki.jtau.2020.04.013

TH122

A

2020-03-24

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910061008）；天津市科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目（18YFZCSF00650）

鄭東臣（1999—），男，本科在讀，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：1013558634@qq.com。

宋欣（1979—），女，副教授，博士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備（智能農(nóng)機(jī)裝備）設(shè)計(jì)及理論研究。E-mail：songxin-tju@163.com。

責(zé)任編輯：楊霞