新型水果采摘裝置的設(shè)計與研究

孫 強，雷 鳴，商益洋，孫浩楠，李世杰，陳怡達(dá),許 誠，孔祥睿

（1.蘇州城市學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州市計量測試院，江蘇 蘇州 215100；3.蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215104）

0 引言

收獲采摘是果品生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的過程之一。由于現(xiàn)代機械科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，更多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)通過自動采集設(shè)備取代人類的苦力勞作。蘋果自動采集裝置就是近年來逐漸開發(fā)出來的一個新式采集裝置。蘋果采集裝置始終是一個研究和開發(fā)的問題，在農(nóng)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，大面積種植蘋果，隨之而來的是蘋果的采摘問題，在較高的果樹上結(jié)出的果實因無法摘到，造成蘋果的摔落，因此這些蘋果無法上市銷售，無法實現(xiàn)經(jīng)濟價值，為解決高空采摘的困難，需要專用的蘋果采摘機械手來解決此問題[1-2]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外對果園采摘機械的研究始于上世紀(jì)40 年代初，以美國、法國、英國為首的西方國家較早開展此方面的研究。到50 年代中期，利用振搖果樹方式收獲水果的采摘機械在歐美國家得到了發(fā)展和普遍應(yīng)用。

近幾年來，我國的收獲機械發(fā)展很快，出現(xiàn)了很多收獲設(shè)備、動力修剪收獲設(shè)備、多功能果園作業(yè)機械等，它們的功能比較單一，效率不高，造成了很大的減產(chǎn)。

（1）我國大部分果園都采用分散栽培、分戶管理方式，這導(dǎo)致農(nóng)機和農(nóng)藝的協(xié)調(diào)存在問題，很少有真正集中成片的大型現(xiàn)代化果園可以進(jìn)行機械化作業(yè)。

（2）人工采摘時，胳膊容易被枝條刮傷、擦傷等，在高處工作時，甚至有可能摔倒[3-4]。

2 水果采摘器總體方案思路和工作流程

本次所研究的蘋果采摘機械手是一種通用的水果采摘機械手，適用于批量或中、小批量采摘，可改變剪刀的角度及桿件的長度。適用于環(huán)境惡劣、勞動強度高、采摘危險性較高的場合。整體效果圖如圖1 所示。

圖1 水果采摘器整體效果圖

2.1 水果采摘器總體方案思路

2.1.1 研究內(nèi)容

（1）采摘器:在各個方向?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確安全地采摘水果。

（2）接收傳送裝置：可以處理從高空掉落的水果，并將其采集到指定，果實從高處安全順利的傳送至地面。

（3）驅(qū)動裝置:液壓系統(tǒng)。

2.1.2 技術(shù)參數(shù)

（1）果樹高度約3 m。

（2）采摘水果是球形的，D為直徑，3 cm≤D≤10 cm。

2.2 工作流程

首先利用無極伸縮桿將采摘器的機械爪頭送至水果附近，穩(wěn)緊把手，利用液壓系統(tǒng)去驅(qū)動機械剪刀剪水果根蒂；當(dāng)水果根蒂達(dá)到剪切值時，水果會向下落，完成水果的采摘后，收傳送裝置會將其采集到指定，果實從高處安全順利的傳送至地面完成整個水果的采摘到接收的過程[5-6]，采摘過程如圖2 所示。

圖2 采摘器工作流程

3 主要設(shè)計

3.1 采摘器采摘方式的選擇

可以根據(jù)原理，采摘機構(gòu)的設(shè)計可分為剪切式、抓拉式、吸附式等類型，各種不同工作原理的采摘機構(gòu)特點如表1 所示。

表1 各類不同工作原理的采摘機構(gòu)及特點

不同類型的采摘器各有優(yōu)缺點。吸收式雖有定位精度高、動作靈敏等優(yōu)點，但需配有真空成形設(shè)備，且對果枝有很大傷害；抓取式結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，但對果枝的損傷較大；剪切型結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，對果枝損傷極少，但對位置的要求較高。所以，選用剪裁作用原理進(jìn)行果實采收最為適宜，且操作平穩(wěn)。在驅(qū)動力模式上，機械結(jié)構(gòu)雖然簡單，但作業(yè)時，不能節(jié)省人力，造成采收效率低下。水力采收省力，采收速度快，但制作費用較高。風(fēng)力機整體重量輕，無污染，具有豐富的能源，但是它的結(jié)構(gòu)和風(fēng)力機的工藝都比較復(fù)雜。所以，最適宜的方法就是使用液壓傳動，操作簡單、方便快捷。

因此，最佳的采摘機應(yīng)該是液壓剪切機，它結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，對果枝和果穗的損傷較少，并且可以減少勞力。可調(diào)節(jié)的角度設(shè)計，使果實在任何一個角度都能安全可靠的采摘。

3.1.1 果實采摘過程受力分析

果柄受力分析，如圖3 所示。

圖3 果柄受力分析圖

3.1.2 采摘結(jié)果分析

終端執(zhí)行機構(gòu)就是利用這個空隙，成功地將相鄰的水果分開。相鄰果實的分離成功率100%。果梗部位可見明顯的離層維管束，其結(jié)構(gòu)與前面描述的一樣，在果柄附近呈束狀分布。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于不同品種間的不同，有的品種尚未完全成熟，而未成熟品種的果柄需要更大的分離力。另外，由于果柄的長度、大小等因素的差異，使得終端執(zhí)行機構(gòu)在轉(zhuǎn)動或脫離時，其轉(zhuǎn)動或脫離的慣性軸線的角度也會不同，若終端執(zhí)行機構(gòu)在果實后方與果實的慣性軸線的角度過大，則果柄離層更多的是受牽引力而非剪應(yīng)力的作用，從而增加了果柄保水果傳送順暢。剪斷效果圖如圖4 所示。

圖4 剪斷效果圖

3.2 液壓系統(tǒng)

3.2.1 液壓系統(tǒng)的組成

液壓系統(tǒng)作為傳遞動力裝置，它由2 個小液壓缸件1 和件4，2 個活塞件2，油液3，軟油管，油杯，復(fù)位彈簧等部分組成，如圖5 所示。

圖5 液壓系統(tǒng)示意圖

3.2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓傳動系統(tǒng)的主要功用是傳遞動力，由驅(qū)動裝置帶動油壓，去控制油缸活塞桿伸出或縮回來執(zhí)行各種動作。當(dāng)液壓的液體流入液壓缸后把壓力傳給活塞。刀頭的開合取決于加在活塞上的動力的方向。在驅(qū)動裝置帶動油壓使活塞推桿往向前進(jìn)時，刀頭開始向物體，然后刀頭合并起來，實現(xiàn)剪斷樹枝的功能。當(dāng)油壓減少時，活塞會在彈簧的彈力下往后退，實現(xiàn)復(fù)位，刀頭張開[7]。

4 強度校核

在設(shè)計過程中，通過ANSYS/中望仿真軟件平臺對部分關(guān)鍵零部件進(jìn)行了強度校核。在使用過程中，該產(chǎn)品主要承受了采摘的水果重量、自身重力和自身加在手柄上的力，因此，對支架和手柄進(jìn)行了靜態(tài)線性分析，以提高產(chǎn)品的可靠性。

在Static structural 模塊下，選擇零件的材料為45#鋼，包括泊松比、彈性模量和密度等參數(shù)。選擇合理的網(wǎng)格劃分方案，將支架平臺與角度固定機構(gòu)劃分網(wǎng)格，包含了2828 個節(jié)點、14960 個單元。施加固定約束在支架底座平臺上，壓力force50 N，分析該零件的應(yīng)力及變形分布情況[8]。

圖為支架的靜態(tài)線性分析圖，從圖6 中看出，應(yīng)力集中點為支撐板上，從前文可知，本機構(gòu)采用45#鋼正火處理加工，其材料屈服強度為290 MPa，因此，該機構(gòu)強度符合要求。

圖6 支架的靜態(tài)線性分析圖

采用同樣的方法分析手柄。選擇零件的材料為合金[結(jié)構(gòu)鋼A36]，將手柄劃分網(wǎng)格包含了3223 個節(jié)點、16239 單元。施加固定約束Fixed Support 在與桿子連接處，壓力force20 N，分析該零件的應(yīng)力及變形分布情況。圖7 為手柄機構(gòu)的靜態(tài)線性分析圖，從圖中看出，應(yīng)力集中在手柄的尾處，最大應(yīng)力為131.6 MPa，該機構(gòu)強度符合要求。

圖7 手柄的靜態(tài)線性分析圖

5 功能狀態(tài)仿真

第一步：機械手靠進(jìn)蘋果，然后撥動把手，如圖8所示。

圖8 示意圖

第二步：把手依靠液壓系統(tǒng)驅(qū)動剪刀手，如圖9所示。

圖9 示意圖

第三步：剪刀頭閉合，如圖10 所示。

第四步：蘋果枝被剪刀剪斷，蘋果自然掉入收納袋里面，如圖11 所示。

圖10 示意圖

圖11 示意圖

6 結(jié)語

采摘機械手的設(shè)計使用了液壓系統(tǒng)，它將液壓傳動優(yōu)點充分發(fā)揮出來，還實現(xiàn)了控制方便及安全可靠的目的。這樣就解決了在惡劣環(huán)境下采摘蘋果的實際問題，降低了操作人員的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。以機械手臂為基礎(chǔ)的水果收割裝置，是一種包含了自主行動功能的技術(shù)含量高，屬于液壓式的簡單的收摘器。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用簡便、成本低、效率高。使用了剪切式機械手臂，可以調(diào)整手臂的長度，這使得它可以適用于各種高枝水果，而且還可以方便地隨身攜帶。采摘器使用了液壓系統(tǒng)帶動到刀片轉(zhuǎn)動的方式來對果梗進(jìn)行切割，這樣可以快速地收獲果實，節(jié)省了很多人力。該采摘器的方向可調(diào)節(jié)，適合于多種位置的高枝果實，能夠?qū)⒐麑嵧耆烧?，并能確保其保質(zhì)保量，是一種具有良好推廣價值的實用新型。