張文強 李召召 譚豫之 李 偉

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

目前，國內(nèi)對枸杞采摘裝置的研究很多，根據(jù)采摘原理分為：振動式、梳刷式、剪切式、氣動式[1-3]，市場應(yīng)用主要集中在前兩種方式。自走式大型枸杞采摘裝置采用振動的方式，很難采摘枝條內(nèi)部，且出現(xiàn)打折枝條、振落花葉、果實收集差等問題，整體采收效果不理想，尚處于研制改進階段[4]。小型枸杞采摘裝置更符合當(dāng)前實際生產(chǎn)的需要，振動式枸杞采摘裝置以4ZGB-30型便攜式枸杞采摘機為主要代表[5]，激勵枝條使果萼處產(chǎn)生的慣性力大于結(jié)合力而脫落[5]，此過程很容易打傷枝條和果實，對枸杞造成二次傷害，存在采收損傷率高、含雜率高、果實收集較難的問題。高懷智[6]研制的枸杞采摘電動機械手采用仿人手形狀梳刷枸杞，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備可靠性差，成本較高。周兵等[7]研制的模擬手枸杞采摘機利用柔性膠管環(huán)捋摘枸杞果實，在人工將枸杞枝條壓入膠管環(huán)內(nèi)的過程中，枸杞容易產(chǎn)生壓傷，影響果實品質(zhì)。國外對漿果類采摘裝置的研究主要集中在藍莓[8-11]，枸杞采摘僅見韓國SO[12]研制的振動式枸杞采摘機，但韓國的枸杞品種與國內(nèi)不同，不適用于我國枸杞采收[2]。

本文設(shè)計一種變間距梳刷式枸杞采摘裝置，利用梳刷指與枸杞之間的摩擦力實現(xiàn)枸杞與枝條的脫離，利用梳刷指的間距周期性變化，實現(xiàn)枸杞與梳刷指分離。采用Matlab優(yōu)化和正交試驗對采摘裝置的關(guān)鍵部件進行優(yōu)化設(shè)計，為枸杞機械化采摘提供一種新型的末端執(zhí)行方案。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

圖1是枸杞采摘裝置結(jié)構(gòu)簡圖。枸杞采摘裝置由梳刷指、變間距控制部件、定位導(dǎo)向件、外殼、連接法蘭和電動機模塊組成。其中梳刷指由骨架、彈簧鋼、硅膠套組成，硅膠套外徑為5 mm，包裹在彈簧鋼上，降低對枸杞的沖擊，彈簧鋼末端設(shè)計為圓弧狀，可提高梳刷效果[13]；變間距控制部件包括主軸、壓板、溝槽凸輪和骨架，壓板相對骨架上下滑動，迫使骨架圍繞主軸旋轉(zhuǎn)和側(cè)向轉(zhuǎn)動；兩個定位導(dǎo)向件分別安裝在外殼和連接法蘭的開口處，便于枸杞枝條喂入采摘機構(gòu)；兩個溝槽凸輪分別與外殼和連接法蘭螺栓固定，凸輪從動軸與壓板螺栓連接，可在溝槽凸輪內(nèi)自由滾動。兩排梳刷指均穿過壓板上的方孔與主軸鉸鏈連接。工作時，主軸將動力傳遞給骨架，驅(qū)動壓板在溝槽凸輪內(nèi)滾動，在溝槽凸輪的引導(dǎo)下，壓板相對骨架上下滑動，進而迫使骨架側(cè)向轉(zhuǎn)動，達到調(diào)節(jié)梳刷指間距的目的。

圖1 枸杞采摘裝置結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.1 Structure diagram of Lycium barbarum picking machine 1.收集箱 2.輸送軟管 3.電動機模塊 4.連接法蘭 5.外殼 6.鉚釘 7.骨架 8.硅膠套 9.主軸 10.壓板 11.定位導(dǎo)向件 12.凸輪從動軸承 13.溝槽凸輪

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

枸杞屬于無限花序類漿果，枝條上同時分布紅果、青果、花、葉和少量的刺，要求采摘時只能采摘紅果，不能損傷青果及花葉。紅果按簇生長且呈下垂?fàn)?，拎起枝條的末端，將枸杞采摘裝置放于枝條下方，從枝條末端向內(nèi)移動梳刷。紅果與青果橫徑大小不同，枸杞采摘裝置的指間距應(yīng)大于最大的青果橫徑而小于最小的紅果橫徑[14-15]，依靠梳刷指與枸杞之間的摩擦力和沖擊力將枸杞捋下[16]，部分紅果會卡在兩指之間，無法掉落，青果、花和葉會從兩指之間溜過[17]。在變間距控制部件的作用下，夾持在兩指之間的紅果會在運行最下方時掉落。

為了驗證梳刷式枸杞采摘方式的可行性，對枸杞的自然特性和物理特性進行了測量。本次測量的枸杞品種為寧杞1號，如圖2所示，隨機選取150個紅果樣本和青果樣本測量果實橫徑；分別隨機選取50個枝條樣本測量枝條粗端直徑和細(xì)端直徑、枸杞紅果俯視寬度和枝葉俯視寬度、枝條長度和掛果段長度、枸杞與枝條側(cè)向最大間距和最小間距；用數(shù)顯式推拉力計(型號：HP-5，量程：0～5 N，精度：0.001 N)測量枸杞與果萼處的結(jié)合力和枸杞表面可承受的最大壓力，測量結(jié)果如表1所示。

圖2 枸杞枝條 Fig.2 Lycium barbarum branches

參數(shù)數(shù)值紅果橫徑/mm6.58～12.92紅果縱徑/mm12.50～23.92青果橫徑/mm3.32～5.53枸杞結(jié)合力/N0.301～1.302枸杞耐受壓力/N1.5枝條粗端直徑/mm2.2～3.6枝條細(xì)端直徑/mm1.1～2.1枝條長度/mm360～660掛果段長度/mm200～350枸杞與枝條最大間距/mm18.5～27.4枸杞與枝條最小間距/mm9.1～15.4葉子俯視寬度/mm50～86紅果俯視寬度/mm30～40

由表1可知，枸杞枝條掛果集中且枝條柔軟，拎起枝條末端，掛果段可視為一條直線。枸杞與枝條側(cè)向間距是指果萼到枝條的距離，在自然狀態(tài)下，果萼與枝條之間至少存在9.1 mm的距離；枸杞的俯視寬度為30～40 mm，梳刷指有足夠的空間梳入枝條內(nèi)，保證梳刷指從枸杞果萼上方梳刷枸杞，而避免與枸杞直接撞擊；紅果與青果的橫徑相差較多，青果的最大橫徑小于紅果最小橫徑，選擇合適的梳刷指間距可有效地采摘紅果而不誤采青果，因此，梳刷采摘枸杞的方式可行。

2 主要工作部件設(shè)計

指間距為相鄰梳刷指之間的間隙，是梳刷式枸杞采摘裝置能夠成功采摘枸杞而不損傷其他部分的關(guān)鍵，間距過小，會將青果、花葉誤采，造成產(chǎn)量損失，間距過大，紅果從兩指之間穿過，不能有效采摘枸杞。梳刷指末端間距取決于主軸上骨架安裝孔的間距和在變間距控制部件的控制下梳刷指末端側(cè)向張開的距離。變間距控制部件可以實現(xiàn)紅果和梳刷指的分離，對其優(yōu)化設(shè)計可使指間距盡可能一致，而調(diào)節(jié)指間距的關(guān)鍵是壓板上方孔的位置參數(shù)。

圖3是變間距控制部件結(jié)構(gòu)圖，位置1是壓板處于溝槽凸輪遠(yuǎn)處停歇段中心時的情況，位置2是壓板處于溝槽凸輪近處停歇段中心時的情況。以右側(cè)3列梳刷指為分析對象，當(dāng)壓板相對骨架向上運動時，骨架與方孔右上角相切，迫使梳刷指向內(nèi)轉(zhuǎn)動，指間距減??；向下運動時，骨架與方孔左下角相切，迫使梳刷指向外轉(zhuǎn)動，指間距變大；當(dāng)壓板在遠(yuǎn)程停歇段時，指間距最小，用于梳刷枸杞，此時梳刷指間距稱為工作間距；當(dāng)壓板處于近程停歇段時，指間距最大，保證被摘下的紅果掉落，此時指間距稱為松開間距；如此往復(fù)運動，實現(xiàn)調(diào)節(jié)指間距的功能。

圖3 變間距控制部件結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 Structure diagram of pacing controlling component 1.鉚釘 2.主軸 3.凸輪從動軸承 4.溝槽凸輪 5.硅膠套 6.骨架 7.壓板

圖4 指間距控制過程示意圖 Fig.4 Schematic diagrams of pacing controlling process

圖4是指間距控制過程示意圖，梳刷指在不同位置時末端間距不同，對壓板上方孔的寬度要求和中心要求在不同位置時也不同，兩者存在一定的差值，且越靠近兩側(cè)該差值越大。為了滿足梳刷指在不同位置對指間距控制精度的要求，每組差值應(yīng)越小越好，利用Matlab中非線性多元函數(shù)最小值函數(shù)對變間距控制部件進行優(yōu)化，得到壓板方孔設(shè)計參數(shù)，進而得到最佳控制精度。

2.1 數(shù)學(xué)建模

為了壓板在相對骨架滑動時，梳刷指能夠轉(zhuǎn)動，中間梳刷指豎直布置，兩側(cè)的梳刷指關(guān)于中心傾斜布置。以中間梳刷指為參考，圖4a表示右側(cè)第i列梳刷指在不同位置的間距控制情況，圖4b是在不同位置時壓板方孔位置參數(shù)示意圖。在位置1梳刷指傾斜布置時，梳刷指張開距離為b1，壓板從位置1移動到位置2時，梳刷指張開增量為a1。以此類推，第i個(i=1,2,3,分別表示右側(cè)第1列、第2列、第3列梳刷指)梳刷指張開距離為bi，此時梳刷指與豎直方向的夾角為αi，梳刷指張開增量為ai，此時梳刷指與豎直方向的夾角為γi。

圖4b中方孔的幾何參數(shù)包括方孔寬度m和方孔中心與豎直位置的距離s，其決定了指間張開的距離。因此對不同位置時的壓板方孔理論寬度mi1、mi2和方孔中心與豎直位置的理論距離si1、si2進行建模計算，即

(1)

其中

式中mi1——位置1壓板方孔理論寬度，mm

mi2——位置2壓板方孔理論寬度，mm

si1——位置1方孔中心與豎直位置距離，mm

si2——位置2方孔中心與豎直位置距離，mm

αi——位置1梳刷指與豎直位置的夾角，(°)

βi——位置2梳刷指張開角度，(°)

γi——位置2梳刷指與豎直位置的夾角，(°)

D——骨架直徑，mm

n——壓板厚度，mm

L——梳刷指末端與安裝孔的距離，mm

H——位置1壓板與安裝孔的距離，mm

h——位置2壓板與安裝孔的距離，mm

b——位置1梳刷指張開距離，mm

a——位置2梳刷指張開增量，mm

2.2 確定設(shè)計變量

式(1)中的D為5 mm、n為3 mm。根據(jù)幾何關(guān)系可知，梳刷指末端張開的距離取決于b、a、L、H、h。由此得到5維設(shè)計變量

X=(x1,x2,x3,x4,x5)=(b,a,L,H,h)

2.3 確定約束條件

在位置2時梳刷指張開角度γi大于位置1的張開角度αi，所以對βi約束如下，得到3個非線性約束

(2)

根據(jù)結(jié)構(gòu)之間的制約關(guān)系和枸杞的自然特征得到14個邊界約束

(3)

2.4 建立目標(biāo)函數(shù)

在不同位置時，壓板方孔理論寬度mi1、mi2和方孔中心與安裝孔的距離si1、si2均不相等，壓板一旦加工完畢，則尺寸無法改變，為最大限度滿足兩個不同位置末端間距對壓板方孔理論位置參數(shù)的要求，不同位置理論參數(shù)的誤差應(yīng)越小越好，由此建立的目標(biāo)函數(shù)為

(4)

其中

qi=mi1-mi2

pi=si1-si2

2.5 優(yōu)化方法和計算結(jié)果分析

根據(jù)變量之間的邊界約束條件，fmincon函數(shù)的各個參數(shù)輸入為[18]

式中l(wèi)b——變量下限ub——變量上限

x0——迭代初始值

A——線性不等式約束矩陣

b——線性不等式約束系數(shù)矩陣

經(jīng)過Matlab編程迭代計算，得到最優(yōu)解為

X=(x1,x2,x3,x4,x5)=(2.606,3,70,30,14)

目標(biāo)函數(shù)f(X)=0.381 2，exitflag等于1表示迭代收斂，得到的最優(yōu)解準(zhǔn)確有效。梳刷指工作間距為位置1時梳刷指張開距離與主軸安裝孔間距之和，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，位置1時張開距離為2.606 mm，為主軸安裝孔間距的設(shè)計提供了依據(jù)。通過式(1)計算得到不同位置壓板方孔理論位置參數(shù)，計算結(jié)果如表2所示。

表2 壓板方孔理論位置參數(shù) Tab.2 Theoretical position parameters of square hole on press plate mm

由表2可知qi遠(yuǎn)大于pi，即在不同位置時，方孔理論寬度的差值遠(yuǎn)大于方孔中心與豎直位置理論距離的差值，因此，方孔的實際加工寬度選取兩者之間的最大值，方孔中心與豎直位置的理論距離取平均值。

(5)

整合出最終的壓板方孔實際加工位置參數(shù)m1、m2、m3和s1、s2、s3。

3 試驗

加工變間距梳刷式枸杞采摘裝置進行現(xiàn)場試驗，試驗時間為2017年7月，針對8年樹齡的寧杞1號設(shè)計正交試驗，試驗地點為寧夏農(nóng)科院枸杞研究所。

3.1 試驗設(shè)計

為提高梳刷指的柔韌性，梳刷指末端以彈簧鋼為支撐，包裹硅膠套。工作時，梳刷指末端與枸杞直接接觸，兩者之間的接觸力是枸杞采摘成功的關(guān)鍵。而指間距、彈簧鋼長度、彈簧鋼直徑以及梳刷指圓弧段半徑共同決定梳刷指對枸杞的接觸力。圓弧段半徑越大，梳刷指振動越大，伸入到枸杞果柄處時會出現(xiàn)勾住枝條的情況，為保證枸杞處于圓弧段工作段，所以，圓弧段半徑取值借鑒枸杞縱徑尺寸，取值為20 mm。所以，以指間距、彈簧鋼長度、彈簧鋼直徑為試驗因素，加入空白列估計隨機誤差[19]，采用L9(34)正交試驗方法。

工作時，采摘機需要伸入錯綜復(fù)雜的枝干內(nèi)，整機結(jié)構(gòu)小巧緊湊方可滿足使用要求，初定外殼半徑為100 mm。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，壓板與安裝孔的最大距離H為31 mm，當(dāng)骨架側(cè)向張開時，骨架末端相對中間骨架末端高度會降低，因此骨架末端與安裝孔距離定為35 mm，此時，骨架末端與主軸軸線距離為48.5 mm，彈簧鋼末端與骨架末端相距51.5 mm。彈簧鋼與骨架用AB膠黏結(jié)，其中孔深10 mm，因此，彈簧鋼長度最大為61.5 mm。圓弧段半徑取值借鑒枸杞縱徑尺寸，取值為20 mm，少數(shù)枸杞縱徑大于20 mm，因此骨架與圓弧段起始點距離為10 mm，據(jù)此得到彈簧鋼長度最小為40 mm。由此，選擇彈簧鋼長度45、55、65 mm為正交試驗的水平。

指間距為相鄰梳刷指之間的間隙，是梳刷式枸杞采摘裝置能夠成功采摘枸杞而不損傷其他部分的關(guān)鍵。梳刷原理基于枸杞的自然特性，為不傷及青果、枝葉和花，同時有效梳刷枸杞，指間距應(yīng)大于最大的青果橫徑尺寸、且小于最小的紅果橫徑尺寸。紅果橫徑尺寸范圍為6.58～12.92 mm，青果橫徑范圍為3.32～5.53 mm?？紤]到彈簧鋼的柔性，選取梳刷指間距6、8、10 mm作為正交試驗的水平。

彈簧鋼的直徑也影響梳刷指與枸杞的接觸力。初定梳刷指間距為6～10 mm，為保證采摘效果，彈簧鋼末端最大位移為3.46 mm。枸杞的損傷極限值為1.5 N，單個彈簧鋼承受的壓力最大為0.75 N，由此進行ANSYS靜力分析，得到不同長度、不同直徑的彈簧鋼末端位移，分析可知，彈簧鋼長度在45～65 mm、直徑在1.0～1.2 mm時，彈簧鋼末端最大位移為4.179 mm，而且由于硅膠的緩沖作用，枸杞與梳刷指的作用力小于0.75 N，因此選用彈簧鋼直徑為1.0、1.1、1.2 mm作為正交試驗的水平。試驗因素和水平如表3所示。

以采凈率和破損率為試驗指標(biāo)[4]，得到3個因素對兩個指標(biāo)的影響規(guī)律和最優(yōu)組合。轉(zhuǎn)速是影響采收效果的主要因素，在指間距為8 mm，彈簧鋼長度為5.5 mm、直徑為1.1 mm時，對轉(zhuǎn)速進行預(yù)試驗。試驗表明，轉(zhuǎn)速大于50 r/min時，枸杞破損率大于30%，且轉(zhuǎn)速過快導(dǎo)致紅果不能及時排出，轉(zhuǎn)速小于30 r/min時，損傷率低于5%，因此，本次正交試驗的轉(zhuǎn)速定為30 r/min。

表3 試驗因素與水平 Tab.3 Experimental factors and levels

采凈率是指成功采摘的紅果數(shù)占枝條上紅果總數(shù)的百分比。統(tǒng)計采摘之前枝條上紅果總數(shù)和成功采摘的紅果總數(shù)，枸杞采凈率計算公式為

(6)

式中wc——采凈率，%

Sc——成功采摘的紅果總數(shù)

Sz——枝條上的紅果總數(shù)

損傷率是指成功采摘的枸杞中，受損枸杞所占的百分比。受損的枸杞曬干后會發(fā)黑，對成功采摘的紅果進行撒堿、晾曬等曬干工藝，請當(dāng)?shù)胤N植枸杞的人員統(tǒng)計因在采摘過程中出現(xiàn)損傷而發(fā)黑的枸杞數(shù)目，損傷率計算公式為

(7)

式中ws——損傷率，%

Ss——受損紅果總數(shù)

3.2 試驗結(jié)果與分析

圖5 田間采摘試驗 Fig.5 Field picking test

圖5為田間采摘試驗，得到試驗結(jié)果如表4所示，A、B、C為因素水平值。試驗結(jié)果采用直觀分析的方法，根據(jù)極差大小得到因素對采凈率和損傷率影響的因素優(yōu)水平、主次順序及優(yōu)化組合。梳刷指結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗為多指標(biāo)正交試驗，為此采用綜合評分法將兩個指標(biāo)的試驗結(jié)果轉(zhuǎn)換為單一綜合指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)的重要性，設(shè)定采凈率和損傷率的權(quán)重為0.7、0.3[20]。為表示加權(quán)平均值越大，說明采摘效果越好，在計算加權(quán)平均值之前，對評分計算方式做變換

表4 正交試驗方案與結(jié)果 Tab.4 Schemes and results of orthogonal experiment

zp=0.7wc+0.3wsp

(8)

其中

wsp=1-ws

式中wsp——損傷率評分值，%

zp——綜合評分值，%

采凈率正交試驗極差分析如表5所示，可以看出采凈率的優(yōu)化組合為A1B3C1，即指間距為6 mm，彈簧鋼長度為45 mm、直徑為1.2 mm。影響采凈率的主次因素為C、A、B，即指間距對采凈率影響最大，彈簧鋼長度次之。指間距越小，彈簧鋼越短、直徑越大，則采凈率越高。得到這樣結(jié)果的主要原因是摩擦力大于枸杞果萼處的結(jié)合力，導(dǎo)致枸杞掉落，指間距越小，彈簧鋼越短、直徑越大，梳刷指末端對枸杞的正壓力越大，與枸杞之間的摩擦力越大，可增大采摘的可靠性。

表5 采凈率正交試驗極差分析 Tab.5 Range analysis of picking ratio

損傷率正交試驗極差分析如表6所示，通過數(shù)據(jù)分析可知損傷率的優(yōu)化組合為A1B2C3，即指間距為10 mm、彈簧鋼長度為45 mm、直徑為1.1 mm。影響采摘損傷率主次因素依次為C、A、B，梳刷指間距越大，彈簧鋼越長，損傷率越低。統(tǒng)計損傷率時發(fā)現(xiàn)，損傷形式為破裂和壓傷，極少部分發(fā)生明顯破裂。產(chǎn)生輕傷的主要原因為枸杞從摘下到松開，梳刷指對枸杞一直保持夾緊狀態(tài)，機械加持容易使果實組織受損[21]。彈簧鋼越長對枸杞的夾緊力越小，但同樣的轉(zhuǎn)速下，彈簧鋼越長，梳刷指末端對枸杞的沖擊越大，易造成損傷，導(dǎo)致枸杞出現(xiàn)破裂，而指間距和彈簧鋼直徑通過決定加持時夾緊力大小來影響損傷率。

表6 損傷率正交試驗極差分析 Tab.6 Range analysis of damage ratio

綜合加權(quán)評分分析如表7所示，可以看出3個因素對采摘效果影響程度由大到小的順序為A、C、

表7 綜合評分正交試驗極差分析 Tab.7 Range analysis of comprehensive score

B，枸杞采摘效果最佳的組合方案為A1B2C2，即在指間距為8 mm、彈簧鋼長度為45 mm、直徑為1.1 mm時，采摘效果最佳，此時采凈率為90%，損傷率為8.41%，表明選擇合理的梳刷指參數(shù)能夠獲得較好的采摘效果。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)枸杞紅果與青果橫徑的不同，設(shè)計了一種變間距梳刷式枸杞采摘裝置。該裝置依靠梳刷指與枸杞之間的摩擦力將枸杞捋下，實現(xiàn)枸杞脫離枝條；進一步利用變間距控制部件達到調(diào)節(jié)梳刷指末端間距的目的，實現(xiàn)紅果與梳刷指的分離。初步試驗表明：梳刷式枸杞采摘裝置能夠完成枸杞的采摘作業(yè)。

(2)通過建立梳刷指變間距控制部件的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab優(yōu)化工具箱對其關(guān)鍵零件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，位置1時的張開距離為2.606 mm，再結(jié)合指間距為8 mm，為主軸安裝孔間距設(shè)計提供依據(jù)。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)更加緊湊，指間距控制精度高，一致性好，提高了梳刷采摘的可靠性。

(3)通過梳刷指結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗得到梳刷指參數(shù)對采凈率與損傷率的影響規(guī)律：指間距越小，彈簧鋼長度越短、直徑越大，則采凈率越高。梳刷指間距越大，彈簧鋼長度越短、直徑越小，損傷率越低；梳刷指結(jié)構(gòu)參數(shù)對采摘效果影響由大到小依次為彈簧鋼長度、指間距、彈簧鋼直徑；梳刷指的最佳組合參數(shù)為：指間距為8 mm，彈簧鋼長度為45 mm、直徑為1.1 mm。枸杞采摘試驗結(jié)果表明：采凈率為90%，損傷率為8.41%。試驗效果良好，滿足生產(chǎn)要求。