余傳佩，Ampazidis Yiannis

(1. 九江職業(yè)技術學院機械工程學院，江西九江，332007； 2. 佛羅里大學IFAS，美國佛羅里達，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、智利和中國等。新鮮櫻桃的收獲窗期很短，通常只有1～2周時間，而且果實嬌嫩，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]，是一種勞動密集的作業(yè)。在美國，隨著市場上的熟練工人數量不斷減少，勞動力成本不斷增加[3-5]，這使得勞動力成本占新鮮櫻桃生產費用的50%～60%[3-5]。在我國，隨著人口的老齡化和農業(yè)勞動力的減少，勞動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)機械化程度較高的櫻桃采收機械，具有巨大的經濟效益和廣闊的市場前景[3-4, 7]。

從1960年開始，新鮮櫻桃的機械化采摘就已經陸續(xù)有人在研究。諾頓等開發(fā)了后備箱液壓振動式收割機，用于采摘傳統(tǒng)形式果園的甜櫻桃，可實現對果園里80%～90%的櫻桃機械化采摘，但是該收割機會導致相當大的水果和樹木的損傷[8]。彼得森等開發(fā)了一種集成的機械化收割機，通過敲擊樹枝的方式來收獲新鮮櫻桃果實。然而機械成本較高，不能實現選擇性采摘，且只能采摘特定樹型上的櫻桃，并會造成一些嚴重的樹皮和果實的損傷[9]。Tanigaki等[10]開發(fā)了一種機器人收獲系統(tǒng)，采用計算機圖像識別櫻桃果實，通過機器手夾住果實后拉斷果柄的方式來實現機械化自動采摘。試驗結果表明，果實識別率低，采摘效率不高，且不能保證帶柄采摘，容易碰傷果實。Zhou等[7]開發(fā)了一種手持振動式櫻桃采摘輔助裝置，采取抓住樹枝并振動，從而利用慣性力晃斷果柄，實現櫻桃的采摘。結果表明，對果梗脆落、樹冠較小和果實較大的櫻桃收獲率較高。但是從時間分布研究表明，震動時間不到整個運行時間的30%，而50%以上的時間花在振動系統(tǒng)的移動定位上。另外，不能保證帶柄采摘，也不能實現選擇性采摘，櫻桃碰傷率依然明顯[11]。

針對以上問題，本文仿照理發(fā)的原理，設計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]，從而實現櫻桃的快速帶柄采摘。

1 采摘器結構設計

本推剪式櫻桃采摘器由果柄推剪器、姿態(tài)調整機構、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，操作者手持采摘器，首先將伸縮桿調節(jié)至適合高度，然后啟動果柄推剪器，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，果實落入收集裝置中，從而完成櫻桃的帶柄快速采摘。操作者單手握桿的同時還可以通過大拇指和食指操控旋鈕，根據需要調節(jié)果柄推剪器的俯仰、側傾角度，從而方便地采摘各種不同姿態(tài)的櫻桃果實。

1.1 果柄推剪器

果柄推剪器的結構如圖2所示，主要由電機、偏心軸、十字滑塊、動刀片、靜刀片和刀架等組成。其中靜刀片如圖3所示，刀刃齒數為14，齒距為3.5 mm，齒高為8 mm。動刀片如圖4所示，刀刃齒數為14，齒距為3.0 mm，齒高為6 mm。

圖2 果柄推剪器的結構組成

圖3 靜刀片

圖4 動刀片

果柄推剪器采用雙滑塊機構設計，其工作原理如圖5所示，電機帶動偏心軸轉動，偏心軸帶動十字滑塊往復移動，從而帶動固定在十字滑塊上的動刀片進行往復移動，往復移動的動刀片與靜刀片一起實現剪切運動，剪切櫻桃果柄。

動刀片固定在十字滑塊上，根據圖5可得

S=R·cosα

(1)

式中：S——動刀片的位移，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——動刀片的行程，mm。

當R=1.75 mm時，由式(2)可得動刀片的行程H=3.5 mm。

電機選用FF180微型直流電機，額定功率3 W，額定電壓12～24 V，額定轉速5 000～12 000 r/min。

圖5 機構的位置示意圖

1.2 姿態(tài)調整機構

為了采摘樹枝上不同生長姿態(tài)的櫻桃果實，該裝置設計了果柄推剪器的空中姿態(tài)調整機構。該機構由兩套舵機和對應支架組成，分別實現刀具俯仰角度、側傾角度兩個自由度的調節(jié)。舵機選擇幻爾LD-1501MG數字舵機，轉動角度為0°～180°，堵轉扭矩為170 N·m。

結合伸縮桿的高度調節(jié)，以及操作者在地面上的前后、左右移動和轉動3個自由度，本裝置可以實現全部6個自由的調節(jié)，從而可以實現全方位、全姿態(tài)的果實采摘。

1.3 收集裝置

為了盡可能地全部收集剪落的果實，本文設計了一套傘狀結構果實收集裝置。此裝置不但可以全方位地進行收集剪落的果實，還能通過底部拉鏈，實現果實的方便取出。另外，在不用時還可以拆卸下來，折疊存放。

1.4 伸縮桿

作為經濟作物的櫻桃，由于頂端優(yōu)勢，果農通常限制其生長高度不超過3.5 m，大部分櫻桃樹高度在2～3 m，故此需要設計長度合適，操作方便的高度調節(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，強度好，質量小。完全收縮狀態(tài)時長度為65 cm，完全伸長狀態(tài)時長度為160 cm，如圖1所示。采摘者手持采摘器，通過調節(jié)伸縮桿的長度，可以方便地采摘3.5 m內任意高度的櫻桃。同時，為了實現操作方便，固定鎖緊裝置采用偏心卡扣設計。

1.5 控制電路

為了實現對推剪器電機和姿態(tài)調整機構的控制，主控電路設計如圖6所示。其中PWM電路如圖7所示。

圖6 主控電路

圖7 PWM電路

考慮到對控制電路的保護，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。電源開關、電機開關以及姿態(tài)操控旋鈕均布置在手柄上。在采摘水果時，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和電機開關，同時還可以利用大拇指和食指操控舵機調節(jié)旋鈕?？傊瑔问旨纯赏瓿蓪烟彝萍羝麟姍C、采摘姿態(tài)和電源的操控，簡單方便。

2 關鍵參數設計

本文在實際的果柄剪切過程中發(fā)現，靜刀片齒距、動刀片齒距、電機轉速、動刀片行程等參數會影響櫻桃果柄的剪切效率和質量。為此，本文從水果市場購買了多批新鮮帶柄櫻桃，采用控制變量法，進行果柄剪切對比試驗。通過對比分析不同參數下的剪切效果和質量，從而探索并優(yōu)化以上參數的配置。

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，進行了櫻桃果柄直徑的測試，結果如表1所示。

表1 櫻桃果柄直徑測量結果Tab. 1 Measurement results of cherry stem diameter

根據表1的測量統(tǒng)計結果，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定為3.5 mm。

2.2 動刀片齒距

在確定了靜刀片齒距后，通過實際的剪切對比試驗方法，探索動刀片的齒距。本文設計制作了齒距分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm的6種不同齒距的動刀片進行剪切對比試驗。在實驗室中，本文預先設定動刀片行程為3 mm，電機轉速為2 400 r/min。

為了直觀體現剪切效果，本文將固定時間內成功剪切櫻桃果柄的數量與試驗總數量的比例定義為剪切效率。在確定上述參數不變的情況下，分別對各種不同齒距的動刀片進行果柄的剪切試驗，記錄并繪制動刀片齒距與剪切效率的關系曲線，如圖8所示。

圖8 動刀片齒距與剪切效率關系

從圖8可以看出，動刀片齒距在3.0 mm時，剪切效率最高。同時，本文通過觀察不同齒距剪切櫻桃果柄的斷面，發(fā)現當動刀片齒距為1 mm左右時，斷面多毛刺，果柄是鋸斷；當動刀片齒距為3 mm附近時，果柄多為一次性剪斷，而當齒距繼續(xù)增大，幾乎沒有鋸斷的果柄，然而采摘效率降低。故此選定動刀片齒距為3 mm。

2.3 電機轉速

在靜刀片齒距和動刀片齒距分別確定后，本文通過改變電機轉速的方法，來探索不同電機轉速(對應剪切頻率)對果柄剪切效果的影響，同理采用控制變量的方法，其中動刀片行程預設為3.0 mm。

根據以上參數，按照電機轉速分別為2 000、4 000、6 000、8 000、10 000 r/min，進行分組果柄剪切試驗，觀察并記錄下剪切效果，結果如圖9所示。

圖9 電機轉速與剪切效率關系

從圖9可以看出，在電機轉速為7 000 r/min時，剪切效率最高。同時本文觀察分析了不同動刀頻率下剪切櫻桃果柄的斷面，發(fā)現當頻率越高出現鋸斷的果柄頻率也隨之增加，但是當頻率不斷增加剪切效率會趨于一個平穩(wěn)的數值，故此，電機轉選定為7 000 r/min。

2.4 動刀片行程

根據以上結果，在保持其他參數不變的條件下，本文進行了不同動刀片行程的果柄剪切試驗。按照動刀片行程分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 mm，進行分組果柄剪切試驗，觀察并記錄下剪切效果，結果如圖10所示。

圖10 動刀片行程與剪切效率關系圖

從圖10可以看出，動刀片行程為3.5 mm時果柄的剪切效率最高。另外，在觀察了不同運動行程下剪切櫻桃果柄的斷面，本文還發(fā)現當行程越小，出現鋸斷的果柄頻率越大，反之亦然。

2.5 核心參數與剪切方式的總結分析

上述試驗表明靜刀片齒距、動刀片齒距、電機轉速、動刀片運動行程4個參數顯著影響櫻桃果柄剪切效率?；谝陨显囼灲Y果，本文得到了最優(yōu)的設計參數，靜刀片齒距為3.5 mm，動刀片齒距為3.0 mm，電機轉速為7 000 r/min，動刀片行程為3.5 mm。

同時，上述試驗還表明動刀片齒距、電機轉速、動刀片行程的改變會影響果柄的剪切方式，行程減小、頻率增大，動刀片齒距減小都會使采摘方式傾向于“鋸斷果柄”，反之則是趨向于“剪斷果柄”。根據剪切效果的分析，設計時應當使“剪斷”方式作為主要方式，當果柄不能很好地剪切時，仍能通過“鋸斷”的方式采摘。

3 采摘試驗

3.1 試驗條件

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，進行了實地采摘試驗。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。試驗設備及儀器包含米尺、秒表、電子秤和紙筆等。

3.2 試驗方法及評價指標

試驗時，采摘人員使用本采摘器輔助采摘，分別隨機選定不同果樹進行5次采摘[13-14]，每次采摘時間為30 min。試驗結束后統(tǒng)計采摘的總數，對收獲的櫻桃總數、帶柄合格率、果實損傷率分別進行統(tǒng)計，并記錄試驗結果。

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

1) 帶柄合格率[10, 14]

(3)

式中：U0——不符合果柄要求櫻桃數，kg；

U1——符合果柄要求櫻桃數，kg。

2) 損傷率[10]：根據采摘總數，定義損傷率，即統(tǒng)計每次采摘櫻桃總數Q0，采收后損傷的櫻桃數數Q1。

損傷率

(4)

3.3 試驗結果

試驗結果如表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%。以上數據表明，本采摘器不但能提高采摘效率，降低勞動強度和作業(yè)危險性，而且能實現櫻桃的帶柄采摘要求，同時還幾乎不會碰傷櫻桃樹木和果實。

表2 采摘試驗結果Tab. 2 Picking experiment results

4 結論

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、俯仰和側傾調節(jié)功能和果實收集功能，能夠實現全方位全姿態(tài)櫻桃果實的采摘。

2) 本文還分析了影響櫻桃果柄剪切效果的關鍵因素，并通過剪切對比試驗研究，得到了在靜刀片齒距為3.5 mm，動刀片齒距為3 mm，動刀片行程為3.5 mm 以及電機轉速為7 000 r/min時，推剪器的剪切效果最佳。

3) 果園試驗結果表明，使用該裝置輔助人工采摘櫻桃，平均半小時內采摘櫻桃9.7 kg以上，帶柄合格率98%以上，損傷率1%以下。該裝置實現了快速高效帶柄的采摘櫻桃，并且不碰傷櫻桃果實及果樹，具有較好的參考應用價值。