孫 強(qiáng)，雷 鳴，商益洋，孫浩楠，李世杰，陳怡達(dá),許 誠(chéng)，孔祥睿

（1.蘇州城市學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州市計(jì)量測(cè)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(guò)程之一。由于現(xiàn)代機(jī)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(guò)自動(dòng)采集設(shè)備取代人類的苦力勞作。蘋果自動(dòng)采集裝置就是近年來(lái)逐漸開發(fā)出來(lái)的一個(gè)新式采集裝置。蘋果采集裝置始終是一個(gè)研究和開發(fā)的問(wèn)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(lái)的是蘋果的采摘問(wèn)題，在較高的果樹上結(jié)出的果實(shí)因無(wú)法摘到，造成蘋果的摔落，因此這些蘋果無(wú)法上市銷售，無(wú)法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為解決高空采摘的困難，需要專用的蘋果采摘機(jī)械手來(lái)解決此問(wèn)題[1-2]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)果園采摘機(jī)械的研究始于上世紀(jì)40 年代初，以美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)為首的西方國(guó)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(jī)械在歐美國(guó)家得到了發(fā)展和普遍應(yīng)用。

近幾年來(lái)，我國(guó)的收獲機(jī)械發(fā)展很快，出現(xiàn)了很多收獲設(shè)備、動(dòng)力修剪收獲設(shè)備、多功能果園作業(yè)機(jī)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(guó)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(jī)和農(nóng)藝的協(xié)調(diào)存在問(wèn)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(jī)械化作業(yè)。

（2）人工采摘時(shí)，胳膊容易被枝條刮傷、擦傷等，在高處工作時(shí)，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(jī)械手是一種通用的水果采摘機(jī)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(zhǎng)度。適用于環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度高、采摘危險(xiǎn)性較高的場(chǎng)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?jī)?nèi)容

（1）采摘器:在各個(gè)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(shí)從高處安全順利的傳送至地面。

（3）驅(qū)動(dòng)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(wú)極伸縮桿將采摘器的機(jī)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(dòng)機(jī)械剪刀剪水果根蒂；當(dāng)水果根蒂達(dá)到剪切值時(shí)，水果會(huì)向下落，完成水果的采摘后，收傳送裝置會(huì)將其采集到指定，果實(shí)從高處安全順利的傳送至地面完成整個(gè)水果的采摘到接收的過(guò)程[5-6]，采摘過(guò)程如圖2 所示。

圖2 采摘器工作流程

3 主要設(shè)計(jì)

3.1 采摘器采摘方式的選擇

可以根據(jù)原理，采摘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)特點(diǎn)如表1 所示。

表1 各類不同工作原理的采摘機(jī)構(gòu)及特點(diǎn)

不同類型的采摘器各有優(yōu)缺點(diǎn)。吸收式雖有定位精度高、動(dòng)作靈敏等優(yōu)點(diǎn)，但需配有真空成形設(shè)備，且對(duì)果枝有很大傷害；抓取式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，但對(duì)果枝的損傷較大；剪切型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，對(duì)果枝損傷極少，但對(duì)位置的要求較高。所以，選用剪裁作用原理進(jìn)行果實(shí)采收最為適宜，且操作平穩(wěn)。在驅(qū)動(dòng)力模式上，機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但作業(yè)時(shí)，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(fèi)用較高。風(fēng)力機(jī)整體重量輕，無(wú)污染，具有豐富的能源，但是它的結(jié)構(gòu)和風(fēng)力機(jī)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(dòng)，操作簡(jiǎn)單、方便快捷。

因此，最佳的采摘機(jī)應(yīng)該是液壓剪切機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，對(duì)果枝和果穗的損傷較少，并且可以減少勞力?？烧{(diào)節(jié)的角度設(shè)計(jì)，使果實(shí)在任何一個(gè)角度都能安全可靠的采摘。

3.1.1 果實(shí)采摘過(guò)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(jī)構(gòu)就是利用這個(gè)空隙，成功地將相鄰的水果分開。相鄰果實(shí)的分離成功率100%。果梗部位可見(jiàn)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(zhǎng)度、大小等因素的差異，使得終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)或脫離時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)或脫離的慣性軸線的角度也會(huì)不同，若終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在果實(shí)后方與果實(shí)的慣性軸線的角度過(guò)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(dòng)力裝置，它由2 個(gè)小液壓缸件1 和件4，2 個(gè)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(dòng)系統(tǒng)的主要功用是傳遞動(dòng)力，由驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)油壓，去控制油缸活塞桿伸出或縮回來(lái)執(zhí)行各種動(dòng)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(dòng)力的方向。在驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)油壓使活塞推桿往向前進(jìn)時(shí)，刀頭開始向物體，然后刀頭合并起來(lái)，實(shí)現(xiàn)剪斷樹枝的功能。當(dāng)油壓減少時(shí)，活塞會(huì)在彈簧的彈力下往后退，實(shí)現(xiàn)復(fù)位，刀頭張開[7]。

4 強(qiáng)度校核

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)ANSYS/中望仿真軟件平臺(tái)對(duì)部分關(guān)鍵零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核。在使用過(guò)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(duì)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(tái)與角度固定機(jī)構(gòu)劃分網(wǎng)格，包含了2828 個(gè)節(jié)點(diǎn)、14960 個(gè)單元。施加固定約束在支架底座平臺(tái)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(diǎn)為支撐板上，從前文可知，本機(jī)構(gòu)采用45#鋼正火處理加工，其材料屈服強(qiáng)度為290 MPa，因此，該機(jī)構(gòu)強(qiáng)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(gè)節(jié)點(diǎn)、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(jī)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(jī)構(gòu)強(qiáng)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(jī)械手靠進(jìn)蘋果，然后撥動(dòng)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(dòng)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(yǔ)

采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)使用了液壓系統(tǒng)，它將液壓傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)，還實(shí)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(shí)際問(wèn)題，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。以機(jī)械手臂為基礎(chǔ)的水果收割裝置，是一種包含了自主行動(dòng)功能的技術(shù)含量高，屬于液壓式的簡(jiǎn)單的收摘器。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)便、成本低、效率高。使用了剪切式機(jī)械手臂，可以調(diào)整手臂的長(zhǎng)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(dòng)到刀片轉(zhuǎn)動(dòng)的方式來(lái)對(duì)果梗進(jìn)行切割，這樣可以快速地收獲果實(shí)，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(shí)，能夠?qū)⒐麑?shí)完全采摘，并能確保其保質(zhì)保量，是一種具有良好推廣價(jià)值的實(shí)用新型。