摘要：丘陵山區(qū)油茶林未經(jīng)修剪，機械采摘時采摘頭不易從正前方進入油茶果枝，為此，設計一種側邊掃入式油茶果采摘裝置。介紹側邊掃入式油茶果采摘裝置的工作原理，建立側邊掃入采摘頭與油茶果枝作用模型，仿真分析不同側邊掃入角度和極限位置情況下油茶果枝受采摘頭作用的應力，結果表明，油茶枝條橫截面上的正應力與切應力隨著側邊掃入角度的增大而增大。以油茶果采摘率和花苞損傷率為指標，以側邊掃入深度、側邊掃入角度和上、下分層膠輥間隙為因素，采用Box-Behnken試驗設計方法，進行三因素三水平二次旋轉正交組合試驗，得到最優(yōu)參數(shù)組合為側邊掃入深度440 mm、膠輥間距15 mm和側邊掃入角度0°。在此工況下進行驗證試驗，得到油茶果采摘率為92.96%，花苞損傷率為6.36%。

關鍵詞：油茶果；采摘裝置；龍門式；側邊掃入；分層采摘

中圖分類號：S225.93 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0035?07

Design and experiment of camellia fruit picking device with side sweep

Chen Jia， Kang Lichun， Rao Honghui， Yang Jialin， Tu Hengming， Liu Muhua

（College of Engineering， Jiangxi Agricultural University， Nanchang， 330045， China）

Abstract： Due to the lack of pruning of camellia forestry planted in hilly areas， it is difficult for the picking head to enter the fruit branches from the front. Therefore， a picking device for camellia fruit with side sweep was designed. The working principle of camellia fruit picking equipment with side sweep was introduced. The interaction model between picking head with side sweep and camellia branches was established， and the stress analysis for fruit branches was conducted under different side sweeping angles and the extreme position by means of ANSYS Workbench. Simulation results showed that the normal stress and shear stress on the cross section of the camellia fruit branches increased with the increase side sweeping angle. Taking the picking rate of camellia fruit and damage rate of camellia bud as experimental indexes， the distance between up and bottom rubber roller， side sweeping angle and depth as experimental factors， the three?factor three?level quadratic rotation orthogonal combination test were developed by Box-Behnken experimental design method. With the optimal parameter combination， the side sweeping depth was 440 mm， the distance between up and bottom of rubber roller was 15 mm and the side sweep angle was 0°. Under this working condition， the picking rate of camellia fruit was 92.96%， and the damage rate of camellia bud was 6.36% by verification test.

Keywords： camellia fruit; picking device; gantry type; side sweeping; layered?picking

0 引言

油茶是世界四大木本油料植物之一，是我國特有的木本油料樹種，茶油被譽為“東方橄檻油”[1， 2]。目前全國油茶種植面積約4 530 khm2，已有15個省份近800個縣種植油茶，種植面積在6.7 khm2以上的縣有200個左右[3]。油茶果采摘的季節(jié)性強，適采期短[4]，自動化程度很低[5]，因此，實現(xiàn)油茶果機械化采摘是亟待解決的問題。

目前，我國在油茶果機械化采摘方面已取得一定的成果。高自成等[6]設計了一種懸掛振動式油茶果采摘機構，其仿真分析結果與采收動力學模型一致，試驗結果表明落果率和落花率隨著采摘頻率增加而增加，落果率隨著加持高度增加而增加，落花率隨著夾持高度增加而減小。伍德林等[7]設計的搖枝式油茶果采摘機，采用四因素三水平正交試驗，得出最佳作業(yè)參數(shù)組合為：采摘裝置的采摘時間10 s、電機輸出頻率35 Hz、采摘頭的振幅5 cm，及采摘爪的夾持位置（夾持油茶枝的夾持中心到油茶樹冠層距離）10～20 cm，此時油茶果采凈率為95.2%，花苞損傷率為17.2%。饒洪輝等[8]設計了一種電動膠輥旋轉式油茶果采摘執(zhí)行器，當膠輥直徑為30 mm，間距為25 mm，膠輥旋轉速度為30 r/min，膠輥線速度為0.833 m/s時，漏采率為13.6%，且有較低的花苞損傷率。王東等[9]設計了一種振動式油茶青果采收機，通過采收試驗表明，采收機結構設計合理，在夾持位置距離地面設定為100 mm，振動頻率為25 Hz時，油茶青果采收機油茶果采摘率為95.6%，花苞損失率為3.3%。饒洪輝等[10]設計的液壓驅動式油茶果采摘機運用綜合評分法，以最高油茶果采摘率、最低花苞損傷率為條件，得出最佳參數(shù)組合為：上下組膠輥間距15 mm、旋轉架轉速55 r/min、膠輥直徑30 mm。杜小強等[11]設計的履帶式高地隙油茶果振動采收機能夠在油茶樹種植行間行走，采摘時通過擊打裝置將油茶果柔性打落，試驗結果表明油茶果采收率為87.56%，花苞掉落率為25.86%。盡管我國研制的油茶果采摘機械有著較高的采摘率，但花苞損傷率還有待降低。

國外林果機械化采摘起步較早，主要以振動方式[12]為主，隨著圖像采集和處理技術的發(fā)展，國外林果采摘機器人[13， 14]在多個領域已有所突破，但國外林果采摘機械尺寸較大，不適合我國南方丘陵山區(qū)的油茶果采摘。

成林后如果油茶枝不加修剪，果枝濃密，油茶采摘頭不易正面進入油茶果枝。為此，本文設計一種側邊掃入式油茶果采摘裝置，以期實現(xiàn)采摘頭側邊進入油茶果枝，在滿足油茶果采摘率時，降低花苞損傷率。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

側邊掃入式油茶果采摘裝置主要由行走系統(tǒng)、采摘部分、液壓系統(tǒng)和門式車架組成，整機結構如圖1所示。整機動力由48 V蓄電池組和汽油機增程器提供，能夠實現(xiàn)較長時間的工作。行走系統(tǒng)主要由履帶總成、伺服電機、蝸輪蝸桿減速器和伺服電機驅動器等組成，控制部分通過與遙控器無線連接，整機能夠實現(xiàn)前進、后退、轉彎及原地自轉動作；采摘部分主要由采摘頭、角度調節(jié)機構、滾珠絲桿升降裝置、導軌—滑塊和鋁型材框架組成，采摘部分通過鉸鏈、掛接鋼板與車架連接，在側邊電動推桿的作用下能夠實現(xiàn)水平方向上的旋轉；液壓系統(tǒng)由液壓單元、手動換向閥、單向節(jié)流閥、液壓缸和壓力表組成，液壓單元由液壓泵和油箱和電磁閥組成，蓄電池組提供動力，以實現(xiàn)液壓缸的往復運動。

1.2 工作原理

將側邊掃入式油茶果采摘裝置停在油茶樹的合適位置處，通過控制盒上按鈕使采摘頭上的分層采摘機構動作，讓分層采摘機構上的電動推桿推動膠輥張開；啟動液壓單元并操作換向閥使得液壓缸伸出，帶動采摘頭靠近要采摘的樹枝側面；經(jīng)角度調節(jié)機構使采摘頭調整到最佳位置處?？刂苽冗叞惭b的電動推桿將采摘頭從側邊掃入進樹枝中，并通過控制盒上按鈕讓膠輥閉合，將要采摘的樹枝夾緊，由液壓缸的帶動往后收縮，油茶果與膠輥發(fā)生碰撞和摩擦而掉落，通過安裝在鋁型材框架下方的收集網(wǎng)收集。由于夾緊后的膠輥間距小于油茶果的直徑，大于花苞的直徑，且膠輥能夠自轉。因此，油茶果能夠在膠輥的碰撞下脫落，花苞也不易損傷。

2 關鍵結構設計

2.1 分層采摘機構設計

為更好地實現(xiàn)油茶果分層和采摘功能，本文設計了分層采摘機構，將兩者功能合二為一，如圖2所示。

下分層桿與T形板一同固定在鋁型材架子上，電動推桿尾端與T形板連接，活動端與上分層桿連接，在電動推桿的伸出與收縮作用下，分層采摘機構可實現(xiàn)張開與夾緊動作。由于油茶果枝自然生長的一層平均厚度為290 mm，且油茶果分布在離樹冠表層0～500 mm范圍內，大部分集中在樹冠表層260 mm左右，據(jù)此初步擬定分層采摘機構的主要參數(shù)，如表1所示，其結構如圖3所示。由表1可得，圖3中A、F的兩點距離完全張開時大于290 mm，滿足喂入一層油茶果枝要求。

2.2 間隙調節(jié)機構設計

間隙調節(jié)機構可以調節(jié)膠輥之間的距離。間隙調節(jié)機構由橡膠材料制成，分為上、下兩部分，下半部分與下分層桿連接固定，上半部分與上分層桿相連，并開有直槽口，上半部分間隙調節(jié)機構可通過直槽口來改變安裝位置，由此膠輥之間的距離也會相應變化。由于油茶果直徑為20～50 mm，油茶花苞短徑小于10 mm，據(jù)此直槽口的長度設計為10 mm，通過間隙調節(jié)機構可實現(xiàn)膠輥間距在10～20 mm之間調節(jié)，如圖4所示。

2.3 側邊掃入機構設計

側邊掃入機構是實現(xiàn)采摘頭側邊掃入的關鍵機構，如圖5所示。

側邊掃入機構主要由掛接鋼板、鉸鏈、側邊電動推桿、推桿固定件和鋁型材框架組成。掛接鋼板通過螺栓固定在龍門式車架上，鉸鏈一端與掛接鋼板連接，另一端與鋁型材框架相連，側邊電動推桿的尾部固定鉸接在龍門式車架上，頭部與鋁型材框架鉸接。通過側邊電動推桿的伸縮，可帶動采摘部分繞著合頁鉸鏈旋轉，進而實現(xiàn)采摘頭的側邊掃入功能。為滿足側邊掃入式油茶果采摘裝置采摘整棵油茶樹要求，需對側邊掃入機構中的電動推桿行程進行計算。由于單側的兩組采摘部分對稱安裝在車架的兩側，因此，只對單組采摘部分進行分析。如圖6所示，CF為車架中線，采摘部分在側邊電動推桿的作用下擺動至車架中線處，可滿足設計要求。

由余弦定律可得

[cos∠ABD=lAB2+lBD2-lAD22lABlBD=cos（90°+∠BCF）]（1）

[∠BCF=arcsinlBFlBC] （2）

[lAD=lAE+l] （3）

[lAE2=lBE2+lAB2] （4）

[lBE=lBD] （5）

式中： [lBC]——膠輥到鉸鏈的距離，mm；

[lBE]——推桿頭部安裝位置到鉸鏈的水平距離，mm；

[lAE]——推桿初始長度，mm；

[lAD]——推桿伸出后的長度，mm；

[lBF]——鉸鏈到車架中線的距離，mm；

[lAB]——推桿尾部安裝位置到鉸鏈的距離，mm；

[l]——推桿行程，mm。

由樣機尺寸先初定側邊掃入機構尺寸，然后計算側邊掃入電動推桿行程是否滿足設計要求。將初步擬定機構尺寸代入到式（1）～式（5）中，得出[l=]69 mm，為了使采摘頭獲得更大的旋轉范圍，選擇100 mm行程的電動推桿。

3 基于ANSYS Workbench的采摘頭與枝條相互作用模型應力分析

3.1 模型建立

油茶果枝在采摘頭不同角度掃入作用時，其產(chǎn)生的應力也不相同。為探索油茶果枝在采摘頭不同掃入角度作用的應力規(guī)律，將采摘頭與枝條設置三種相對位置：采摘頭（膠輥張開至最大，膠輥間距為300 mm）順著枝條生長方向從側邊平行掃入進去，設為0°，如圖7（a）所示。此時，若膠輥間距與單層油茶枝條厚度相等，側邊掃入較易；為了提高采摘裝置在采果時的適應性，在0°的基礎上，保持兩膠輥間距不變，將下分層桿圍繞平行掃入位置變化±10°，分別如圖7（b）和圖7（c）所示。

當采摘頭的膠輥間距小于單層油茶枝條厚度時，此時若膠輥間距過小，采摘頭的上、下分層桿難以進入油茶枝條，油茶枝條會隨采摘頭一起擺動，擺幅過大時枝條易產(chǎn)生破壞。為此，分析膠輥間距達到最小時且能進入油茶枝條的極限掃入位置，即采摘頭以0°掃入，膠輥間距為最小時（由試驗測得最小膠輥間距為130 mm），如圖8所示。

為分析枝條的應力，將枝條設置為柔性體，其余各零件設置為剛體，將枝條賦予相應的材料屬性，其余各零件賦予鋼材的材料屬性，材料參數(shù)如表2所示。依次將各轉動副和移動副添加到相應的位置，在枝條右側添加固定約束，設置靠近枝條的上、下兩根分層桿與枝條為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2，求解時間設置為0.5 s，移動副載荷速度設置為48 mm/s，設置枝條為柔性體，使用六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質量為0.76。

3.2 仿真分析

由于枝條右側端面與全局坐標系的x軸垂直，與yz平面平行，所以仿真結果中的正應力和切應力與枝條的實際正應力和切應力相對應。采摘頭與枝條相互作用的正應力如圖9所示。

由圖9可知，不同掃入角度和極限掃入位置下的枝條最大正應力均發(fā)生在次枝與主枝連接點附近。當掃入角度分別為0°、10°、-10°和極限掃入位置時，枝條所受的最大正應力分別為0.029 41 MPa、0.035 47 MPa、0.036 10 MPa、0.040 09 MPa。由此可得，枝條所受的正應力隨掃入角度的增大而增大，以極限掃入位置進入枝條時，枝條所受的正應力最大。

采摘頭與枝條相互作用的切應力如圖10所示。從圖10可知，不同掃入角度和極限掃入位置下的枝條最大切應力均發(fā)生在次枝與主枝連接點附近。當掃入角度分別為0°、10°、-10°和極限掃入位置時，枝條所受的最大切應力分別為0.008 86 MPa、0.009 93 MPa、0.010 15 MPa、0.017 23 MPa。由此可得，枝條所受的切應力隨掃入角度的增大而增大，以極限掃入位置進入樹枝時，枝條所受的切應力最大。

根據(jù)仿真結果可知，枝條所受最大正應力為0.040 09 MPa，最大切應力為0.017 23 MPa，由油茶枝條抗拉強度為26.44 MPa和剪切破壞應力9.02 MPa[15]可得，枝條所受的最大正應力與最大切應力均未超過枝條的抗拉強度和抗剪切破壞應力，因此采摘頭從側邊掃入進油茶枝條不會造成枝條的破壞。

4 油茶果采摘試驗與結果分析

4.1 采摘試驗

樣機組裝后，為了驗證側邊掃入采摘原理，在江西省林業(yè)科學院進行初步試驗。江西省林業(yè)科學院油茶良種基地油茶樹種植時株行距為2 m×2.5 m，油茶成林后行距小于1.5 m，且枝條濃密未修剪，果實分布在離樹梢0～0.5 m范圍內。運用Box-Behnken試驗設計方法進行了三因素三水平二次旋轉正交組合試驗，試驗選取不同的9棵油茶樹，共進行了17組試驗。每組試驗選取長勢大致相同的兩層油茶枝，每層枝條上均有油茶果和油茶花苞，每組試驗做兩次取平均值。

根據(jù)仿真結果選取側邊掃入角度為試驗因素，水平為-10°、0°和+10°；根據(jù)文獻[10]選擇膠輥間距為試驗因素，在油茶林測得油茶果直徑較小，取三個水平為12 mm、15 mm、18 mm；根據(jù)文獻[15]選擇側邊掃入深度為試驗因素，且油茶果在離樹冠表層0～500 mm均有分布，故取三個水平為400 mm、440 mm、480 mm。試驗因素與水平如表3所示。

4.2 結果分析

統(tǒng)計油茶果與花苞掉落和未掉落的數(shù)量，得到油茶果采摘率與花苞損傷率，結果如表4所示，其中X1、X2、X3為因素編碼值。

由表4可知，采摘試驗中油茶果平均采摘率為90.78%，花苞平均損傷率為7.93%。根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，利用Design-Expert軟件得到油茶果采摘率和花苞損傷率二次多項式回歸模型，分別如式（6）和式（7）所示。

[Y1=93.71+3.02X1-0.42X2-0.33X3+0.55X1X2+0.34X1X3+0.27X2X3-2.53X12-1.28X22-2.42X32] （6）

[Y2=6.14-0.23X1-1.18X2+0.062X3-0.15X1X2+0.23X1X3-0.098X2X3+1.22X12+1.56X22+1.04X32] （7）

由表5和表6可知，2個回歸模型的P值均小于0.01，說明回歸模型極顯著；2個模型失擬項的P值均大于0.05，說明模型失擬性不顯著，回歸模型擬合程度高。由側邊掃入深度、膠輥間距和側邊掃入角度的P值可判斷對油茶果采摘率的影響從大到小依次為側邊掃入深度、膠輥間距、側邊掃入角度，對花苞損傷率的影響從大到小依次為膠輥間距、側邊掃入深度、側邊掃入角度。兩模型的決定系數(shù)R2分別為0.932 7、0.911 3，都接近1，變異系數(shù)CV分別為1.33%、8.84%均小于15%，說明回歸模型可靠性較高。

4.3 試驗結果響應曲面分析

根據(jù)回歸模型分析結果，利用Design-Expert軟件繪制各因素交互效應3D響應曲面圖，固定3個因素中的1個因素為中間水平，分析其他兩個因素對油茶果采摘率和花苞損傷率的影響[16]。

由圖11可知，當側邊掃入深度為440 mm時，隨著膠輥間距的增大，油茶果采摘率和花苞損傷率均呈下降趨勢，這是因為隨著膠輥間距的增大，直徑小于膠輥間距的油茶果在采摘時易從采摘膠輥間隙中漏過，未能在膠輥碰撞下脫落。由于花苞直徑遠小于膠輥間距，隨著膠輥間距的增大，花苞損傷率將下降。隨著側邊掃入角度的增大，油茶果采摘率呈下降趨勢，花苞損傷率呈上升趨勢，這是因為側邊掃入角度的增大，采摘頭采摘時的有效深度減小，分布在里層的油茶果會漏采。另外，側邊掃入角度的增大，增加了采摘頭與樹枝的碰撞概率，造成花苞損傷率的增大。

由圖12可知，當膠輥間距為15 mm時，隨著側邊掃入角度的增大，油茶果采摘率呈下降趨勢，花苞損傷率呈上升趨勢，這也因為采摘時的有效深度減小了，存在漏采的情況，側邊掃入角度的增大使得采摘頭與樹枝碰撞概率增大，導致花苞損傷率的上升。隨著側邊掃入深度的增大，油茶果采摘率和花苞損傷率均呈上升趨勢，這是因為側邊掃入深度對油茶果采摘率影響顯著，而側邊掃入深度增大的同時，膠輥夾住樹枝后，在重力作用下樹枝的下垂更大，采摘時樹枝從下垂狀態(tài)變?yōu)槔睜顟B(tài)，過程中增大了花苞與膠輥的碰撞概率，造成花苞損傷率的上升。

由圖13可知，當側邊掃入角度為0°時，隨著側邊掃入深度的增大，油茶果采摘率和花苞損傷率均呈上升趨勢，這也是因為側邊掃入深度直接決定了采摘的有效深度，而側邊掃入深度的增大，使得樹枝從下垂狀態(tài)變?yōu)槔睜顟B(tài)過程中膠輥與花苞碰撞概率增大。隨著膠輥間距的增大，油茶果采摘率和花苞損傷率均呈下降趨勢，這是因為隨著膠輥間距的增大，直徑小于膠輥間距的油茶果在采摘時易從采摘膠輥間隙中漏過，未能在膠輥碰撞下脫落。由于花苞直徑遠小于膠輥間距，隨著膠輥間距的增大，花苞損傷率將變小。

運用Design-Expert軟件中的Optimization功能，以油茶果采摘率最大、花苞損傷率最小為條件，求解回歸模型得到裝置的最優(yōu)參數(shù)組合為側邊掃入深度440 mm，膠輥間距15 mm，側邊掃入角度0°。為了驗證最優(yōu)參數(shù)組合下樣機的性能，進行了5次驗證試驗，試驗結果如表7所示。由表7可知，在最優(yōu)參數(shù)組合下，油茶果平均采摘率為92.07%，花苞平均損傷率為6.39%。

5 結論

1） 針對油茶樹成林后果枝濃密，縱橫交錯，采摘頭正面進入不易問題，設計一種側邊掃入式油茶果采摘裝置。其中分層采摘機構上、下分層桿喂入油茶果枝厚度大于290 mm，間隙調節(jié)機構為10～20 mm，側邊掃入機構電動推桿行程為100 mm。

2） 采摘頭與油茶枝條相互作用模型仿真結果表明，枝條所受的正應力和切應力隨掃入角度的增大而增大，且在極限掃入位置最大，均不會對油茶枝條造成破壞。

3） 影響油茶果采摘率的因素依次為側邊掃入深度、膠輥間距、側邊掃入角度；影響花苞損傷率的因素依次為膠輥間距、側邊掃入深度、側邊掃入角度。

4） 以膠輥間距、掃入角度和掃入深度為因素，以油茶果采摘率和花苞損傷率為指標進行三因素三水平二次旋轉正交試驗。優(yōu)化后的驗證試驗結果表明，在側邊掃入深度440 mm，膠輥間距15 mm，側邊掃入角度0°時，油茶果采摘率為92.07%，花苞損傷率為6.39%。

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