發布時間：2020-02-22所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:蘋果采摘是蘋果生產作業中最耗時費力的環節，實現蘋果快速采摘是現代化采摘作業的重要途徑。本研究設計的偏心切割式蘋果采摘裝置主要由偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿和緩沖下落通道3部分構成:偏心式采摘頭采用刀片偏心旋轉實現果柄的切割;伸縮桿采用可拆
摘要:蘋果采摘是蘋果生產作業中最耗時費力的環節，實現蘋果快速采摘是現代化采摘作業的重要途徑。本研究設計的偏心切割式蘋果采摘裝置主要由偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿和緩沖下落通道3部分構成:偏心式采摘頭采用刀片偏心旋轉實現果柄的切割;伸縮桿采用可拆卸設計，實現不同高度蘋果的采摘;緩沖下落通道采用內置緩沖布條的布制通道構成，以防止蘋果在跌落過程中的損傷。在西北農林科技大學北校區園藝場隨機選擇5棵蘋果樹進行了采摘性能田間采摘試驗，共采摘蘋果150個。試驗結果表明:該裝置的采摘成功率為92.00%，蘋果采摘受損率平均為4.70%。該蘋果采摘裝置的設計與試驗為其它同類型的水果采摘裝置的設計與改進提供了參考，有利于提升輔助人工的水果采摘裝備研發水平。
關鍵詞:蘋果;采摘;偏心切割;優化;校核
0引言
我國是蘋果種植大國，年產量超過8000萬t，居世界首位。在水果的生產作業中，采摘是最耗時費力的環節，水果收獲期間占用勞力約是整個種植過程的30%～50%，且采摘的方式和質量直接影響到水果的質量、貯藏和加工，從而影響到最終的市場價值和經濟效益[1-3]。傳統的人工采摘方式雖然保障了蘋果的質量，但效率過低，雖然我國農業生產已步入機械化、智能化，但與發達國家相比，在農業作業自動化程度方面仍有一定的差距，且智能化、機械化成本高，不易小戶推廣，采摘作業依然需要大量的人力資源[4-5]。為此，方便快捷地輔助人工式蘋果采摘裝置更符合我國國情，具有重要的意義[6]。
現階段，蘋果采摘部分主要有基于帶有末端執行器的機械手和采摘桿兩種。末端執行器的形態包括關節型的兩指、仿人指抓取夾持型及氣動彎曲關節型[7-10]。機械手按坐標形式可分為直角坐標型機械手、圓柱坐標型機械手、球坐標型機械手和多關節型機械手[11-13]。兩種采摘器各有利弊，綜合分析其采摘效率、靈敏度、成本及實現的難易程度，采摘桿更容易被用戶接受。輔助人工式的采摘桿具有可靠性好，適應性強，靈敏度高，易維護等優點。張芳蘭[14]等設計了一種手持式水果采摘機構，通過電機帶動圓鋸片轉動切割水果，并落入下方緩沖袋，緩沖袋由內部有橫向布條的布袋構成。成理鵬[15]等利用搖桿機構套住蘋果，通過液壓伸縮桿收縮拉扯完成蘋果采收。趙鳳芹[16]通過伸縮桿的內嵌彈珠結構控制剪刀剪下果柄，落入果籃。
為實現同一裝置對高枝蘋果及矮化蘋果的普適性采摘，且使采摘更加輕松、便捷、高效，設計了一款輔助人工式蘋果采摘裝置。該裝置采摘部分采用可拆卸設計，可分別完成對高枝果及矮化果的采摘，工作時通過圓形刀片偏心轉動完成果柄的切斷，通過緩沖通道實現快速無損下落，以滿足高效采摘的需求。
1蘋果采摘裝置結構及工作原理
1.1結構組成及特點
蘋果采摘裝置主要由偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿和緩沖下落通道3部分組成，如圖1所示�？刹鹦渡炜s桿由安裝頭、手持柄、手持開關、內套桿、外套桿及桿開關等部件組成;偏心式采摘頭由V型引柄底板、供電電池、圓盤刀片、電機、大齒輪及小齒輪等部件組成;緩沖下落通道由下落通道及緩沖布條等部件組成。
其結構特點是:V型引柄底板上方固定有電機，電機軸與小齒輪固連，小齒輪與大齒輪安裝于V型引柄底板下方，大齒輪軸通過軸與圓形切刀偏心安裝。根據蘋果果實特點，采用固定式偏心距，其值為10mm，偏心刀片固定于V型引柄底板上，其固定點到圓形刀片的最短距離比該點到V型引柄底板引柄槽的垂直距離小3mm;采摘刀頭下方裝有下落通道，下落通道內部裝有各方向多角度緩沖布條，采摘刀頭與安裝頭固連，安裝頭通過鉸鏈與手持柄鉸接，手持柄手持處置有手持開關，手持柄與內套桿構成可拆卸連接，內套桿內套于外套桿構成伸縮桿外套桿手持處置有桿開關。采摘裝置實物圖如圖2所示。
1.2工作原理
該采摘裝置可完成蘋果的留柄采摘及快速輸送，其工作原理是:采摘刀頭采用V型引柄底板設計，當上下任意開關閉合，通過電池供電，使電機通過齒輪傳動帶動圓形切刀產生偏心式切割，將果柄壓入深U型切割位置，進而完成對果柄的切割。采摘桿采用可拆卸式設計，伸縮桿上端通過鉸鏈與采摘頭相連，可以自由調節采摘頭的采摘傾斜角度，便于采摘;鉸鏈下端即為手持手柄，手柄手持位置安裝有刀頭啟動開關，手柄末端可與伸縮桿進行可拆卸的嵌套連接，并連通電路;伸縮桿末端手持處同樣置有按壓式開關，兩個開關為并聯關系，起到采摘桿拆卸前后可獨立控制電路通斷的效果。緩沖通道內部裝有若干條相距若干距離、具有一定相對旋轉角度布條，在蘋果下落時起到緩沖的作用。該裝置技術參數如表1所示。
2關鍵部件設計
2.1采摘刀頭主體部分結構與參數設計
蘋果的采摘成功率是衡量采摘裝置性能優劣的重要指標，而采摘刀頭的合理設計是保證蘋果采摘成功的關鍵。采摘刀頭的設計取決于采摘蘋果的外形尺寸，采摘50個體態飽滿、完整的煙富2號紅富士蘋果，測得這些蘋果中最大橫徑97.7mm、平均高度89.4mm、果形指數0.87、果柄平均長度28.6mm、果柄最大直徑3.3mm、單果平均質量276.3g，如圖3所示。
煙富2號紅富士蘋果較其他種類蘋果具有果柄較長、果實較大的特點，因此確定采摘刀頭主體結構為前置V型引柄槽，引柄槽后接深U型切柄槽。采摘刀頭主體結構過大會導致采摘刀頭難以進入茂密的枝杈間采摘蘋果，且造成材料的浪費及質量的增加;過小則不易將果柄引入切割位置，降低了采摘效率。因此，根據蘋果外形尺寸，并綜合考慮枝杈間隙，最終確定采摘刀頭主體部分結構的各項參數:底板寬取100mm，底板長取120mm，U型槽深取40mm，U型槽寬取5mm，尖角角度取45°，如圖4所示。
2.2采摘刀頭執行部件結構與參數設計
現階段采用旋轉式切割刀頭多為直線式，這種切割形式極易造成刀頭在切割果柄時產生卡頓，本裝置設計的采摘刀頭采用偏心式切割果柄的方式，采摘刀頭結構如圖5所示。
刀頭幾何參數對切割成功率影響較大，為保證所設計的刀頭能夠較好完成切割果柄的工作，對該刀頭切割效果進行理論計算及校核。刀頭剪切力的計算公式如式(1)～式(3)所示。
由試驗結果可知:切刀旋轉速度對各指標影響表現為極顯著，隨著切刀旋轉速度的增加，切割果柄的卡停率逐漸降低，退出率逐漸增大，切柄時長逐漸減少。這是由于切刀旋轉速度增加，切刀相應的切割力增大，切割時發生卡頓的概率降低，相應的切割時間也會減少，但飛速旋轉的切刀卻更容易將果柄推出，造成果柄損傷。由試驗結果可知:切刀旋轉的速度為18r/s時，切柄的卡停率為3.1%，退出率為3.0%，切柄時長為2.6s，該速度下切割果柄的效果較好。
2.4可拆卸伸縮桿結構與參數設計
可拆卸伸縮桿的手柄部分主要用于采摘矮化的蘋果或在采摘作業平臺上使用，加上伸縮桿后，主要用于采摘人手難以觸及的蘋果，兩者采用卡扣相連。依據中華人民共和國國家標準中國成年人人體尺寸，選取18～60歲男性、18～55歲女性50百分位的人體模型尺寸測得如表4所示。
選取陜西省楊凌區當地500株生長健康、體態正常的煙富2號紅富士蘋果果樹，測量其蘋果生長的高度，得到平均最大高度為3300mm，最低高度為1200mm。由此根據人機工程學相關理論及測得的蘋果生長高度確定采摘桿的手柄長為100mm，直徑為25mm，采摘桿的內套管長度為1100mm，直徑為22mm，外套桿長度為1100mm，直徑為25mm。
2.5緩沖下落通道結構設計
緩沖下落通道主要功能是使采摘的蘋果既能快速輸送至下方，能有效減緩蘋果在出口處的速度，防止因速度過大造成在出口處的碰撞損傷。緩沖下落通道采用一條內部裝有各方向多角度緩沖布條的布制通構成，布條寬度為10mm，布條間距為180mm，布條之間的布條相對旋轉角度為60°。
3試驗分析
3.1試驗材料及設備
試驗材料是陜西省楊凌示范區西北農林大學北校園藝場所產出的煙富2號紅富士蘋果。該種蘋果果實呈圓或長圓形，果型端正，果形指數0.85～0.89;大型果，平均單果質量250～304g，果樹高1200～3300mm，果實著色好，色調濃紅艷麗，光潔美觀;硬度8.6～9.6kg/cm2。成熟期為10月中下旬，貯藏性能同長富2號，外觀品質明顯優于長富2號，肉質與其相仿，以短果枝結果為主，有腋花芽結果習性，較豐產[17]。
2018年9月2日在西北農林科技大學北校園藝場對該裝置進行田地采摘試驗，驗證本文所設計的蘋果采摘裝置對蘋果的采摘的可行性以及可靠性，如圖6所示。
3.2田地試驗及分析試驗主要研究該機器的蘋果采摘部分的性能及優缺點，隨機選擇摘取5棵長勢健康的煙富2號蘋果樹，為了驗證該機器的采摘性能，因此除去本機器高度所達不到的蘋果數量，以及已經有較大損傷面積的蘋果，將其余不受高度影響的蘋果和相對較完好的蘋果的數量作為本試驗的總體樣本，并進行采摘試驗。同時，根據單個蘋果采摘所需的時間長短，將采摘時間大于6s的采摘稱為采摘失敗，小于6s的稱為采摘成功，定義采摘成功的蘋果總數占試驗總體的比值為蘋果采摘成功率。采摘時，對每棵蘋果樹不同高度上的蘋果進行試驗，并記錄下傷痕尺寸及蘋果直徑。
試驗結果表明:該機器的采摘蘋果受損率在3%～7%之間，受損的主要原因有:①蘋果柄過短，采摘時采摘頭觸碰果實造成的傷害;②果樹枝條過于繁茂，采摘時蘋果間相撞造成的傷痕;③高處蘋果下落高度較高，落入機器時機器與蘋果的碰撞造成的傷痕;根據試驗結果可以發現:該機器對蘋果采摘的受損率相對較低，成功率較高，由于采摘頭、下落通道及機器接收蘋果處設計的緩沖裝置，較大程度地降低了蘋果的受損率。試驗結果表明:蘋果損傷率的高低與蘋果的高度有著密切的聯系，隨著高度的增加，蘋果的受損率逐漸增高，而蘋果的采摘成功率為92.12%。4結論1)介紹了一種偏心切割式蘋果采摘裝置結構、工作原理及設計優化，該機器由偏心式采摘頭、可拆卸伸縮桿和緩沖下落通道3大部分組成。偏心式采摘頭采用刀片偏心旋轉實現果柄的切割;伸縮桿采用可拆卸設計，以實現不同高度蘋果的采摘;緩沖下落通道采用內置緩沖布條的布制通道構成，以防止蘋果在跌落過程中的損傷。2)在陜西省楊凌示范區西北農林科技大學北校區園藝場進行了偏心切割式蘋果采摘裝置采摘性能的田地試驗，結果表明:該機器的蘋果平均采摘成功率較高，為92.00%;蘋果采摘受損率變化較大，平均受損率為4.70%。
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