發(fā)布時(shí)間：2020-02-22所屬分類(lèi)：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:蘋(píng)果采摘是蘋(píng)果生產(chǎn)作業(yè)中最耗時(shí)費(fèi)力的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果快速采摘是現(xiàn)代化采摘作業(yè)的重要途徑。本研究設(shè)計(jì)的偏心切割式蘋(píng)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(gòu)成:偏心式采摘頭采用刀片偏心旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)果柄的切割;伸縮桿采用可拆
摘要:蘋(píng)果采摘是蘋(píng)果生產(chǎn)作業(yè)中最耗時(shí)費(fèi)力的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果快速采摘是現(xiàn)代化采摘作業(yè)的重要途徑。本研究設(shè)計(jì)的偏心切割式蘋(píng)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(gòu)成:偏心式采摘頭采用刀片偏心旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)果柄的切割;伸縮桿采用可拆卸設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同高度蘋(píng)果的采摘;緩沖下落通道采用內(nèi)置緩沖布條的布制通道構(gòu)成，以防止蘋(píng)果在跌落過(guò)程中的損傷。在西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)園藝場(chǎng)隨機(jī)選擇5棵蘋(píng)果樹(shù)進(jìn)行了采摘性能田間采摘試驗(yàn)，共采摘蘋(píng)果150個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果表明:該裝置的采摘成功率為92.00%，蘋(píng)果采摘受損率平均為4.70%。該蘋(píng)果采摘裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)為其它同類(lèi)型的水果采摘裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了參考，有利于提升輔助人工的水果采摘裝備研發(fā)水平。
關(guān)鍵詞:蘋(píng)果;采摘;偏心切割;優(yōu)化;校核
0引言
我國(guó)是蘋(píng)果種植大國(guó)，年產(chǎn)量超過(guò)8000萬(wàn)t，居世界首位。在水果的生產(chǎn)作業(yè)中，采摘是最耗時(shí)費(fèi)力的環(huán)節(jié)，水果收獲期間占用勞力約是整個(gè)種植過(guò)程的30%～50%，且采摘的方式和質(zhì)量直接影響到水果的質(zhì)量、貯藏和加工，從而影響到最終的市場(chǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。傳統(tǒng)的人工采摘方式雖然保障了蘋(píng)果的質(zhì)量，但效率過(guò)低，雖然我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已步入機(jī)械化、智能化，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在農(nóng)業(yè)作業(yè)自動(dòng)化程度方面仍有一定的差距，且智能化、機(jī)械化成本高，不易小戶(hù)推廣，采摘作業(yè)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(píng)果采摘裝置更符合我國(guó)國(guó)情，具有重要的意義[6]。
現(xiàn)階段，蘋(píng)果采摘部分主要有基于帶有末端執(zhí)行器的機(jī)械手和采摘桿兩種。末端執(zhí)行器的形態(tài)包括關(guān)節(jié)型的兩指、仿人指抓取夾持型及氣動(dòng)彎曲關(guān)節(jié)型[7-10]。機(jī)械手按坐標(biāo)形式可分為直角坐標(biāo)型機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手、球坐標(biāo)型機(jī)械手和多關(guān)節(jié)型機(jī)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(shí)現(xiàn)的難易程度，采摘桿更容易被用戶(hù)接受。輔助人工式的采摘桿具有可靠性好，適應(yīng)性強(qiáng)，靈敏度高，易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。張芳蘭[14]等設(shè)計(jì)了一種手持式水果采摘機(jī)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)圓鋸片轉(zhuǎn)動(dòng)切割水果，并落入下方緩沖袋，緩沖袋由內(nèi)部有橫向布條的布袋構(gòu)成。成理鵬[15]等利用搖桿機(jī)構(gòu)套住蘋(píng)果，通過(guò)液壓伸縮桿收縮拉扯完成蘋(píng)果采收。趙鳳芹[16]通過(guò)伸縮桿的內(nèi)嵌彈珠結(jié)構(gòu)控制剪刀剪下果柄，落入果籃。
為實(shí)現(xiàn)同一裝置對(duì)高枝蘋(píng)果及矮化蘋(píng)果的普適性采摘，且使采摘更加輕松、便捷、高效，設(shè)計(jì)了一款輔助人工式蘋(píng)果采摘裝置。該裝置采摘部分采用可拆卸設(shè)計(jì)，可分別完成對(duì)高枝果及矮化果的采摘，工作時(shí)通過(guò)圓形刀片偏心轉(zhuǎn)動(dòng)完成果柄的切斷，通過(guò)緩沖通道實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損下落，以滿足高效采摘的需求。
1蘋(píng)果采摘裝置結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)
蘋(píng)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。可拆卸伸縮桿由安裝頭、手持柄、手持開(kāi)關(guān)、內(nèi)套桿、外套桿及桿開(kāi)關(guān)等部件組成;偏心式采摘頭由V型引柄底板、供電電池、圓盤(pán)刀片、電機(jī)、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(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:V型引柄底板上方固定有電機(jī)，電機(jī)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(guò)軸與圓形切刀偏心安裝。根據(jù)蘋(píng)果果實(shí)特點(diǎn)，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(diǎn)到圓形刀片的最短距離比該點(diǎn)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(nèi)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(guò)鉸鏈與手持柄鉸接，手持柄手持處置有手持開(kāi)關(guān)，手持柄與內(nèi)套桿構(gòu)成可拆卸連接，內(nèi)套桿內(nèi)套于外套桿構(gòu)成伸縮桿外套桿手持處置有桿開(kāi)關(guān)。采摘裝置實(shí)物圖如圖2所示。
1.2工作原理
該采摘裝置可完成蘋(píng)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(shè)計(jì)，當(dāng)上下任意開(kāi)關(guān)閉合，通過(guò)電池供電，使電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)圓形切刀產(chǎn)生偏心式切割，將果柄壓入深U型切割位置，進(jìn)而完成對(duì)果柄的切割。采摘桿采用可拆卸式設(shè)計(jì)，伸縮桿上端通過(guò)鉸鏈與采摘頭相連，可以自由調(diào)節(jié)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(dòng)開(kāi)關(guān)，手柄末端可與伸縮桿進(jìn)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(kāi)關(guān)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)為并聯(lián)關(guān)系，起到采摘桿拆卸前后可獨(dú)立控制電路通斷的效果。緩沖通道內(nèi)部裝有若干條相距若干距離、具有一定相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度布條，在蘋(píng)果下落時(shí)起到緩沖的作用。該裝置技術(shù)參數(shù)如表1所示。
2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)
2.1采摘刀頭主體部分結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)
蘋(píng)果的采摘成功率是衡量采摘裝置性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而采摘刀頭的合理設(shè)計(jì)是保證蘋(píng)果采摘成功的關(guān)鍵。采摘刀頭的設(shè)計(jì)取決于采摘蘋(píng)果的外形尺寸，采摘50個(gè)體態(tài)飽滿、完整的煙富2號(hào)紅富士蘋(píng)果，測(cè)得這些蘋(píng)果中最大橫徑97.7mm、平均高度89.4mm、果形指數(shù)0.87、果柄平均長(zhǎng)度28.6mm、果柄最大直徑3.3mm、單果平均質(zhì)量276.3g，如圖3所示。
煙富2號(hào)紅富士蘋(píng)果較其他種類(lèi)蘋(píng)果具有果柄較長(zhǎng)、果實(shí)較大的特點(diǎn)，因此確定采摘刀頭主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致采摘刀頭難以進(jìn)入茂密的枝杈間采摘蘋(píng)果，且造成材料的浪費(fèi)及質(zhì)量的增加;過(guò)小則不易將果柄引入切割位置，降低了采摘效率。因此，根據(jù)蘋(píng)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(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù):底板寬取100mm，底板長(zhǎng)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(zhí)行部件結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)
現(xiàn)階段采用旋轉(zhuǎn)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(shí)產(chǎn)生卡頓，本裝置設(shè)計(jì)的采摘刀頭采用偏心式切割果柄的方式，采摘刀頭結(jié)構(gòu)如圖5所示。
刀頭幾何參數(shù)對(duì)切割成功率影響較大，為保證所設(shè)計(jì)的刀頭能夠較好完成切割果柄的工作，對(duì)該刀頭切割效果進(jìn)行理論計(jì)算及校核。刀頭剪切力的計(jì)算公式如式(1)～式(3)所示。
由試驗(yàn)結(jié)果可知:切刀旋轉(zhuǎn)速度對(duì)各指標(biāo)影響表現(xiàn)為極顯著，隨著切刀旋轉(zhuǎn)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(shí)長(zhǎng)逐漸減少。這是由于切刀旋轉(zhuǎn)速度增加，切刀相應(yīng)的切割力增大，切割時(shí)發(fā)生卡頓的概率降低，相應(yīng)的切割時(shí)間也會(huì)減少，但飛速旋轉(zhuǎn)的切刀卻更容易將果柄推出，造成果柄損傷。由試驗(yàn)結(jié)果可知:切刀旋轉(zhuǎn)的速度為18r/s時(shí)，切柄的卡停率為3.1%，退出率為3.0%，切柄時(shí)長(zhǎng)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(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)
可拆卸伸縮桿的手柄部分主要用于采摘矮化的蘋(píng)果或在采摘作業(yè)平臺(tái)上使用，加上伸縮桿后，主要用于采摘人手難以觸及的蘋(píng)果，兩者采用卡扣相連。依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)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(cè)得如表4所示。
選取陜西省楊凌區(qū)當(dāng)?shù)?00株生長(zhǎng)健康、體態(tài)正常的煙富2號(hào)紅富士蘋(píng)果果樹(shù)，測(cè)量其蘋(píng)果生長(zhǎng)的高度，得到平均最大高度為3300mm，最低高度為1200mm。由此根據(jù)人機(jī)工程學(xué)相關(guān)理論及測(cè)得的蘋(píng)果生長(zhǎng)高度確定采摘桿的手柄長(zhǎng)為100mm，直徑為25mm，采摘桿的內(nèi)套管長(zhǎng)度為1100mm，直徑為22mm，外套桿長(zhǎng)度為1100mm，直徑為25mm。
2.5緩沖下落通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
緩沖下落通道主要功能是使采摘的蘋(píng)果既能快速輸送至下方，能有效減緩蘋(píng)果在出口處的速度，防止因速度過(guò)大造成在出口處的碰撞損傷。緩沖下落通道采用一條內(nèi)部裝有各方向多角度緩沖布條的布制通構(gòu)成，布條寬度為10mm，布條間距為180mm，布條之間的布條相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度為60°。
3試驗(yàn)分析
3.1試驗(yàn)材料及設(shè)備
試驗(yàn)材料是陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林大學(xué)北校園藝場(chǎng)所產(chǎn)出的煙富2號(hào)紅富士蘋(píng)果。該種蘋(píng)果果實(shí)呈圓或長(zhǎng)圓形，果型端正，果形指數(shù)0.85～0.89;大型果，平均單果質(zhì)量250～304g，果樹(shù)高1200～3300mm，果實(shí)著色好，色調(diào)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(zhǎng)富2號(hào)，外觀品質(zhì)明顯優(yōu)于長(zhǎng)富2號(hào)，肉質(zhì)與其相仿，以短果枝結(jié)果為主，有腋花芽結(jié)果習(xí)性，較豐產(chǎn)[17]。
2018年9月2日在西北農(nóng)林科技大學(xué)北校園藝場(chǎng)對(duì)該裝置進(jìn)行田地采摘試驗(yàn)，驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘裝置對(duì)蘋(píng)果的采摘的可行性以及可靠性，如圖6所示。
3.2田地試驗(yàn)及分析試驗(yàn)主要研究該機(jī)器的蘋(píng)果采摘部分的性能及優(yōu)缺點(diǎn)，隨機(jī)選擇摘取5棵長(zhǎng)勢(shì)健康的煙富2號(hào)蘋(píng)果樹(shù)，為了驗(yàn)證該機(jī)器的采摘性能，因此除去本機(jī)器高度所達(dá)不到的蘋(píng)果數(shù)量，以及已經(jīng)有較大損傷面積的蘋(píng)果，將其余不受高度影響的蘋(píng)果和相對(duì)較完好的蘋(píng)果的數(shù)量作為本試驗(yàn)的總體樣本，并進(jìn)行采摘試驗(yàn)。同時(shí)，根據(jù)單個(gè)蘋(píng)果采摘所需的時(shí)間長(zhǎng)短，將采摘時(shí)間大于6s的采摘稱(chēng)為采摘失敗，小于6s的稱(chēng)為采摘成功，定義采摘成功的蘋(píng)果總數(shù)占試驗(yàn)總體的比值為蘋(píng)果采摘成功率。采摘時(shí)，對(duì)每棵蘋(píng)果樹(shù)不同高度上的蘋(píng)果進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄下傷痕尺寸及蘋(píng)果直徑。
試驗(yàn)結(jié)果表明:該機(jī)器的采摘蘋(píng)果受損率在3%～7%之間，受損的主要原因有:①蘋(píng)果柄過(guò)短，采摘時(shí)采摘頭觸碰果實(shí)造成的傷害;②果樹(shù)枝條過(guò)于繁茂，采摘時(shí)蘋(píng)果間相撞造成的傷痕;③高處蘋(píng)果下落高度較高，落入機(jī)器時(shí)機(jī)器與蘋(píng)果的碰撞造成的傷痕;根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):該機(jī)器對(duì)蘋(píng)果采摘的受損率相對(duì)較低，成功率較高，由于采摘頭、下落通道及機(jī)器接收蘋(píng)果處設(shè)計(jì)的緩沖裝置，較大程度地降低了蘋(píng)果的受損率。試驗(yàn)結(jié)果表明:蘋(píng)果損傷率的高低與蘋(píng)果的高度有著密切的聯(lián)系，隨著高度的增加，蘋(píng)果的受損率逐漸增高，而蘋(píng)果的采摘成功率為92.12%。4結(jié)論1)介紹了一種偏心切割式蘋(píng)果采摘裝置結(jié)構(gòu)、工作原理及設(shè)計(jì)優(yōu)化，該機(jī)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(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)果柄的切割;伸縮桿采用可拆卸設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)不同高度蘋(píng)果的采摘;緩沖下落通道采用內(nèi)置緩沖布條的布制通道構(gòu)成，以防止蘋(píng)果在跌落過(guò)程中的損傷。2)在陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)園藝場(chǎng)進(jìn)行了偏心切割式蘋(píng)果采摘裝置采摘性能的田地試驗(yàn)，結(jié)果表明:該機(jī)器的蘋(píng)果平均采摘成功率較高，為92.00%;蘋(píng)果采摘受損率變化較大，平均受損率為4.70%。
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