小型側翼折展式林果收集裝置的設計與試驗

杜小強，李黨偉，王 丹，武傳宇，林樂鵬

（1. 浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018；2. 浙江省種植裝備技術重點實驗室，杭州 310018）

·農業裝備工程與機械化·

小型側翼折展式林果收集裝置的設計與試驗

杜小強1,2，李黨偉1，王 丹1，武傳宇1,2，林樂鵬1

（1. 浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018；2. 浙江省種植裝備技術重點實驗室，杭州 310018）

為了解決現有林果收集裝置體積龐大，結構復雜，對果樹行間距要求高等問題，該文以國內外現有林果收集設備為基礎，以折展性能較好的空間折展機構為切入點，提出了一種小型側翼折展式林果收集裝置。對收集裝置的主要結構—側翼折展機構，進行了運動學分析，采用遺傳算法對此機構的主要桿件進行尺寸優化，并建立側翼折展機構的三維模型，導入ADAMS動力學分析軟件中進行仿真和計算。根據理論分析與仿真結果，加工試驗樣機，進行野外采收試驗和末端軌跡驗證，比較虛擬仿真軌跡與由高速攝像捕捉到的樣機實際運動軌跡，驗證了側翼折展機構設計方案的正確與可靠性，并得出此收集裝置對于大棗樹和銀杏樹的平均承接率分別為84.68%和66.71%，可為后續機構的改進提供參考依據。關鍵詞：收獲機；機構；優化；林果收集；折展機構；遺傳算法；仿真

0 引 言

林果生產是中國繼糧食生產和蔬菜生產之后的第三大產業[1-2]，是勞動密集型和技術密集型相結合的產業，已成為許多地區經濟發展的一大支柱[3-4]。據統計，2015年中國林業總產值達到 4 436.39億元，果園面積達到1.281 7× 107hm2，水果產量達 2.747 5×108t，其中林果產量約占63%[5]。在新的生產形勢下，預計到2023年，全國林果總產量將達到1.864 9×108t[6-7]。隨著林果產量的急劇增長，在保證林果采收作業質量、提高工作效率方面，機械化收獲技術和裝備受到越來越廣泛的關注。

林果采收作業過程中果實在人工或機械作用下脫離樹體后需要經過收集作業，其收集方法有人工收集、機械輔助收集和機械化收集3種[8]。機械輔助收集主要是半自動化的收集方法，機械化收集主要是采用全自動化的收集方法。一般林果體積較小，落入雜草中難以找尋，人工收集作業勞動強度大、成本高、效率低[9]。近年來，各種振動式、拽振式實用小型林果采收機被用于對林果的采摘[10-14]，因此，需要發展與采收機聯合作業的收集裝置，這樣不僅可以提高林果收集效率，而且可以降低勞動成本，解決人口老齡化與農業勞動力減少對林果生產造成的影響。

林果收集裝置主要分為采摘收集與地面收集 2個方面。早期國外利用以液壓為動力的可升降及橫向運動機構研制出一種半自動化摘果臺架[15-16]，在一定程度上改變了人工的收獲方式，但人力勞動量依舊很大，對收獲效率提高較小。相對于采摘收集裝置，地面收集裝置更為少見，有清掃集條機和撿拾清選機[17]，以及能夠實現林果一體化收集的連續收獲機械[18-19]，該類機械機構復雜，體積巨大，例如意大利SICMA Srl公司生產的林果收集機械整體尺寸達到了7 640 mm×2 140 mm（長×寬），不適宜現有林果種植環境。目前中國林果的收集作業還是以人工收集為主，機械化程度較國外存在較大差距[20-21]，機械化收集缺乏適應性以及推廣性。因此，根據林果生長情況以及國內外農業機械化發展現狀，研發適用性強的小型化林果收集裝置是必然趨勢[22]。

空間折展機構具有良好的折展性能[23-25]，應用于林果收集能夠解決收集裝置占用空間大的問題，降低對樹體行間距的要求，且展開后覆蓋面積較大，能夠快速有效地進行林果的收集作業，提高工作效率。因此，本文提出一種小型側翼折展式林果收集裝置，并初步確定小型林果收集裝置的大體尺寸、作業要求及折展方式，然后分析了其工作原理和運動特性，并對其結構尺寸進行優化，最后加工樣機進行試驗。

1 小型側翼折展式林果收集裝置方案設計

1.1 整體結構和工作原理

小型側翼折展式林果收集裝置主體結構如圖1所示，分為 3個部分：移動合攏機構、升降機構、側翼折展機構。裝置整體為倒傘式結構，采用兩端支撐、扇形圍攏的方式，分為左右對稱兩個部分，整個裝置的工作范圍為：展開后直徑約3.6 m，合攏后直徑約0.4 m，合攏后高度約0.55 m。其主要機構及工作原理是：1）移動合攏機構用于移動和定位整個裝置，機構底部裝有萬向輪，使其能夠方便地靠近（遠離）樹體，當整個裝置靠近樹體時，可通過直線軸承使得裝置的左部與右部分別抵住（脫離）樹干；2）升降機構底部裝有步進電機，在電機驅動下帶動絲杠轉動，從而實現絲杠螺母上下移動，進而帶動升降平臺上下運動；3）側翼折展機構在絲杠螺母帶動下實現平行四桿機構折疊合攏，從而實現整個裝置的折合過程。固定在側翼折展機構上的帆布隨著收集裝置展開后，表面成為扇形弧面，落下的果實依靠自身重力作用由扇形曲面向扇形中心區域滑落，進行統一收集。

圖1 小型側翼折展式林果收集裝置主體結構圖Fig.1 Main structure diagram of small fruit collecting device with flank deployable and foldable mechanism

1.2 側翼折展機構設計

側翼折展機構簡圖如圖 2所示，主要由平行四桿結構、直角連接結構和剪叉臂結構組成。直角連接結構中CD⊥DP、C1D1⊥D1P1，構成空間直角結構。直角連接結構的左側端點與平行四桿結構右側端點相連，而右側端點與剪叉臂結構左側端點相連，即平行四桿結構和剪叉臂結構通過空間直角相連。當收集裝置處于折疊展開過程中，直角連接結構作為整個機構的中間調節部分，實現該機構側向折展。

圖2 側翼折展機構折合過程示意圖Fig.2 Folding process of flank deployable and foldable mechanism

2 側翼折展機構運動學分析及尺寸優化

2.1 側翼折展機構運動學分析

為了得到側翼折展機構關鍵點的運動軌跡、速度及加速度等運動參數，以便對結構進一步優化改進，確定桿件最優尺寸，本文建立了側翼折展機構運動模型簡圖，如圖 3所示，對側翼折展機構進行運動學分析，相關參數及說明見表1。設導向桿為固定桿件，令與導向桿固定相連桿件端點A為坐標原點，水平向右為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向，以垂直于xAy面向外為z軸正方向，建立如圖3所示的直角坐標系Axyz。

圖3 側翼折展機構運動模型簡圖Fig.3 Kinematic model diagram of flank deployable and foldable mechanism

表1 側翼折展機構各變量參數Table 1 Variable parameters of flank deployable and foldable mechanism

根據以上條件的設定，得點P坐標

假設PF為固定桿件，令端點P為坐標原點，以P→F方向為x1軸正方向，以垂直于該方向為y1軸正方向，以垂直于x1Py1面向外為z1軸正方向，建立如圖3所示局部直角坐標系Px1y1z1，由此可求出局部直角坐標系Px1y1z1中折展機構末端G點的坐標為

求局部坐標系Px1y1z1到全局坐標系Axyz的變換矩陣，首先平移局部坐標系Px1y1z1，使得原點P與全局坐標系Axyz的原點A重合，則平移矩陣T1為

因桿AD與桿PF共面，且桿PF與桿AD的夾角為γ1，則有局部坐標系Px1y1z1與全局坐標系Axyz繞y軸方向相對轉角為γ1，得局部坐標系Px1y1z1與全局坐標系Axyz繞y軸方向的旋轉矩陣T2為

局部坐標系Px1y1z1繞y軸旋轉角度γ1后，使得P→F方向與A→D方向重合，再繞z軸旋轉角度γ2（此時，），使得P→F方向與x軸正方向重合，則繞z軸方向的旋轉矩陣T3為

將局部坐標系Px1y1z1中G點坐標轉化至全局坐標系Axyz中，則在全局坐標系Axyz中側翼折展機構末端G點的坐標為

式中

2.2 側翼折展機構尺寸優化

根據圖 3中各桿件間相互位置和幾何關系，進行桿件尺寸的初步約束和設定，板間距離：lAA1＜500 mm；平行四桿結構：直角三角形：(l)2+ (l-l)2= (l)2；展開狀態時：

CC1PDP1D1EE1坐標系Axyz中，xD＜xD1，坐標系Px1y1z1中，x1E1＜x1F；閉合狀態時：坐標系Axyz中，xB1＞xC1，坐標系Px1y1z1中，x1E1＞x1F。

由以上約束條件和設定，對桿件尺寸進行初步取值：lAB= 230 mm，lBC= 200 mm，lCD= 170 mm，lDP= 100 mm，lEF= 175 mm，lA1B= 300 mm，lB1B=lC1C= 120 mm，lD1P1=lDP= 50 mm，lP1E1=lPE= 160 mm，lE1G= 800 mm。分析側翼折展機構展開時各桿件尺寸變化對G點位移及∠EFG大小的影響，展開狀態的設定條件為：AD方向與水平方向夾角為20°左右。使其他桿件長度為初步取值，逐一改變各桿長度，設置步長為 10 mm，根據以上條件編寫MATLAB運動學分析程序計算得到如圖4所示的結果。

從圖4可以看出，各桿長度變化量都為100 mm時，對G點位移變化量及∠EFG大小的變化量作為影響程度的依據：桿A1B1的長度變化對G點位移及∠EFG的大小不產生影響；桿PE長度變化對G點的位移變化及∠EFG的角度變化影響都較為劇烈；此時G點位移變化量約為76.4 mm，∠EFG角度變化量約為2.7°；AB桿長的長度變化對∠EFG的影響最為劇烈，此時∠EFG角度變化量約為5°；AD桿長變化對G點位移變化最為劇烈，此時G點位移變化量約為100 mm；PE桿長變化與G點位移變化成正比，與∠EFG角度變化成反比；桿AB、桿AD、桿DP、桿PF長度的變化與G點位移變化、∠EFG角度變化成正比。

1）優化方法及優化目標

尺寸結構的優化方法采用遺傳算法（genetic algorithm）[26-27]，該方法是一種通過模擬自然進化過程搜索最優解的方法[28-30]，用于本次優化的求解思路為：a）基于機構運動學分析，確定優化變量及優化目標；b）輸入初始數據，得出初始結果；c）在保持其它桿件長度不變前提下，依次改變某一桿件長度變量，得出變量結果；d）將變量結果與上一結果進行對比，選取最優結果；e）重復步驟c）和d），得出最終結果。

根據前文數據分析結果，AB、AD、PE對G點位移和∠EFG影響較大，因此選取桿AB、桿AD、桿PE作為待優化桿件，即優化變量，各優化桿件的初始優化區間為lAB∈(180, 280)，lAD∈(550, 650)，lPE∈(110, 210)。根據遺傳算法的優化思想，在折展半徑R=1 600 mm確定的條件下，將展開狀態時G點沿x軸坐標xG與閉合狀態時xG0的差值，即G點位移作為優化目標，當G點位移最大時，認為機構折展比最大。而各桿件之和取最小值作為另一個優化目標，確定優化目標為：(li為各部分桿長)。

圖4 不同桿件長度變化對G點位移、∠EFG的影響Fig.4 Influence of variable rod length on the displacement of point G and ∠EFG

2）遺傳算法優化的理論模型及結果

確定機構設計參數的初始向量為

將式（9）代入式（8）中可得

在運動學目標函數優化過程中，設第k次的設計參數向量為

將式（11）代入式（8）得

根據本次優化的求解思路，尋找最優桿件尺寸的遺傳算法運算流程如圖5所示。由于桿件尺寸的初步選取存在一定的主觀性，同時優化區間的設定是基于桿件初始尺寸±50 mm的非定性選取，因此，在運算過程中，優化區間存在一定的局限性。在優化過程中，當發現優化區間無法滿足約束條件或最優解的取值為優化區間邊界值時，則說明該桿件可能還存在更加優化的取值。在這種情況下，對桿件的優化區間進行±50 mm的區間擴展：當取得最大區間值時，則進行正50 mm的區間擴展；反之，亦然。不斷重復上述流程，得到最終的優化區間為ABl∈(230, 280)，ADl∈(650, 700)，PEl∈(300, 350)。最后求得桿長的最優解為：lAB= 277.88 mm，lAD= 661.64 mm，lPE= 306.58 mm。

圖5 桿件優化的遺傳算法流程圖Fig.5 Flowchart of genetic algorithm on rods optimization

3 側翼折展機構ADAMS仿真分析

根據對側翼折展機構的理論設計分析及桿件的優化結果，運用Solidworks軟件建立側翼折展機構三維模型，去除模型中的連接桿件，添加升降機構，得其簡化模型如圖6a所示。把所建模型導入ADAMS中，設定各桿件的材料屬性，添加配合關系，以y方向為重力加速度方向，重力加速度大小取9.8 m/s2，在絲杠處添加旋轉電機，帶動整個裝置的運行。由于該機構為折展機構，則其動力仿真分為折疊與展開2個過程。設置仿真時間為130 s，得到該機構折疊（展開）過程末端點運動仿真曲線，如圖6b所示。最后仿真計算得到側翼折展機構驅動力矩變化曲線，如圖7所示。

圖6 仿真模型及側翼折展機構上末端點G的運動軌跡曲線Fig.6 Simulation model and trajectory curve of end point G in flank deployable and foldable mechanism

因側翼折展機構為空間機構，則其驅動力矩分為x、y、z3個方向，x、z方向驅動力矩過小，可忽略不計，僅考慮y方向的驅動力矩，其仿真的驅動力矩如圖7所示，可得側翼折展機構在折展過程中的最大驅動力矩約為0.4 N·m。因該仿真機構為一個側翼折展臂的仿真，而整個裝置為雙半圓三分型結構（6個側翼折展臂），需2個電機驅動，則每個半圓三分型機構的驅動力矩約為6×0.4=2.4 N·m。考慮到摩擦及其它因素影響，選取電機的額定扭矩為4 N·m。

圖7 側翼折展機構折展過程驅動力矩曲線Fig.7 Driving torque curve of the flank deployable and foldable mechanism

4 試驗樣機驗證

4.1 樣機軌跡驗證

根據對側翼折展機構的理論分析及參數優化仿真結果，進行了小型林果收集裝置試驗樣機的制造裝配，圖8為該收集裝置的試驗樣機及采收試驗現場圖。

圖8 側翼折展式林果收集試驗樣機及野外采收試驗現場Fig.8 Prototype of flank deployable and foldable mechanism and harvest experiment site in orchard

為準確獲取側翼折展機構運動軌跡，于側翼折展機構末端涂敷黑色作為醒目標記。用百萬像素高速攝像機Phantom v5.1進行拍攝記錄，運用ZooTracer軟件（識別并追蹤物體的運動軌跡）對拍攝的視頻進行處理，獲取標記點相關位置坐標，以平滑曲線依次將各點相連，由此得到側翼折展機構折合過程運動軌跡，如圖6c所示。

將捕捉到的實際運動軌跡與虛擬樣機仿真得到的軌跡進行對比，發現稍有偏差，但基本吻合。分析偏差存在的原因，可能是：1）試驗樣機加工、裝配中引起的精度誤差；2）標記點坐標確定及運動軌跡繪制等視頻處理過程中引起的微量偏差；3）相機拍攝角度引起的軌跡變形。

4.2 收集試驗

根據現有條件，選取銀杏樹以及冬棗樹作為試驗對象，對試驗樣機的承接率進行測試，承接面選用折展性與耐磨性良好的帆布, 以適應作業環境及小型林果下落時的擊打力度。大棗和銀杏的野外田間機械采收試驗分別于2015年9月和10月在浙江理工大學百果園進行，隨機選取3棵8齡大棗樹和3顆12齡銀杏樹，作業方式采用手持式人力振搖桿，振搖桿頂端有卡口，可將林果枝杈連接處置于振搖桿頂端卡扣內，以（0°，30°）的角度范圍沿桿柄方向進行振搖采收和收集，如圖10所示。采收樣本樹的果實總量、收集量、落地量見表2，大棗樹和銀杏樹的平均承接率分別為84.68%和66.71%。

表2 小型側翼折展式林果收集裝置田間收集試驗結果Table 2 Experiment results of mechanical harvest using the small fruit collecting device

小型側翼折展式林果收集裝置承接率試驗的意義主要在于驗證該機構的適用性和可靠性。從試驗結果得出，小型側翼折展式林果收集裝置和小型采收裝置在野外采收作業的配合應用，與傳統人工作業方式相比極大的提高了野外林果采收的效率，并且減少了果實在落下時的損傷，為后續機構的改進提供參考依據[31]。

5 結 論

1）通過對小型側翼折展式林果收集裝置關鍵機構進行具體的結構分析，對收集裝置整體結構進行了設計，并對收集裝置關鍵部位——側翼折展機構進行了運動學分析。

2）為了實現最大折展比，基于遺傳算法對側翼折展機構的尺寸進行優化，對桿件的優化區間進行了±50 mm的區間擴展，最后得到了主要桿件尺寸的最優解為：lAB=277.88 mm，lAD= 661.64 mm，lPE= 306.58 mm。

3）對機構模型進行簡化，通過ADAMS仿真計算，得到單個半圓三分型機構在折展過程中的最大驅動力矩為2.4 N·m，并以此為依據來選用合適電機。

4）根據尺寸優化與仿真結果，加工試驗樣機，對比折展機構末端的仿真軌跡與樣機實際運動軌跡，軌跡基本吻合；進行野外采收試驗，得到小型側翼折展式林果收集裝置對于大棗樹和銀杏樹的平均承接率分別為84.68%和66.71%，驗證了此機構設計的可靠性及該裝置在野外特別是山地地區的實用價值。

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Design and experiment on small fruit collecting device with flank deployable and foldable mechanisms

Du Xiaoqiang1,2, Li Dangwei1, Wang Dan1, Wu Chuanyu1,2, Lin Lepeng1
(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou310018,China;2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Transplanting Equipment and Technology, Hangzhou310018,China)

Most orchard gardens are distributed in the subtropical and tropic zone, and especially in mountainous and hilly region in China. With the development of science and technology and the increasing cost in labor, the mechanized operation for fruit collection is needed. Existing small fruit collecting devices have bulky and complex structure and need to be equipped with high-power drive, and strict requirement in the tree spacing. In order to adapt to the mechanization collection of small fruit and improve the mechanical collecting device, based on the existing fruit collection equipment at home and abroad, and considering deployable and foldable mechanisms of the equipment, a collecting device with flank deployable and foldable mechanism was introduced in this paper. This collection device mechanism can reduce the bulk in process of moving, adapt in line spacing of the fruit trees, have larger coverage area in unfolding state, and can adjust quickly and effectively in operation to improve collecting efficiency. The collecting device consisted of three parts: flank deployable and foldable mechanism (the core mechanism), lifting mechanism, and mobile clamping mechanism. The displacement and coordinate pointGat the end of the flank deployable and foldable mechanism were calculated by transformation matrix. Then kinematics of the flank deployable and foldable mechanism was analyzed, and the main components of the mechanism were optimized using genetic algorithm (GA) operated in MATLAB. RodAB,AD,PEwere taken as the main optimization variables by comparing the influence of variable rod length on the displacement of pointGand ∠EFG. Given the radius in folding and unfolding, the maximum displacement of pointGduring the unfolding process and the minimum dimension sum of the rods were taken as the optimization objectives. In order to obtain the more preferable rod dimension, the optimization range of the rods was expanded about ±50 mm. And the final optimization range and optimal solution of the main rods dimension were obtained based on the restrictions by iterative calculation at last. The optimal dimensions of the main components werelAB=277.88 mm，lAD=661.64 mm,lPE=306.58 mm. The obtained results were used to modify the 3D model of the flank deployable and foldable mechanism, and the 3D model of this mechanism was imported into the dynamic analysis software ADAMS. From such model, then the motion trajectory of the mechanism was simulated and the dynamic simulation results showed that the driving torque was 2.4 N·m.The motor type was determined based on the results achieved by simulation. Finally, a prototype of the flank deployable and foldable mechanism was manufactured and tested based on the optimal theoretical model, and the trajectory of pointGwas recorded by the Phantom v5.1 high-speed camera. Due to precision and errors of the prototype caused by machining and assembling and errors from camera shooting angle and image processing, there was a slight deviation between trajectory of experiment and virtual simulation, but they were basically consistent, which verified accuracy and reliability on the theoretical design of this collecting device. Experiment results of mechanical harvest using a small fruit collecting device with flank deployable and foldable mechanism demonstrated that this collection device had practical value and this research provides a reference for the improvement of the other collection mechanism.

harvesters; mechanisms; optimization; fruit collection; deployable and foldable mechanism; genetic algorithm;simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.002

S225.93

A

1002-6819(2017)-14-0011-07

杜小強，李黨偉，王 丹，武傳宇，林樂鵬. 小型側翼折展式林果收集裝置的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：11－17.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.002 http://www.tcsae.org

Du Xiaoqiang, Li Dangwei, Wang Dan, Wu Chuanyu, Lin Lepeng. Design and experiment on small fruit collecting device with flank deployable and foldable mechanisms[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 11－17. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.002 http://www.tcsae.org

2017-02-25

2017-03-30

國家自然科學基金項目（51475433，51505431）；浙江省高校中青年學科帶頭人培養項目；浙江理工大學科研創新團隊專項（13020049-Y）；浙江理工大學 521中青年拔尖人才項目和浙江理工大學研究生創新研究項目（No.YCX15029）

杜小強，男，福建福清人，教授，博士，主要從事現代農業裝備與技術研究。杭州 浙江理工大學機械與自動控制學院，310018。

Email：xqiangdu@zstu.edu.cn