荔枝單果采摘機設計

劉威威++陳燕+王佳盛++李嘉威++曾澤欽

摘 要：為實現荔枝單果采摘機械化，對其單果采摘機進行了設計。闡述了采摘機的各部件設計原理，確定各部件結構，并對主要受力部位進行了有限元分析，分析結果表明，伸縮桿的最大應力11.65MPa遠小于屈服極限325MPa，最大合位移僅約為桿長的0.12%，伸縮桿的剛度滿足工作要求。

關鍵詞：荔枝單果； 采摘機； 機械設計

中圖分類號：S667.1 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171132021

引言

荔枝是我國南方特產佳果，其出口數量逐年增加。出口荔枝主要以粒果為主，近年較多采用“分批單果采收”技術。目前荔枝單果采摘現采用人工作業，勞動強度大、效率低。采用機械進行荔枝單果采摘可以有效的提高采摘效率，降低人工勞動程度。

為促進果蔬采摘機械的發展，國內外學者對蘋果、柑橘、番茄等蔬果采摘技術進行了研究[1-5]，而荔枝采摘機械的研究，主要是針對其串果采摘[6]。關于荔枝單果采摘機械，目前未見相關文獻報道。為解決荔枝單果采摘機械化的問題，本文對荔枝單果采摘機進行了設計。

1 單果采摘機工作原理

荔枝單果采摘機如圖1所示。工作時操作者推動機器到荔枝樹下，調節采摘桿的高度對荔枝進行初步定位，通過氣動裝置控制采摘裝置，利用撥障機構將樹枝等干擾物撥開，然后將剪切機構到達果梗位置，啟動剪切開關將荔枝果梗剪斷，同時荔枝落入輸果管道，最后通過管道流入集果箱中。

2 單果采摘機結構組成

采摘機主要分為采摘裝置、動力裝置采摘、采摘桿、支撐架、接果裝置等。采摘裝置與動力裝置是相配合裝置，通過氣動原理控制采摘裝置的運動。

2.1 采摘裝置與動力裝置

采摘裝置包括撥障機構和剪切機構，利用氣動裝置驅動撥障機構以及剪切機構的開合，實現撥障以及剪切功能，其模型如圖2所示。

采摘機采用氣壓動力作為動力裝置。動力裝置包括壓縮機，輸氣管，換向閥，單向閥，Y型接頭。圖3所示是采摘機氣壓傳動工作原理圖，包括撥障部分和剪切部分。

2.1.1 撥障機構

撥障機構的作用是撥開擋在果蔬前方的葉子或樹枝等障礙物，主要由撥障板，復位彈簧，和預壓縮單作用直線氣缸構成。采摘果蔬時，預壓縮單作用直線氣缸驅動撥障板，左、右撥障板向外張開，若有樹枝或葉子等障礙物擋在果蔬前方，撥障板在張開過程中把障礙物撥向左、右兩邊，使果蔬暴露.預壓縮單作用直線氣缸卸載，左、右撥障板閉合，在撥障板復位彈簧作用下撥障板抱持果蔬，使果梗進入刀片剪切范圍。

2.1.2 剪切機構

剪切機構主要由定刀片，動刀片，旋轉氣缸和復位彈簧構成。果梗進入刀片剪切范圍后，加載旋轉氣缸，使動刀片向定刀片方向閉合，剪斷果梗。旋轉氣缸卸載，在動刀片復位彈簧的作用下動刀片復位，動刀片與定刀片保持成張開狀態。

2.2 支撐架

2.2.1 支撐架

支撐架結構如圖4所示。支撐架上設有承架，承架頂部安裝旋轉軸，旋轉軸中心安裝定位套。支撐架的底板用于放置集果箱以及氣動裝置的氣缸。采摘桿通過定位套安裝在支撐架上。工作時，通過旋轉軸的旋轉配合采摘桿的伸縮可以使采摘機在不同位姿下進行采摘工作。

2.3 接果裝置

接果裝置如圖5所示，包括輸果管定位圈、輸果管和集果箱。輸果管定位圈安裝在采摘裝置下端，用于固定輸果管，作為果實輸送的入口。集果箱安裝在支撐架的底板上。經過采摘裝置采摘下的荔枝，落入輸果管定位圈中，通過輸果管落入集果箱中。

3 采摘桿剛度分析

采摘機最不穩定的結構是伸縮桿，因此對采摘桿的剛度進行分析。其力學模型為懸臂梁模型，使用SolidWorks對伸縮桿模型進行有限元分析。

3.1 有限元建模

已知伸縮桿的材料為冷拔鋼，再根據伸縮桿的固定以及受力情況，建立如圖6的有限元分析模型。其中，A為定位套對伸縮桿的固定約束，G為伸縮桿本身自重，F為結果裝置的整體重量在垂直伸縮桿方向的分量。添加完材料、約束條件以受力條件后，對伸縮桿進行網格劃分，最終執行靜應力有限元分析。

3.2 有限元結果分析

有限元應力分析結果與合位移分析結果如圖7所示。根據應力云圖結果可知，伸縮桿的最大應力11.65MPa遠小于屈服極限325MPa，最大合位移僅約為桿長的0.12%，符合設計要求。

4 結束語

本文設計了采用氣動作為動力源的荔枝單果采摘機，針對荔枝果實的生長特性，設計了撥障機構和剪切機構；對不同高度的荔枝，設計了伸縮機構，以滿足不同高度荔枝采摘；采摘后的果實通過軟管輸送至收集箱。后續將進一步制作實物樣機，并進行采摘試驗，驗證并改善本文的設計。

參考文獻

[1]張麒麟. 蘋果采摘機器人末端執行器的設計與研究[D].南京農業大學，2011.

[2]張水波. 柑橘采摘機器人末端執行器研究[D].浙江工業大學，2011.

[3]王晨，劉九慶. 篤斯越桔采摘機械手設計[J]. 林業機械與木工設備，2008（06）：41-42.

[4]梁喜鳳，王永維. 番茄收獲機械手機構型綜合研究[J]. 農機化研究，2008（03）：70-72，78.

[5] D.stajnko， M.lakota， M.ho?evar. Estimation of number and diameter of apple[J]. Computers and Electronics in Agriculture， 2003， 42（1）： 31-42.

[6]談建豪，陳燕，向和平，等. 機器人串果采摘末端執行器設計及仿真[J]. 農機化研究，2013（09）：133-136.

作者簡介：陳燕（1964-），女，廣州市人，副教授，碩士，主要從事農業機器人，農業機械裝備研究；劉威威（1992-），男，贛州市人，碩士在讀，主要從事農業機器人研究。endprint