便攜式高效水果采摘裝置設計與仿真

林潘忠，郎文昌，孫蓓蓓

（1.溫州職業技術學院機械工程系，浙江 溫州 325035；2.東南大學機械工程學院，江蘇 南京 211189）

1 引言

水果采摘是水果生產過程中勞動量最大的一個環節[1]，除了掛于低處的水果可直接采摘外，對于高處的水果必須借助梯子或者特定的采摘工具采摘，然而攀爬、搭梯不但采摘效率低，作業安全也難以保障。

一些水果如紅棗可采用振動式的采摘方式采摘，然而對絕大部分水果如采用振動式采摘方式易使果實果柄損傷，果品質量差[2]，所以設計一種操作方便、采摘效率高的高空摘果工具是非常具有現實意義的。

目前國內外學者對水果采摘進行了大量的研究，各種水果采摘裝置[3-5]相繼問世，而研究方向主要可以分為電動式和機械式兩大類。

文獻[5]基于欠驅動原理設計了一種帶肌腱驅動的末端執行器，實現水果機械采摘的形狀適應性和平穩抓取；文獻[6]設計了一種便攜電動式水果采摘機，該設備可以利用控制手柄調整切割刀的位置，并聯動開啟切割電動機切斷果柄完成采摘。

文獻[7]根據荔枝的生長特性，研制了一種荔枝串果采摘器具，利用導向機構將枝葉撥開，定刀片鉤住果梗，再扳動手柄，使得動刀片旋轉將果梗切斷，可快速采摘且柔性接果，不損傷果實。

然而由于水果生長時形態各異，生長方向不同，有些豎直生長，有些是橫放著搭在其他枝條上，有些是斜向生長的，而目前常見的幾種采摘機械仍存在通用性不強、操作復雜、易損傷果實等缺點，另外果農常用的便攜式單果采摘器由于果柄定位困難而大幅降低采摘效率，大部分人更愿意徒手采摘，導致水果采摘機械化難以實現。這里結合果農的采摘方式和果實的生長特點，設計了一種定位簡單、操作方便、通用性極強且效率高的純機械式高效水果采摘裝置。

2 總體結構設計

裝置主要由伸縮機構、多方位環形剪切機構和果實收集結構三大部分所組成，其環形剪切機構總體結構，如圖1所示。

圖1 環形剪切機構總體結構Fig.1 Overall Structure of Annular Cutting Mechanism

水果采摘裝置總體設計思路，如圖2所示。通過“一套”、“二剪”兩步可輕松實現采果。使用時把采摘頭深向果實，利導向凹口設計，果柄順利滑入剪切口，由于環形口上布置有7 把剪刀，因此無論果實生長方向如何，定位十分方便。當桔子果柄落入剪切口時，按下把手，經過反向擺桿滑塊機構傳力，帶動旋轉刀片剪切果柄。

圖2 總體設計思路Fig.2 Overall Design Idea

果實順著采摘頭下方連接的果袋經中間緩沖后直接落入果籃，完成單果采摘。

2.1 多方位環形剪切機構

剪切機構是水果采摘裝置最主要的部分，是實現采果動作的關鍵所在。目前常見的剪切形式主要包括電動式、切割式、夾持式等類型[9]。本次設計采用機械切割式的方法，通過反向擺桿滑塊機構帶動環形剪切機構切斷果柄，使用者可以在遠程控制摘果。

2.1.1 反向擺桿滑塊機構

反向擺桿滑塊機構，如圖1所示。主要由滑動桿件、連桿、擺桿、組合機架組成。當使用者按下把手時，力通過滑動桿件進行傳遞，使得滑動桿件拉動連桿進行運動，連桿從而帶動拉圈（擺桿）進行轉動。

2.1.2 剪切結構設計

剪切結構主要由內圈、拉圈、旋轉刀片、鉸接座、鉸接螺釘等組成，在內圈上均勻布置7把剪刀，擺桿滑塊機構帶動鉸接螺釘軸繞內圈中心轉動，從而帶動拉圈在一定角度的旋轉，實現多把旋轉刀片聯動剪切和復位，無論果柄落入哪一個剪切口均可實現采摘。

2.1.3 刀片限位與導向弧口

刀片在運動過程中，刀片下部的圓形施力把柄始終在拉圈凹槽內擺動，當固定座與拉圈處在右極限接觸時，刀片完全隱藏避免劃傷果實，如圖4（a）所示；當固定座與拉圈處于左極限接觸時，刀片實現剪斷果柄的功能，如圖4（b）所示。

圖4 刀片限位Fig.4 Limit of the Blade

為方便果實定位，將剪切口外邊設計導向弧口，使果實能順利滑入剪切口；同時還設計有防脫離口，果柄進入弧口后可防止果實滑出，如圖5所示。

圖5 導向弧口結構Fig.5 Arc Guiding Structure

2.2 伸縮機構和果實收集裝置

伸縮機構主要由內空心桿、外空心桿件、滑塊拉動及鎖點定位桿件、節點鎖扣件等組成，如圖6所示。

圖6 伸縮機構Fig.6 Telescopic Mechanism

使用者拉長伸縮桿到合適位置，通過彈簧自動鎖扣扣在合適長度的節點上完成伸縮。

一般果樹的高度基本在（2～5）m之間[10]，當需要改變長度時，按下節點鎖扣件上的按鈕，拉動內空心桿就能再次改變長度。

收集裝置，如圖7所示。主要由半凹口式特制果袋與果籃連接組成。半凹口式果袋采用交替縮口設計使得果實在下落過程中進行緩沖，損耗大部分機械能，避免損傷果實。

圖7 半凹口式果籃Fig.7 Half-Notched Type Fruit Basket

3 力學分析與擺桿滑塊行程計算

3.1 伸縮桿彎曲變形分析

由于伸縮桿直徑小、長度大，且需要承受環形剪切機構的自重和果實重量，因此容易發生彎曲變形，有必要對其變形量進行分析計算。伸縮桿采用6061鋁合金材料，在工作的時候可簡化為懸臂梁，簡圖，如圖8所示。

圖8伸縮桿工作變形Fig.8 Working Strain of Telescopic Rod

則任意橫截面上的彎矩為：

計算得到的θB＜0，表示此時截面B的轉角為逆時針轉向；ωB＜0，表示B點的撓度向下。根據設計計算，剪切機構自重和果實重量之和F約為19.2N，桿總長l=3000mm得：θB=-9×10-12rad，ωB=-1×10-10mm，伸縮桿變形量在許用范圍內，符合采摘時的力學設計要求。

3.2 環形剪切機構擺桿初始角與滑塊行程分析

為計算反向擺桿滑塊各構件參數及對相關參數進行最優化設計，初定擺桿長a=78.25mm（已知參數），滑塊初始位置c1=107.06mm（由采摘頭轉動座等尺寸確定，為已知參數），其機構運動簡圖，如圖9所示。

圖9 反向擺桿滑塊機構運動簡圖Fig.9 Kinematic Sketch of Reverse Crank Slider

由上式得滑塊行程為c2-c1，效率為η=cosαcosβ。

根據已知條件，a=78.25mm，c1=107.06mm，由Matlab求解得θ（擺桿初始角）與力臂比以及θ與滑塊行程關系的最佳值，最后確定拉圈鉸接座（見圖3）的位置及連桿長度。

圖3 剪切結構Fig.3 Shearing Device

由Matlab 軟件求得角度與滑塊形成及效率關系，如圖10所示。

圖10 θ與力臂比以及滑塊行程關系Fig.10 The Relationship Between Arm Ratio and Stroke of Gliding Block with θ

根據仿真結果，求得θ的最佳值為53°，此時剪切力臂比為0.75，滑塊行程14.3mm，連桿長度為93.8mm。

3.3 剪切機構的力學分析與強度校核

為了保證實際需求時，剪切機構的強度能完全滿足要求，采用ANSYS軟件對剪切機構整個裝配體進行了靜力學分析。這里利用SolidWorks軟件對采摘裝置的剪切機構進行幾何建模，然后導入HyperMesh中劃分網格，建立有限元模型，最后在ANSYS中進行分析計算，剪刀材料為W18Cr4V。

在計算過程中，為提高計算效率，我們對模型進行一定的簡化處理，忽略了過渡圓角、倒角等對應力影響較小的細小特征，力學分析簡化后的模型，如圖11所示。

圖11 簡化后的力學分析模型Fig.11 Mechanical Analysis Model After Simplification

為減少計算時間，我們對極限位置兩把剪刀（距離施力點最近的1號和最遠的5號兩把剪刀）進行了分析。

（1）1號刀位（距離施力點最近）

為了使分析結果更加接近實際，在剪切口加上木制的圓柱體代替剪切時的水果枝條。

1號刀位在剪切時的等效應力云圖，如圖12所示。

圖12 1號刀位剪切力學分析Fig.12 Mechanical Analysis of No.1 Cutting Blade

從圖中可以看出，接觸應力最大值出現在刀口的根部，這主要是由于應力集中造成的，是與實際相符合的，剪切口處最大應力遠小于材料的最大許用應力。

（2）5號刀位（距離施力點最遠）

5號刀位剪切口受力情況，如圖13所示。其最大應力也符合材料強度要求。通過對剪切機構關鍵部位的應力情況進行有限元分析，可以在設計階段對本裝置的結構進行相應優化，確保剪切機構的可靠性與安全性。

圖13 5號刀位剪切力學分析Fig.13 Mechanical Analysis of Cutting No.5 Blade

4 實驗驗證

為了驗證裝置的可靠性，在理論分析與計算的基礎上，設計制作了水果采摘裝置實物，并對所制作的實物樣機進行現場實驗。

為驗證該采摘裝置的使用效果，使用本裝置在橘園中與采摘人員同時采摘，對采摘效果進行比較。

我們選擇了兩棵高度和果實密度相近的果樹，實驗組由一人操作實驗裝置，對照組由果農利用剪刀采摘，并配有梯子。

本次實驗采摘單棵果樹，以單位時間內采果數量和完成整棵果樹采摘所需時間作為參考依據，并且實時記錄兩組的采摘情況，結果，如表1所示。通過分析相關數據，本采摘裝置在2.4分鐘左右就采摘完成整棵果樹43 個柑橘，平均速度約為18 個/min；而傳統人工采摘完成整棵果樹共41個柑橘，用時需5分鐘左右，平均速度約為8.2個/min。本采摘裝置的主要優勢在于省力快捷，與人工采摘相比較，采摘裝置的性能明顯占優，不僅定位方便，而且省去了架梯和果實傳遞的過程，整個采摘過程輕松不費力。

圖14 高效水果采摘裝置樣機Fig.14 Prototype of High-Efficiency Fruit Picking Device

表1 本裝置與人工采摘效率對比Tab.1 Comparison of Picking Efficiency Between Fruit Picking Device with Manual

圖15 采果效率對比Fig.15 Contrast of Fruit Picking Efficiency

通過多次試驗，單棵果樹采摘效率大約是人工采摘的2.2倍。人工采摘伴隨著架梯、傳果等輔助時間，在高處采果時效率明顯較低，而且可以預見隨著勞動強度和勞動時間的增加，采摘效率將進一步降低。

5 結語

（1）設計了一種基于反向擺桿滑塊傳導機構的高效水果采摘裝置，以倒擺桿滑塊作為力的傳導機構，推動多把環形放置的剪刀進行剪切，實現水果快速定位采摘；

（2）對水果采摘裝置的伸縮桿進行力學分析，并用ANSYS軟件對剪切機構進行了靜力學分析和Matlab軟件對擺桿滑塊行程參數進行最優化設計，確保各項設計可靠合理；

（3）根據理論計算設計制作了水果采摘裝置樣機，并與采摘人員進行采摘效率比較，結果表明該裝置單棵果樹采摘效率約是人工采摘的2.2倍。

本次設計的高效水果采摘裝置具有結構簡單、重量輕、成本低等優點，可實現多種水果的快速采摘，為水果采摘裝置的設計與發展提供了一種新的思路和參考價值。