手持式名優(yōu)茶嫩梢采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)與試驗(yàn)優(yōu)化

賈江鳴 葉玉澤 程培林 朱贏鵬 傅霞萍 陳建能

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310018)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)人口老齡化加重[1-3],導(dǎo)致在較短的采茶期內(nèi)采茶工缺乏，且采茶工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)成本高，制約茶葉的產(chǎn)量和效益[4-10]。

針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展茶葉采摘機(jī)械化的研究，以緩解茶葉采摘用工難的現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)一種剪刀式茶葉采摘機(jī)，該采茶機(jī)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、彈簧剪和螺紋絲杠等部件組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[12]將茶葉采摘末端執(zhí)行器安裝在Delta并聯(lián)機(jī)械臂末端，設(shè)計(jì)一種并聯(lián)式茶葉采摘機(jī)器人，借助并聯(lián)機(jī)械臂操作靈活的優(yōu)點(diǎn)提升機(jī)械化茶葉采摘的效率。文獻(xiàn)[13]開(kāi)發(fā)一種自走式茶葉采摘機(jī)器人，適應(yīng)多地形、多壟寬的茶葉種植環(huán)境。文獻(xiàn)[14]模擬人手采茶動(dòng)作設(shè)計(jì)一種6自由度拉拔式的茶葉采摘機(jī)械臂，雖然該機(jī)械臂有運(yùn)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，但其控制難度較高。以上提出的采茶機(jī)器人結(jié)構(gòu)較大，均需安裝在自走平臺(tái)上完成茶葉采摘作業(yè)。因此，面對(duì)我國(guó)茶葉種植區(qū)多為坡度較大的丘陵地帶，這些茶葉采摘機(jī)器人難以大范圍推廣。

為提升我國(guó)丘陵地帶茶葉種植區(qū)的機(jī)械化采摘水平，部分學(xué)者對(duì)便攜式茶葉采摘機(jī)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[15-18]依據(jù)往復(fù)切割收獲農(nóng)作物的原理設(shè)計(jì)多種便攜往復(fù)切割式采茶機(jī)，這些采茶機(jī)由單人或雙人操作，可在丘陵地帶茶葉種植區(qū)進(jìn)行作業(yè)，采茶效率高。但便攜往復(fù)切割式采茶機(jī)以“收割”的方式采摘茶葉，只適合經(jīng)濟(jì)效益較低的大宗茶采摘，難以對(duì)品相(長(zhǎng)短、大小、完整度等)要求較高的名優(yōu)茶進(jìn)行采摘。針對(duì)名優(yōu)茶的采摘，文獻(xiàn)[19]在研究茶葉形狀的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種名優(yōu)茶剪切采摘機(jī)械手，但在剪切過(guò)程中，茶葉組織細(xì)胞破裂，細(xì)胞液中茶多酚成分與空氣氧化形成黑色物質(zhì)，茶葉斷口呈現(xiàn)黑色，降低了名優(yōu)茶的經(jīng)濟(jì)效益。

為了實(shí)現(xiàn)丘陵山區(qū)名優(yōu)茶的低損采摘，減少茶農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度，本文模擬人手采摘茶葉的方式，設(shè)計(jì)一種手持式名優(yōu)茶嫩梢采摘機(jī)械手。采用三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面分析方法研究各因素對(duì)采摘成功率的交互影響，運(yùn)用Design-Expert 11.0軟件對(duì)該機(jī)械手的工作參數(shù)進(jìn)行二次回歸模型優(yōu)化，最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 采茶機(jī)械手設(shè)計(jì)

1.1 采茶機(jī)械手整體設(shè)計(jì)

目前最好的名優(yōu)茶采摘工藝仍為手工采摘，手工采摘的名優(yōu)茶具有質(zhì)量高、品相好的優(yōu)點(diǎn)[20-22]。采茶過(guò)程中，拇指和食指夾緊茶梗，折彎提拉后使其斷裂，對(duì)芽葉沒(méi)有損傷，能夠保持名優(yōu)茶的品相和經(jīng)濟(jì)效益。本文模擬圖1所示的手工采摘茶葉的動(dòng)作設(shè)計(jì)手持式名優(yōu)茶嫩梢采摘機(jī)械手，對(duì)手工采茶動(dòng)作分解如下：①如圖1a所示，拇指和食指張開(kāi)一定距離，運(yùn)動(dòng)到茶葉上方并夾緊茶梗，此時(shí)夾緊位置為斷梗位置。②如圖1b所示，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手腕，被夾緊的茶梗跟隨手指轉(zhuǎn)動(dòng)，茶梗被折彎。③如圖1c所示，折彎茶梗后，手臂向上拉動(dòng)迫使茶梗在夾緊點(diǎn)斷裂。④如圖1d所示，將斷裂的茶葉放至隨身攜帶的茶葉采收筐中，完成茶葉采摘過(guò)程。

圖1 手工采茶過(guò)程動(dòng)作分解Fig.1 Decomposition of actions of manual tea picking

模仿圖1所示的手工采茶動(dòng)作，設(shè)計(jì)如圖2所示的手持式名優(yōu)茶嫩梢采摘機(jī)械手。該機(jī)械手由送料機(jī)構(gòu)、采摘機(jī)構(gòu)和舵機(jī)組成。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)完成茶葉采摘，如圖3所示，主要由主動(dòng)手指、從動(dòng)手指、柔性?shī)A緊塊、對(duì)射光電開(kāi)關(guān)、一對(duì)相互吸合的磁鋼和磁鋼安裝板構(gòu)成。其中，主動(dòng)手指和從動(dòng)手指相對(duì)安裝，從動(dòng)手指下端設(shè)置有弧形凹槽，與弧形凹槽對(duì)應(yīng)的柔性?shī)A緊塊固定在主動(dòng)手指下端，在兩手指夾緊狀態(tài)下柔性?shī)A緊塊與弧形凹槽貼合，柔性?shī)A緊塊由與人手指硬度相近的硅膠材料制成；對(duì)射光電開(kāi)關(guān)分別安裝在主動(dòng)手指和從動(dòng)手指中部，以點(diǎn)射光源是否被遮擋來(lái)檢測(cè)待采區(qū)是否有茶葉；一對(duì)相互吸合的磁鋼分別安裝在磁鋼安裝板和從動(dòng)手指上，以磁鋼的吸合力作為茶梗的拉斷力。

圖2 采茶機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematics of tea picking manipulator1.送料機(jī)構(gòu) 2.對(duì)射光電開(kāi)關(guān) 3.采摘機(jī)構(gòu) 4.舵機(jī)

圖3 采摘機(jī)構(gòu)圖Fig.3 Picking mechanism diagrams1.從動(dòng)手指 2.對(duì)射光電開(kāi)關(guān) 3.主動(dòng)手指 4.磁鋼 5.柔性?shī)A緊塊

1.2 采茶機(jī)械手工作原理

如圖4所示，手持式名優(yōu)茶嫩梢采摘機(jī)械手模擬人工采茶的動(dòng)作采摘茶葉，主要包括采摘檢測(cè)、柔性?shī)A緊和折彎、提拉斷梗和送料3個(gè)動(dòng)作：①圖4a、4b所示為采摘檢測(cè)，機(jī)械手放置在茶葉上方，對(duì)射光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)待采區(qū)是否有茶葉。機(jī)械手上下移動(dòng)過(guò)程中，若待采區(qū)有茶葉，觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)采摘茶葉。②圖4c所示為柔性?shī)A緊和折彎，舵機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)手指沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，柔性?shī)A緊塊將茶梗夾緊在從動(dòng)手指下端的弧形凹槽內(nèi)，同時(shí)被夾緊的茶梗在弧形凹槽內(nèi)被折彎。③圖4d、4e所示為提拉斷梗和送料，茶梗被夾緊并折彎后，舵機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)手指繼續(xù)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)手指推動(dòng)從動(dòng)手指隨動(dòng)，安裝在磁鋼安裝板和從動(dòng)手指左端的一對(duì)磁鋼從相互吸合的狀態(tài)分離，茶梗被拉斷。主動(dòng)手指和從動(dòng)手指繼續(xù)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，茶葉被送至采收盒內(nèi)，完成茶葉采摘?jiǎng)幼?。如圖4f所示，完成茶葉采摘后，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)手指和從動(dòng)手指沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)回復(fù)到初始位置，并準(zhǔn)備繼續(xù)執(zhí)行下一次采摘?jiǎng)幼鳌?/p>

圖4 茶葉采摘過(guò)程Fig.4 Tea picking process

2 茶葉采摘影響因素確定與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)圖4所示手持式名優(yōu)茶嫩梢采摘機(jī)械手采茶動(dòng)作的分析，確定影響該機(jī)械手采茶成功率的因素主要為磁鋼安裝點(diǎn)與主動(dòng)手指旋轉(zhuǎn)軸的距離(磁鋼距離)、主動(dòng)手指角速度和主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角。

2.1 磁鋼距離

為了控制主動(dòng)手指與從動(dòng)手指之間的夾緊力，根據(jù)手持式名優(yōu)茶嫩梢采摘機(jī)械手模擬人工采茶的動(dòng)作分析可知，主動(dòng)手指在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中克服一對(duì)磁鋼的吸合力而拉斷茶梗。圖5a為拉斷茶梗過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)從動(dòng)手指關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸的力矩平衡有

FMlM-FNlN=0

(1)

式中FM——磁鋼吸合力，測(cè)得為4.16 N

lM——磁鋼安裝點(diǎn)到主動(dòng)手指旋轉(zhuǎn)軸距離

FN——柔性?shī)A緊塊對(duì)茶梗擠壓力

lN——夾緊點(diǎn)到主動(dòng)手指旋轉(zhuǎn)軸垂直距離，為58 mm

若茶梗斷裂，則有

μFN=FB≥Fb

(2)

式中μ——柔性?shī)A緊塊與茶梗的摩擦因數(shù)，為1.3

FB——柔性?shī)A緊塊與茶梗之間摩擦力

Fb——茶梗拉斷力

圖5 采摘機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析Fig.5 Motion analysis diagrams of picking mechanism

為計(jì)算磁鋼安裝點(diǎn)到主動(dòng)手指旋轉(zhuǎn)軸的距離lM，需對(duì)茶梗拉斷力Fb進(jìn)行測(cè)量。如圖6a所示，使用單軸拉伸試驗(yàn)機(jī)(QT-6203S型，蘇州謙通儀器設(shè)備有限公司)測(cè)量茶梗的拉斷力Fb。試驗(yàn)對(duì)象為在杭州茶葉研究所內(nèi)采摘的帶梗茶葉(龍井43)，拉伸數(shù)量為200根新鮮茶梗。為避免夾持器對(duì)茶葉的夾持損傷，在茶梗兩端的夾持位置包裹一層硅橡膠，拉伸速度均為0.1 mm/s。試驗(yàn)結(jié)果如圖6b所示，200根茶梗的拉斷力呈正態(tài)分布，最大拉斷力為3.6 N。將最大拉斷力代入式(1)、(2)可得磁鋼安裝點(diǎn)到主動(dòng)手指旋轉(zhuǎn)軸的距離lM≥38.61 mm，lM的最小值取為40 mm。由預(yù)試驗(yàn)可知，當(dāng)lM大于58 mm時(shí)，茶梗會(huì)因柔性?shī)A緊塊的擠壓力過(guò)大而損壞。因此，磁鋼安裝點(diǎn)到主動(dòng)手指旋轉(zhuǎn)軸的可行距離(磁鋼距離)范圍為40 mm≤lM≤58 mm。

圖6 茶梗拉伸試驗(yàn)與拉斷力統(tǒng)計(jì)Fig.6 Tensile test and breaking force statistics of tea stem

2.2 主動(dòng)手指角速度

主動(dòng)手指的角速度越大，采茶機(jī)械手的工作效率越高。主動(dòng)手指角速度由舵機(jī)的角速度決定，受限于舵機(jī)性能，主動(dòng)手指角速度ω最大為3.39 rad/s。由預(yù)試驗(yàn)可知，當(dāng)主動(dòng)手指的角速度ω小于2.62 rad/s時(shí)，茶葉易從兩手指的側(cè)面空隙掉落，降低采茶成功率。因此，機(jī)械手主動(dòng)手指的可行角速度范圍為2.62 rad/s≤ω≤3.39 rad/s。

2.3 主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角

主動(dòng)手指的轉(zhuǎn)角決定了茶葉是否能夠從兩手指末端掉落進(jìn)茶葉采收盒，從而影響該機(jī)械手的采茶成功率。圖5b所示為茶葉從兩手指末端掉落進(jìn)茶葉采收盒的臨界狀態(tài)，主動(dòng)手指的轉(zhuǎn)角為θ，茶葉在兩手指之間的待采區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路線呈拋物線。若主動(dòng)手指的轉(zhuǎn)角過(guò)小時(shí)，茶葉的落點(diǎn)仍在主動(dòng)手指上，且手指回轉(zhuǎn)復(fù)位的速度較快，導(dǎo)致茶葉較難進(jìn)入采收盒，降低采茶成功率。在圖5b所示狀態(tài)下，忽略茶葉掉落過(guò)程中的空氣阻力，則其在豎直方向和水平方向的位移為

(3)

Rcosαsinθ=v0tcosθ

(4)

式中R——主動(dòng)手指末端轉(zhuǎn)動(dòng)半徑

α——主動(dòng)手指末端到軸心的連線與主動(dòng)手指平面之間的夾角

v0——主動(dòng)手指末端線速度

t——茶葉從拋出到進(jìn)入茶葉采收盒的時(shí)動(dòng)手指末端線速度v0與主動(dòng)手指角速度ω的關(guān)系為

v0=ωR

(5)

式中，受限于手持采摘機(jī)械手的尺寸R=62.5 mm，主動(dòng)手指的最大角速度為ω=3.39 rad/s。將以上參數(shù)代入式(3)～(5)，可得臨界狀態(tài)下θ=140°。由于轉(zhuǎn)角θ>170°時(shí)，從動(dòng)手指與茶葉收集盒發(fā)生干涉，因此可行的轉(zhuǎn)角范圍為140°≤θ<170°。

3 影響因素試驗(yàn)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)該機(jī)械手進(jìn)行三因素三水平Box-Behnken茶葉采摘試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表1。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Experimental factors

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

以手持式名優(yōu)茶嫩梢采摘機(jī)械手的采摘成功率為試驗(yàn)指標(biāo)，其計(jì)算公式為

(6)

式中Nt——采摘茶葉總數(shù)

Ns——成功落入茶葉采收盒的茶葉數(shù)量

3.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

使用手持式名優(yōu)茶嫩梢采摘機(jī)械手樣機(jī)在杭州茶葉研究所進(jìn)行名優(yōu)茶(龍井43)采摘試驗(yàn)。該試驗(yàn)采用三因素三水平的Box-Behnken試驗(yàn)，共進(jìn)行17組。每組試驗(yàn)采摘茶葉總數(shù)為100個(gè)，并統(tǒng)計(jì)成功采摘的名優(yōu)茶數(shù)量，代入式(6)計(jì)算采摘成功率。為減小測(cè)量誤差，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Experiment design and results

3.4 結(jié)果分析

3.4.1回歸模型建立與檢驗(yàn)

利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到采摘成功率的回歸模型，方差分析見(jiàn)表3(A、B、C為因素編碼值)，采摘成功率φ的回歸模型P<0.05，表明該模型顯著；模型的決定系數(shù)R2為0.883，表明該模型可以解釋88.3%以上響應(yīng)值變化，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間具有高度的相關(guān)性，試驗(yàn)誤差較小。其中A、C、AB對(duì)采摘成功率φ影響顯著，BC對(duì)采摘成功率φ影響極顯著，說(shuō)明磁鋼距離、主動(dòng)手指角速度和主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角對(duì)茶葉采摘成功率存在交互影響。因此采用多元回歸擬合的方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到磁鋼距離、主動(dòng)手指角速度和主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角對(duì)采摘成功率φ影響的回歸方程為

φ=40.80+6.62A-3.13B-6.25C+9.25AB-
6.00AC+13.50BC+7.98A2+6.48B2+7.22C2

(7)

表3 采摘成功率方差分析Tab.3 Variance analysis of picking success rate

根據(jù)模型方差的分析知主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角對(duì)采摘成功率影響不顯著，原因是兩手指在夾緊茶葉后形成一個(gè)幾乎封閉的通道，盡管主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角對(duì)茶葉掉落有影響，但不顯著。

3.4.2交互因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響分析

Design-Expert 11.0軟件分析表明，主動(dòng)手指角速度、主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角和磁鋼距離存在交互影響，需要進(jìn)一步深入的分析各因素對(duì)采摘成功率的影響。為了直觀了解各交互因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，忽略不顯著的交互影響因素，通過(guò)Design-Expert 11.0軟件得到交互因素對(duì)采摘成功率影響的響應(yīng)面圖，如圖7所示。

圖7 因素交互作用對(duì)成功率的響應(yīng)曲面Fig.7 Response surfaces of factor interacting on success rate

圖7a為磁鋼距離位于中心水平(49 mm)時(shí)，主動(dòng)手指角速度與轉(zhuǎn)角對(duì)茶葉采摘成功率交互影響的響應(yīng)面圖。當(dāng)主動(dòng)手指角速度較低時(shí)，隨著轉(zhuǎn)角的減小采摘成功率有所提升，原因是茶葉剛拉斷時(shí)具有較大的速度，易從兩手指間掉落到收集盒，如轉(zhuǎn)角增大反而不易掉落到收集盒。當(dāng)轉(zhuǎn)角較大時(shí)，隨著角速度的增大采摘成功率增大，原因是較大的角速度帶動(dòng)茶葉具有較大的切向速度，有效提高采摘成功率。

圖7b為主動(dòng)手指角速度位于中心水平(3.00 rad/s)時(shí)，磁鋼距離與主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角影響采摘成功率的響應(yīng)面圖。當(dāng)主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角較小時(shí)，磁鋼距離越小，茶葉采摘的成功率越大，原因是若磁鋼距離太大，手指轉(zhuǎn)動(dòng)所需的力矩過(guò)大，茶葉具有過(guò)大的運(yùn)動(dòng)速度，易從兩指縫中甩出，不能掉落到收集盒。

3.4.3參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

茶葉采摘成功率是衡量采茶機(jī)械手作業(yè)效果的重要指標(biāo)，運(yùn)用Design-Expert 11軟件中Optimization功能，以采摘成功率最大為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得最優(yōu)參數(shù)為：lM=40.038 mm，θ=152.994°，ω=3.379 rad/s，采摘成功率φ=75.43%。受限于加工精度將上述優(yōu)化后的參數(shù)近似處理并進(jìn)行采摘試驗(yàn)，其中磁鋼距離lM=40.04 mm、主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角θ=153.0°、主動(dòng)手指角速度ω=3.38 rad/s。試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果分別為72%、74%、77%。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)與采摘過(guò)程分別見(jiàn)圖8、9。采摘成功率的相對(duì)誤差小于5%，表明響應(yīng)面仿真試驗(yàn)?zāi)軌蛴行?shí)現(xiàn)優(yōu)化。由于采摘過(guò)程中有很多不可控的因素，如茶葉嫩梢的生長(zhǎng)姿態(tài)不同；采摘點(diǎn)不斷變化；采摘過(guò)程中，茶葉采摘點(diǎn)和采摘角度在自然環(huán)境下會(huì)隨機(jī)變動(dòng)，因此采摘成功率有待進(jìn)一步提高。在3次采摘試驗(yàn)中，采摘時(shí)間均為10 min，對(duì)每次試驗(yàn)采摘的嫩梢個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并計(jì)算采摘速度為25.4、26.2、24.0個(gè)/min，3次采摘平均速度為25.2個(gè)/min。整機(jī)質(zhì)量209 g，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，有效降低了手工采茶勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)Fig.8 Field operation

圖9 采摘過(guò)程Fig.9 Tea picking process

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種模擬人手采摘茶葉的手持式名優(yōu)茶嫩梢采摘機(jī)械手，通過(guò)初步試驗(yàn)和理論計(jì)算確定了影響該機(jī)械手采摘成功率的影響因素。

(2)運(yùn)用Design-Expert 11.0軟件進(jìn)行了三因素三水平的Box-Behnken試驗(yàn)，確定了各因素對(duì)采摘成功的影響由大到小為：主動(dòng)手指角速度、磁鋼距離、主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角。

(3)運(yùn)用Design-Expert 11.0軟件，以采摘成功率最高為優(yōu)化目標(biāo)，確定優(yōu)化參數(shù)為磁鋼距離lM=40.04 mm、主動(dòng)手指轉(zhuǎn)角θ=153.0°、主動(dòng)手指角速度ω=3.38 rad/s?，F(xiàn)場(chǎng)采摘試驗(yàn)表明，以優(yōu)化后參數(shù)實(shí)現(xiàn)的采摘機(jī)械手3次試驗(yàn)的平均采摘速度為25.2個(gè)/min，采摘成功率為74.3%，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的誤差小于5%。