花椒采摘軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究*

王 鍵 ，陳 霖 ，唐英文 ，陳治帆 ，韓丹丹 ，譚云峰 ，胡 森

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 雅安 625014）

花椒原產(chǎn)于中國，是中國特色經(jīng)濟(jì)物種，可作材用與藥用，也是我國菜肴中不可缺少的調(diào)味品，在我國平原和海拔2 500 m 以下丘陵山地均可良好生長，遍布我國20 余個(gè)省份，其中以四川、甘肅、陜西為主要栽培地區(qū)?；ń窐淠拓汃?，因此花椒產(chǎn)業(yè)成為貧困地區(qū)農(nóng)民脫貧增收的重要支柱產(chǎn)業(yè)。但大部分花椒生長于山坡及山腳，宜機(jī)性差，無法使用大型機(jī)械，且花椒樹枝條生長、果實(shí)分布均無序，花椒外部保持花椒風(fēng)味的油胞易破。當(dāng)前我國花椒采摘仍以手工為主，青花椒可采用“帶枝采摘”的收獲方式，紅花椒只能采取樹上掐摘收獲方式，無論采用哪種方式，采摘效率仍然低下，工人在收獲過程中還極易受傷。因此，本文對(duì)現(xiàn)有花椒采摘機(jī)具研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述，為采摘機(jī)具的研發(fā)和花椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 花椒機(jī)械化采摘的必要性與研究現(xiàn)狀

1.1 手工采摘效率低、成本高

花椒采摘是花椒種植至收獲過程中最為費(fèi)時(shí)費(fèi)力的環(huán)節(jié)，全樹帶刺、樹型散亂及油胞易破等特性大大增加了花椒機(jī)械采摘難度，制約了花椒生產(chǎn)過程機(jī)械化水平的發(fā)展，同時(shí)造成人工采摘困難、效率低、成本高。青花椒人工采摘費(fèi)用為2 元/kg~3 元/kg，采摘效率為20 kg/d~40 kg/d，紅花椒人工采摘費(fèi)用為4元/kg~6 元/kg，采摘效率為15 kg/d~25 kg/d，花椒種植大戶要完成適時(shí)采摘，需要雇傭大量工人，人工成本急劇增高，極大地制約了花椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而花椒樹莖、枝、葉軸、葉柄及小葉均帶刺，手工采摘易受傷，青花椒可用剪切工具代替手工掐摘，但紅花椒果實(shí)旁長有來年的花椒芽，使用工具將傷害花椒芽，降低來年花椒產(chǎn)量，只能采取手工掐摘，花椒油胞易破，導(dǎo)致長時(shí)間采摘后指甲縫受花椒影響出現(xiàn)麻疼感，若采用護(hù)具，則會(huì)降低采摘效率，由此加劇了農(nóng)村勞動(dòng)力短缺與用工需求增加之間的矛盾。

1.2 種植規(guī)模擴(kuò)大，急需提高采摘效率

近年來，得益于扶貧產(chǎn)業(yè)實(shí)施、需求拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)等各方面政策的綜合推動(dòng)，我國花椒種植面積迅速擴(kuò)大。2021 年，根據(jù)國內(nèi)25 個(gè)產(chǎn)區(qū)的數(shù)據(jù)，花椒栽種面積共1 728.4 萬畝。其中，青花椒主要分布在四川、云南、貴州和重慶等省份，栽種面積占60%；其余產(chǎn)區(qū)以紅花椒為主，栽種面積占40%。由于花椒種植面積的迅速增加，花椒已出現(xiàn)供過于求現(xiàn)象，價(jià)格下跌，極大地打擊了農(nóng)民種植積極性。2022 年，重慶江津青花椒更是跌至2 元/kg~4 元/kg，同時(shí)用工量也隨之上升，除去成本，農(nóng)戶無利可賺甚至虧損。特別是到6—8 月花椒成熟期時(shí)，采摘工人的需求激增。若不能在收獲期收獲花椒，會(huì)造成產(chǎn)量降低以及花椒品質(zhì)下降，收獲過早，花椒果皮薄，油胞不飽滿，品質(zhì)不高；收獲過晚，花椒籽爆出，果穗脫落，產(chǎn)量降低[1]，6—8 月雨水豐富，采摘不及時(shí)，花椒會(huì)因雨水影響脫落甚至霉變。若不采取措施提高花椒收獲效率，用工需求增加與勞動(dòng)力短缺之間的矛盾可能愈演愈烈。實(shí)現(xiàn)機(jī)械采摘，降低成本，是緩解種植面積迅速擴(kuò)大沖擊花椒行業(yè)的良好手段，有利于鞏固脫貧攻堅(jiān)成果和促進(jìn)花椒產(chǎn)業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展。

1.3 花椒采摘機(jī)械研究現(xiàn)狀

從20 世紀(jì)80 年代起，就有許多椒農(nóng)自制花椒采摘工具來代替手工掐摘[2]，以此應(yīng)對(duì)花椒采摘的瓶頸，而后花椒采摘機(jī)械開始正式研發(fā)。2009年，張濤依等設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)花椒采摘機(jī)[3]，該花椒采摘機(jī)生產(chǎn)效率是手工收獲的8~10 倍，且體積小、質(zhì)量小、方便攜帶，但收獲質(zhì)量不高。2016 年，王峰設(shè)計(jì)出負(fù)壓吸收式花椒采摘機(jī)[4]，該機(jī)采用負(fù)壓吸收式采果，有效提高采收安全性、采收率和采收速度。2017 年，鄭天云設(shè)計(jì)完成了雙盤平板式花椒自動(dòng)采摘設(shè)備[5]，該設(shè)備的機(jī)械部分避免了采摘過程中損傷椒樹，且采摘時(shí)能一次性將花椒收集于布袋中，使其收獲后雜質(zhì)較少。2022 年，陜西省寶雞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院的毋萬來等在已取得的“一種精準(zhǔn)型電動(dòng)疏花疏果裝置”專利基礎(chǔ)上研制出一種電動(dòng)花椒采摘器[6]，這款花椒采摘器采用S 型刀片切割采摘，可明顯提升采摘效率。除采用刀片收獲外，也有采用氣吸或梳齒滾刷收獲。2014 年，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)的萬芳新設(shè)計(jì)梳齒式花椒采摘機(jī)[7]，該機(jī)利用撥椒輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的梳刷作用和撥椒輪與弧形凹板間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的搓擦作用收獲花椒，采收率高，花椒及其枝葉損傷小，利用伸縮柄，可以滿足不同高度花椒的收獲。2018 年，重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院的馮偉等設(shè)計(jì)了一種手持式花椒采摘機(jī)[8]，該花椒采摘機(jī)通過喂入口對(duì)花椒枝條進(jìn)行限位，然后通過梳刷滾筒的作用實(shí)現(xiàn)花椒收獲。2020年，貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院的黎書文等設(shè)計(jì)了一種新型的手持電動(dòng)式花椒采摘機(jī)[9]，采用電機(jī)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，梳刷將花椒枝條攬入進(jìn)料口，再利用往復(fù)切割單動(dòng)式雙層齒狀刀片實(shí)現(xiàn)花椒采摘，提高了花椒采摘機(jī)械化程度，且有效降低采摘過程對(duì)人體的傷害。2021 年，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)的萬芳新等研制了梳齒-氣吸式花椒采摘機(jī)[10]，利用梳齒實(shí)現(xiàn)花椒果實(shí)和枝條分離，利用軸流式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場(chǎng)運(yùn)輸和清選花椒果實(shí)，整體效果較好，但整體機(jī)械較大，對(duì)于丘陵山地地區(qū)種植的花椒不適用。近年來，視覺識(shí)別技術(shù)快速發(fā)展，也有學(xué)者研究了自動(dòng)識(shí)別花椒系統(tǒng)[11-12]，經(jīng)過訓(xùn)練后效果明顯提升。

現(xiàn)有花椒采摘機(jī)械皆為剪切或氣吸式機(jī)械，而椒農(nóng)普遍反映現(xiàn)有機(jī)械使用不便，若無法在收獲期內(nèi)收獲花椒，過早或過晚都會(huì)影響花椒品質(zhì)和產(chǎn)量，因此急需開發(fā)新式采摘機(jī)械。本文提出一種剛性骨架與柔性蒙皮相結(jié)合的軟體機(jī)械手，模擬人手掐摘花椒過程，氣囊充氣驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在機(jī)械臂的末端，結(jié)合視覺識(shí)別技術(shù)可實(shí)現(xiàn)花椒智能采摘。

2 建模方案

2.1 工作要求

青紅花椒生長狀態(tài)、采摘方式不同，因此本文設(shè)計(jì)的軟體機(jī)械手主要針對(duì)紅花椒。紅花椒果實(shí)旁長有花椒芽，使用工具易傷害花椒芽，降低來年花椒產(chǎn)量，只能采取手工掐摘，花椒油胞易破，破損將造成花椒發(fā)黑，花椒品質(zhì)降低。為了保證紅花椒在采摘時(shí)花椒芽和油胞不被破壞，需要采摘工具足夠小巧且不擠壓花椒。

2.2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)和工作原理

根據(jù)紅花椒采摘技術(shù)要求，利用SolidWorks 2020 建模，得到花椒采摘軟體機(jī)械手三維模型，如圖1 所示。本文設(shè)計(jì)的軟體機(jī)械手包括軟體手指、關(guān)節(jié)氣囊、手掌、底座和相機(jī)；每只軟體手指有三段指節(jié)，手指兩個(gè)關(guān)節(jié)處各嵌入關(guān)節(jié)氣囊，三只軟體手指安裝于手掌上，手掌與底座相連，相機(jī)安裝在底座上，使用時(shí)機(jī)械手與機(jī)械臂配合，安裝在機(jī)械臂手腕頂部；對(duì)關(guān)節(jié)氣囊充氣時(shí)，氣囊軸向膨脹，驅(qū)使三只手指同時(shí)向中心線靠近并向下移動(dòng)，從而指尖抓緊花椒簇，機(jī)械臂手腕頂部旋轉(zhuǎn)擰斷花椒枝條，完成采摘。

圖1 軟體機(jī)械手三維模型

與視覺識(shí)別系統(tǒng)配合，通過相機(jī)可以實(shí)時(shí)對(duì)花椒簇進(jìn)行識(shí)別，判斷其數(shù)量、位置、大小等，并控制手指氣囊充氣、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)、機(jī)械臂手腕扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作，對(duì)花椒進(jìn)行采摘，提高了自動(dòng)化水平和可靠性。相機(jī)采集到圖像后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析，軟體機(jī)械手工作流程圖如圖2 所示。

圖2 軟體機(jī)械手工作流程圖

3 仿真分析

利用有限元軟件ANSYS Workbench 17.0對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出機(jī)械手工作時(shí)的應(yīng)力分布和運(yùn)動(dòng)情況。向氣囊內(nèi)壁施加壓力，模仿充氣時(shí)的狀態(tài)，以此進(jìn)行仿真分析。

機(jī)械手運(yùn)動(dòng)情況如圖3 所示。由圖3 可知，第一個(gè)關(guān)節(jié)氣壓設(shè)置為0.03 MPa，第二個(gè)關(guān)節(jié)氣壓設(shè)置為0.02 MPa時(shí)，手指可合攏握緊。

圖3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)情況

機(jī)械手工作時(shí)應(yīng)力分布如圖4 所示。由圖4 可知，機(jī)械手工作時(shí)最大應(yīng)力為0.027 51 MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度335 MPa，因此不會(huì)對(duì)采摘機(jī)構(gòu)正常工作產(chǎn)生影響。

圖4 機(jī)械手應(yīng)力分布

4 結(jié)語

1）與傳統(tǒng)花椒采摘器不同，課題組提出一種剛性骨架與柔性蒙皮相結(jié)合的軟體機(jī)械手，模擬人手掐摘花椒過程，氣囊充氣驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，與視覺識(shí)別系統(tǒng)配合完成花椒采摘。

2）利用ANSYS 軟件進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了本文軟體機(jī)械手設(shè)計(jì)方案的可行性。