荔枝单果采摘机设计

刘威威++陈燕+王佳盛++李嘉威++曾泽钦

摘 要：为实现荔枝单果采摘机械化，对其单果采摘机进行了设计。阐述了采摘机的各部件设计原理，确定各部件结构，并对主要受力部位进行了有限元分析，分析结果表明，伸缩杆的最大应力11.65MPa远小于屈服极限325MPa，最大合位移仅约为杆长的0.12%，伸缩杆的刚度满足工作要求。

关键词：荔枝单果； 采摘机； 机械设计

中图分类号：S667.1 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20171132021

引言

荔枝是我国南方特产佳果，其出口数量逐年增加。出口荔枝主要以粒果为主，近年较多采用“分批单果采收”技术。目前荔枝单果采摘现采用人工作业，劳动强度大、效率低。采用机械进行荔枝单果采摘可以有效的提高采摘效率，降低人工劳动程度。

为促进果蔬采摘机械的发展，国内外学者对苹果、柑橘、番茄等蔬果采摘技术进行了研究[1-5]，而荔枝采摘机械的研究，主要是针对其串果采摘[6]。关于荔枝单果采摘机械，目前未见相关文献报道。为解决荔枝单果采摘机械化的问题，本文对荔枝单果采摘机进行了设计。

1 单果采摘机工作原理

荔枝单果采摘机如图1所示。工作时操作者推动机器到荔枝树下，调节采摘杆的高度对荔枝进行初步定位，通过气动装置控制采摘装置，利用拨障机构将树枝等干扰物拨开，然后将剪切机构到达果梗位置，启动剪切开关将荔枝果梗剪断，同时荔枝落入输果管道，最后通过管道流入集果箱中。

2 单果采摘机结构组成

采摘机主要分为采摘装置、动力装置采摘、采摘杆、支撑架、接果装置等。采摘装置与动力装置是相配合装置，通过气动原理控制采摘装置的运动。

2.1 采摘装置与动力装置

采摘装置包括拨障机构和剪切机构，利用气动装置驱动拨障机构以及剪切机构的开合，实现拨障以及剪切功能，其模型如图2所示。

采摘机采用气压动力作为动力装置。动力装置包括压缩机，输气管，换向阀，单向阀，Y型接头。图3所示是采摘机气压传动工作原理图，包括拨障部分和剪切部分。

2.1.1 拨障机构

拨障机构的作用是拨开挡在果蔬前方的叶子或树枝等障碍物，主要由拨障板，复位弹簧，和预压缩单作用直线气缸构成。采摘果蔬时，预压缩单作用直线气缸驱动拨障板，左、右拨障板向外张开，若有树枝或叶子等障碍物挡在果蔬前方，拨障板在张开过程中把障碍物拨向左、右两边，使果蔬暴露.预压缩单作用直线气缸卸载，左、右拨障板闭合，在拨障板复位弹簧作用下拨障板抱持果蔬，使果梗进入刀片剪切范围。

2.1.2 剪切机构

剪切机构主要由定刀片，动刀片，旋转气缸和复位弹簧构成。果梗进入刀片剪切范围后，加载旋转气缸，使动刀片向定刀片方向闭合，剪断果梗。旋转气缸卸载，在动刀片复位弹簧的作用下动刀片复位，动刀片与定刀片保持成张开状态。

2.2 支撑架

2.2.1 支撑架

支撑架结构如图4所示。支撑架上设有承架，承架顶部安装旋转轴，旋转轴中心安装定位套。支撑架的底板用于放置集果箱以及气动装置的气缸。采摘杆通过定位套安装在支撑架上。工作时，通过旋转轴的旋转配合采摘杆的伸缩可以使采摘机在不同位姿下进行采摘工作。

2.3 接果装置

接果装置如图5所示，包括输果管定位圈、输果管和集果箱。输果管定位圈安装在采摘装置下端，用于固定输果管，作为果实输送的入口。集果箱安装在支撑架的底板上。经过采摘装置采摘下的荔枝，落入输果管定位圈中，通过输果管落入集果箱中。

3 采摘杆刚度分析

采摘机最不稳定的结构是伸缩杆，因此对采摘杆的刚度进行分析。其力学模型为悬臂梁模型，使用SolidWorks对伸缩杆模型进行有限元分析。

3.1 有限元建模

已知伸縮杆的材料为冷拔钢，再根据伸缩杆的固定以及受力情况，建立如图6的有限元分析模型。其中，A为定位套对伸缩杆的固定约束，G为伸缩杆本身自重，F为结果装置的整体重量在垂直伸缩杆方向的分量。添加完材料、约束条件以受力条件后，对伸缩杆进行网格划分，最终执行静应力有限元分析。

3.2 有限元结果分析

有限元应力分析结果与合位移分析结果如图7所示。根据应力云图结果可知，伸缩杆的最大应力11.65MPa远小于屈服极限325MPa，最大合位移仅约为杆长的0.12%，符合设计要求。

4 结束语

本文设计了采用气动作为动力源的荔枝单果采摘机，针对荔枝果实的生长特性，设计了拨障机构和剪切机构；对不同高度的荔枝，设计了伸缩机构，以满足不同高度荔枝采摘；采摘后的果实通过软管输送至收集箱。后续将进一步制作实物样机，并进行采摘试验，验证并改善本文的设计。

参考文献

[1]张麒麟. 苹果采摘机器人末端执行器的设计与研究[D].南京农业大学，2011.

[2]张水波. 柑橘采摘机器人末端执行器研究[D].浙江工业大学，2011.

[3]王晨，刘九庆. 笃斯越桔采摘机械手设计[J]. 林业机械与木工设备，2008（06）：41-42.

[4]梁喜凤，王永维. 番茄收获机械手机构型综合研究[J]. 农机化研究，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]谈建豪，陈燕，向和平，等. 机器人串果采摘末端执行器设计及仿真[J]. 农机化研究，2013（09）：133-136.

作者简介：陈燕（1964-），女，广州市人，副教授，硕士，主要从事农业机器人，农业机械装备研究；刘威威（1992-），男，赣州市人，硕士在读，主要从事农业机器人研究。endprint