气吸梳刷式枸杞采摘机结构设计

李树森 李昱莹 赵庆同

摘 要：用便捷高效的机械收获来替代繁重低效的人工采摘非常有必要。首先，确定采摘机合适自由度，依据典型果树轮廓确定机械臂结构；其次，绘制采摘机械手臂零件图、装配图；最后，建立模拟样机，并对其样机进行演示实验，为大规模生产提供技术支持，起到配合生产线的工作节拍、完成高效率收集果实的目标。

关键词：采摘机；气吸梳刷式；枸杞；结构设计

中图分类号：TP241 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）19-0028-02

Abstract： The artificial collection of lycium barbarum is more difficult， and the efficiency is low， the cost is relatively high. Therefore， it is necessary to replace heavy and inefficient manual harvesting with convenient and efficient mechanical harvest. First， determine the appropriate degree of freedom of the picking machine， according to the outline of typical fruit trees to determine the structure of the manipulator； secondly， draw the parts of the picking arm， assembly drawings； finally， establish a simulated prototype， and the prototype of the demonstration experiment， provide technical support for mass production， and work with the production line to achieve the goal of efficient fruit collection.

Keywords： picking machine； suction brush type； lycium barbarum； structure design

1 概述

水果生产过程中，采摘是最耗时和最费力的环节之一，需要投入的劳动力约占整个生产过程的40%[1]。目前，美国、法国、韩国和日本等国家已取得了一些研究成果[2]。我国从20世纪70年代开始研究水果蔬菜类的采摘机械，有西红柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘机器人等[3-5]。目前，各个大学对采摘机器人的研究也有一定成就：如上海交通大学已经开始研制了黄瓜采摘机器人[6]，浙江大学已经对番茄采摘机器人进行了结构分析与优化设计[7]，中国农业大学研究了采摘机器人的视觉识别装置[8]。枸杞为我国特产药材，近几年更是受到外国友人的追捧。随着需求量的增大，用便捷高效的机械收获来替代繁重低效的人工采摘非常有必要。市场现有的枸杞收获机多为振动式，不仅采净率较低，含杂率较大，且对枸杞第二年的挂果率有较大的影响[9]。

2 气吸梳刷式枸杞采摘机整体结构设计

2.1 初步构思

本文设计的气吸梳刷式枸杞采摘机由行走装置、机械臂、梳刷式采摘末端执行器、控制系统、筛选收集装置等组成。初步构思简图如图1、图2所示：通过接收机装置和机械臂将梳刷式采摘末端执行器调至合适位置，梳刷工作头和树枝产生逆向运动，将果柄水平的成熟果实摘下，在引风机的作用下，气吸收集入袋。

2.2 工作过程

其工作过程为：接通电源，控制机械臂到指定位置，将树枝夹入两逆向旋转的梳刷工作头之间，电瓶提供的动力经传动至梳刷式采摘末端执行器并经遥控后在枝条上移动，引风机抽吸风将果柄由下垂状变为水平状，当枝条通过两逆向转动梳刷工作头时，工作头与其产生相对运动，由梳齿将果实摘下，将成熟果实从果柄摘落进入软管，随着梳刷采摘器位置不停地移动，果实连续不断地从枝条梳摘。掉入筛选收集装置中的果实经过简单的过滤，将少量的树叶等杂质分离。

3 结构创新点与设计优化

3.1 设计创新点

不同于其他果蔬采摘情况，枸杞具有一定柔软性，同一果树上发育程度不同，枸杞采摘机没有自主判断能力，在采摘过程中要避免伤到果树及枸杞果实有一定难度。并且，枸杞生长环境随时间和季节变化较大，采摘机作业环境也具有多变性。因此，采摘机的末端执行器选用梳刷式，要求找到适当的梳刷力，保证其既能区分果实成熟度，又不会对成熟果实造成破坏，尽量做到将采摘机小型化、简便化。

3.2 末端执行器与机械臂的优化设计

对于以上创新点，对初步设想的末端执行器进行了进一步的细化与改进，示意图见图3所示：选用梳齿的间距小于枸杞的直径，采摘梳齿采用柔性材料，防止梳齿损伤成熟果实果皮，输送袋和果叶分筛器也采用柔性材料，防止枸杞收集过程中与输送袋相互摩擦损伤表皮。末端工作头采用的氣吸式梳刷，通过调整风力，保证其满足既可以使果柄水平、不会二次卷入梳刷中损坏果实、效率提高，又可以起到收集摘落果实的作用。

首先用 SolidWorks软件对采摘机各个零件进行绘制，然后再对零件进行自下而上的装配，以及进行装配图的绘制，零件及装配体示意图如图4-5所示。经静力学仿真模拟，考虑到零件强度和工作平稳性，将机械臂中置，调整车辆重心。

4 气吸梳刷式枸杞采摘机模拟试验

根据零件图及装配图进行试验台搭建。结果表明：气吸梳刷式枸杞采摘机能够较为平稳、准确地对枸杞果实进行采摘、清选、收集等任务。证明设计合理，样机搭建正确。

5 结束语

对梳刷式采摘机的整体结构进行了分析与设计，完成全套零件图、装配图，并对其样机进行控制和演示实验，为大规模生产提供技术支持，起到配合生产线的工作节拍，实现高效率收集果实的目标，节省人力物力，提高生产效率。但样机设计仍有一定不足，若应用到实际生活中，还需一些改进，提高其灵活性和适应性。

参考文献：

[1]宋健，张铁中，徐丽明，等.果蔬采摘机器人研究进展与展望[J].农业机械学报，2006，37（5）：158-162.

[2]汤修映，张铁中.果蔬收获机器人研究综述[J].机器人，2005，27（1）：90-96.

[3]邹湘军，金双，陈燕，等.基于Modelica的采摘机械手运动控制与建模[J].系统仿真学报，2009，21（18）：5882-5885.

[4]马履中，杨文亮，王成军，等.苹果采摘机器人末端执行器的结构设计与试验[J].农机化研究，2009，31（12）：65-67.

[5]宋健.茄子采摘机器人结构参数的优化设计与仿真[J].机械设计与制造，2008，46（6）：166-168.

[6]曹其新，吕恬生，永田雅辉，等.草莓拣选机器人的开发[J].上海交通大学学报，1999，33（7）：880-884.

[7]梁喜凤，苗香雯，崔绍荣，等.果实采摘机械手机构设计与工作性能分析[J].农机研究所，2004（2）：133-136.

[8]周天娟，张铁中.果蔬采摘机器人技术研究进展和分析[J].农业机械学报，2006，11：38-39.

[9]石志刚，枸杞采摘机研究进展[J].农业科技与装备，2016，5：53-56.