摇枝式油茶果采摘装置作业过程分析与试验

伍德林，李 超，曹成茂，范二波，汪 奇

摇枝式油茶果采摘装置作业过程分析与试验

伍德林，李 超，曹成茂，范二波，汪 奇

（安徽农业大学工学院，合肥 230036）

为了解决油茶果机械化采摘漏采率高、损伤率大和耗能过大的问题，针对摇枝式油茶果采摘装置，该文通过对油茶果振动脱落过程的分析，建立油茶果振动脱落模型并求解，得出影响油茶果脱落的主要因素为作用在枝条上的外力的振幅、频率、作用时间以和夹持位置，并通过预试验和正交试验得到摇枝式油茶果采摘装置的作业参数范围及漏采率最低情况下的作业参数组合。利用高速摄像对油茶果振动脱落过程进行记录，然后回放录像并分析，以油茶果脱落时间作为评价指标，得出采摘效率较高的振动频率、振幅范围为6～10 Hz和20～40 mm，根据平均落果时间范围确定采摘装置的振动作用时间约为4～12 s。根据油茶果在树上的主要分布范围（距离树冠表层260 mm左右），设计四因素三水平正交油茶果采摘试验，得出漏采率最低的作业参数组合为振动夹持位置在距离树梢末端260 mm以内、振动频率10 Hz、振幅20 mm、振动时间8 s，此时油茶果的漏采率为10.87%，花苞损伤率为31.80%。机械夹持方式和铁质的夹持材料对花苞损伤较大，需进一步优化采摘装置作业参数，优化夹持方式和采用柔软的夹持材料，实现油茶果的机械采摘。

农业机械；收获；试验；油茶果；采摘装置；高速摄像；运动分析

0 引 言

油茶属于山茶科植物，生长于干旱、贫瘠丘陵地域，是我国特有的木本油料树种，被世界粮农组织优选的健康食用油原料[1]；具有不占用耕地、一次种植多年收益等优点；对中国乃至世界的食用植物油有着不可替代的贡献[2]。油茶树主干不明显、树枝密集、树高和冠形各异、花蕾果实交织、果形果色不一，目前收获方式以人工采收为主[3]。目前机械采摘存在漏采率高，损伤率大，耗能高的问题[4]，为了解决上述问题，考虑一种摇枝式油茶果采摘装置。

目前果实机械化采收主要有2种方式[5]：接触式和振动式。西红柿、葡萄等要求高的鲜果类主要采用接触式采收；白果、核桃、板栗等坚果类主要采用振动式采收。Blanco等[6]采用振动机械对油橄榄进行了采收研究，发现以不同振动频率进行分批采收的策略可以明显提高采收率；Fu等[7]基于高速摄像技术对蓝莓的采收进行了拍摄，经过计算、分析，确定了最优的振动速度和时间；Zhou等[8]用高速相机拍摄了樱桃脱落过程的位移轨迹，分析了振动频率对果实脱落速度和损伤的影响。蔡菲等[9]基于高速摄像机对果实振动落果进行了试验，发现果实脱落需要的最小作用力即是脱落的惯性力，由此可为振动式机械提供激振力理论参数。王长勤等[10]发现合适的振动频率可实现高效的采收率。本文通过对油茶果振动模型的建立与求解，得出油茶果脱落主要影响因素，将主要影响因素转化为摇枝式油茶果采摘装置作业参数，通过预试验得到摇枝式油茶果采摘装置作业参数大致范围，通过正交试验得到漏采率最低的作业参数组合，为实现揺枝式油茶果采摘提供参考，以减小振动采摘过程对树体的损伤，降低采摘油茶果过程的漏采率，实现高效率采收，为油茶机械化采摘装置的研制提供思路。

1 油茶果受迫振动脱落主要影响因素研究

1.1 油茶果受迫振动分离原理

油茶树枝在周期外力的持续作用下产生受迫振动，振动由树枝传递到油茶果，油茶果在振动下产生相对于树枝的运动加速度，运动加速度在油茶果上产生惯性力，随着运动加速度的增大，惯性力也随之增大，当作用在油茶果上的惯性力大于油茶果-枝条结合力时，油茶果便和枝条脱离[11]。

1.2 油茶果受迫振动动力模型

在研究动力学时，为了简化，通常会把果实分为有柄果实（例如樱桃、梨、苹果等）和无柄果实（例如柑橘、核桃、桃子等）[12]。有柄果实的动力学分析需要考虑果柄长度，无柄果的果柄长度一般忽略不计。油茶果的果柄长度为3～5 mm，油茶果直径为30～50 mm，因此可以将其看作无柄果实，忽略果柄和果实连接点的黏性阻尼、果柄质量以及果柄长度[13]。建立油茶果运动模型如图1所示。

注：A为油茶果与枝条连接点；θ为油茶果-枝条连接点与油茶果质心连线与垂直方向夹角，(°)；αt为油茶果相对于枝条的切向加速度，m·s-2；αn为油茶果相对于枝条的法向加速度，m·s-2；Ft为油茶果的切向力，N；Fn为油茶果的法向力，N；R为油茶果半径，m；X、Y为坐标轴。

根据油茶果运动模型和动能定理可知，油茶果相对于枝条的动能T为

根据油茶果运动模型和势能定理可知，油茶果的势能V为

式（1）～（2）中为油茶果-果柄连接点的等效弹性系数；为油茶果质量，g；I为油茶果转动惯量，kg·m2；为重力加速度，m/s2；为时间，s。

根据朗格朗日函数[14]可得拉格朗日量为

以拉格朗日方程表示为

将式（3）代入式（4）得到油茶果的振动微分方程：

振动时，油茶果在与枝条连接点处受到的法向力F和切向力和F为

油茶果在与枝条连接点处受到的合力F为

1.3 果树振动系统分析

周期性外力持续作用在油茶树枝条上，其振动模型可简化为图2。

周期性外力可表示为

式中为外力的振幅，N；为外力的施加频率，Hz。

注：为周期性外力；为枝条的阻尼系数，N·s·m-1；为枝条的弹性系数，N·m-1。

Note:is the periodic external force;is the damping coefficient of the branches;is the elastic coefficient of the branches, N·m-1.

图2 周期性外力对枝条的振动作用模型

Fig.2 Model of vibration action of periodic external force on branches

以外力的作用方向为轴，其垂直方向作为轴建立坐标系，则枝条振动产生的惯性力1为

枝条产生的弹力f为

f=（12）

枝条受到的阻尼力f为

式（11）～（13）中1为枝条的等效质量，kg；为枝条在轴方向的位移，m。

根据振动时惯性力、阻尼力、弹力和外力的瞬间合力为0可得：

将式（14）写成枝条的振动微分方程一般形式：

则枝条偏离中心的最大位移为

枝条在方向的振动位移为

=sint（17）

由于方向的位移幅度很小，为了简化运动模型，本文仅考虑方向的运动。

枝条受到周期性外力作用受迫振动后，将振动传递给油茶果，在不考虑果实相对树枝的运动时，油茶果的振运动规律与枝条一致[16]，即油茶果的振动位移y为

y=sint（18）

一根枝条上往往有多个油茶果，为了简化方程，将每个油茶果的运动规律看成相等，枝条上油茶果总重量为∑，考虑油茶果相对枝条的运动，根据动能定理可得：

式中E为外力输出能量，J；E为弹性力消耗的能量，J；E为阻尼力消耗的能量，J。

将式（16）~式（18）带入式（19），解得：

对式（21）求导得：

1.4 油茶果振动脱落的主要影响因素

油茶果能否成功脱落主要由受迫运动过程中所受的合力大小决定[15]。油茶果受到的合力越大，越容易脱落，根据式（9）、式（20）和式（21）可知，油茶果受迫运动过程中所受到的合力F为

根据上式可知，外力的振幅和频率越大，油茶果所受合力F越大，油茶果越容易脱落；外力作用位置离油茶果越近，能量传递过程中损失越小，越大，油茶果所受合力F越大，油茶果越容易脱落；作用时间越长，外力输出能量E越大，F越大，油茶果越容易脱落。但挂有油茶果的枝条一般在树枝末梢，枝条较细，振幅、频率过大、作用时间过长、作用位置离油茶果过近会导致枝条折断[17]，在实际采收过程中，外力过大，还会对树体、花、叶损伤过大，因此要选择合适的外力振幅、频率、作用时间和作用位置，以提高工作效率、采净率和减小花苞损伤率。

2 油茶果振动脱落试验

油茶果振动脱落时间是衡量采摘效率的重要因素，振动脱落时间越短，采摘效率越高。通过油茶果的振动脱落时间来衡量不同振幅、频率下外力作用的采摘效率，验证揺枝式采摘的可行性为揺枝式油茶果采摘装置设计提供参考和进一步作业参数优化提供依据。

2.1 试验方法

根据预试验，当激振器频率小于5 Hz时，若枝条振幅小于15 mm，油茶果很难脱落。当激振器频率大于12 Hz、枝条振幅大于50 mm时，枝条损伤过大。因此选择激振器频率为6、8和10 Hz，枝条振幅为20、30和40 mm进行试验。选择9棵长势良好、成熟适中的5 a树龄以上的湘林56号油茶树为试验对象。为避免干扰，每棵树上选取3根相距较远的枝条，每棵树上的3根枝条编号连续，第1棵树为1、2、3，第2棵树为4、5、6，以此类推，试验时，同一棵树上3根枝条的外力频率和振幅中有一项是一致的，以保证试验的准确性。除去油茶树周围杂草，修剪妨碍拍摄的枝条，将高速摄像放置平坦地点，调整相机高度、角度至合适的位置固定（如图3），根据现场情况调整调焦距、光圈，在手持控制端设置相机参数[18-19]，采用高帧率拍摄模式进行油茶果的脱落运动过程拍摄，选择合适的像素，保证手持控制端图像清晰以及全部油茶果的脱落运动过程都能被捕捉到。

图3 高速摄像机拍摄位置

使用激振装置提供不同幅度、频率的外力作用在试验树枝上，使用高速摄像记录油茶果脱落过程。使用i-SPEED Control Pro软件对记录的图像进行回放、分析，得出不同振幅、频率的外力作用下油茶果振动脱落时间，试验前统计枝条上油茶果个数，试验结束后统计采摘的油茶果平均质量。

2.2 激振装置结构

装置依靠激振机构产生外力从而使油茶果脱落。激振装置由固定架（长400 mm，宽200 mm）、电机（额定功率0.37 kW）、偏心圆盘（直径100 mm，偏心距20、30和40mm处各有一圆孔）、连杆（长200 mm）、动齿（长210 mm，宽130 mm，厚25 mm）、定齿（长180 mm，宽165 mm，高180 mm）、液压缸（缸径32 mm，杆径16 mm，行程50 mm）等组成，其总体结构如图4所示。激振机构以曲柄滑块机构为依托，动齿和定齿组成夹持机构，偏心圆盘由电机驱动，带动连杆运动，连杆带动夹持机构在固定板的滑槽中往复运动，通过变频器控制电机转速制偏心圆盘转速改变激振机构的振动频率。

1.定齿 2.固定架 3.连杆 4.偏心圆盘 5.电机 6.液压缸 7.动齿

2.3 试验结果与分析

对油茶果的脱落过程回放，观察并记录油茶果脱落时间，统计结果如表1所示。

表1 不同振幅和频率下油茶果的平均脱落时间

由表1可知，相同振幅下，随着振动频率的增加，油茶果的平均脱落时间缩短，采摘效率增大；相同频率下，随着振幅的增加，油茶果的平均脱落时间缩短，采摘效率增大。若不考虑对枝、叶、花的损伤以及振动夹持位置，采摘装置应尽可能提供高频高振幅的外力。设计采摘装置时，既要保证油茶果的脱落效率，又要考虑对枝、叶、花的损伤，因此油茶果采摘装置设计时应该满足振动频率在6～10 Hz间可调，振幅在20～40 mm间可调。由表1可知，此时油茶果的平均脱落时间约为4～12 s，因此确立采摘时的振动作用时间为4～12 s。根据油茶果主要分布在距树冠表层260 mm左右，振动夹持位置应在距离树梢末端260 mm以内。

3 油茶果采摘装置作业参数优化

将图4中的激振装置作为末端执行器，结合机械臂和行走装置，试制频率0~10 Hz、振幅20～50 mm的摇枝式油茶采摘装置。油茶树成熟期一般在10月下旬和11月上旬[20]，于2018年10月30日－11月2日油茶果成熟适采期，选取湖南祁东县奇林油茶合作社的油茶林中9棵成熟期的湘林56号油茶果树，从每棵树中选取3根物理状态相当、挂果量和花苞数相近的冠层树枝作为采摘对象，做好标记，统计枝条上的总挂果量1和花苞数2。每种工况下采摘试验3次，试验结束后，统计枝条上剩余的油茶果数3和花苞数4，做好记录。

3.1 工作原理

揺枝式油茶果机械采摘装置通过机电液控制采摘臂运动，使其末端的执行器移动到合适的位置，以便夹持冠层树枝；然后由动齿和定齿组成夹持机构将结有油茶果的冠层枝条夹紧；最后电机和偏向圆盘组成的激振机构产主激振经由夹持机构传递至枝条，枝条受迫振动，果树上的油茶果则跟随枝条做往复运动。根据牛顿第二定律，油茶果运动时的加速度使油茶果受到合力，当合力大于结合力的时候，油茶果掉落，实现采摘。

3.2 正交试验因素及水平确定

综合前文分析可知，对油茶果采摘效果影响最大的因素为振动夹持位置、振动频率、振动幅度和振动时间，因此以油茶果漏采率和花苞损伤率作为试验指标进行四因素三水平的正交油茶果采摘试验，以获得最佳的参数组合，从而实现最大采摘率和不影响来年座果率的花苞损伤率。因大部分油茶果集中在树冠表层260 mm左右，因此选择振动夹持位置在距离树梢末端0～260 mm为一个水平，以100 mm递增，260～360 mm作为一个水平，360～460 mm作为一个水平。根据不同振幅、频率下油茶果平均脱落时间试验结果，确定振动频率水平为6、8和10 Hz，振动幅度水平为20、30和40 mm，振动作用时间水平为4、8和12 s。试验因素和水平表如表2所示。

3.3 正交试验结果与分析

漏采率是评价机械采摘效果的重要指标之一[21]。因此该文以油茶果漏采率为本次主要的性能衡量指标，花苞损伤率作为次要指标。各指标计算如下：

漏采率1为

1=3/1×100%（23）

花苞损伤率2为

2=(24)/2×100%（24）

正交试验结果如表3所示。

表2 油茶果采摘正交试验因素水平表

通过对表3正交试验结果中极差的大小可知，振动夹持位置的极差最大，对采摘油茶果漏采率影响最大，其次是振动频率和振动幅度，振动时间影响最小。试验7的漏采率最低，即振动夹持位置0～260 mm、振动频率10 Hz，振幅20 mm、振动时间8 s，此时油茶果漏采率为10.87%，花苞的损伤率为31.80%。根据前期调研，人工采摘的花苞损伤率在30%左右。机械采摘对花苞的损伤一般高于人工采摘，所以初步认为本文装置31.80%的花苞损伤率略高于人工采摘，设计方案基本可行。振动效率是机械化采摘的重要评价指标之一[22]。本文采摘装置采摘一根枝条作业时间为8 s，完成整根树枝的采摘时间大概需要30 s，油茶树主枝一般为5～10根，完成整棵树采摘需要夹持振动作业5～10次，耗时大概150～300 s。人工采摘一个油茶果平均耗时1 s，一棵油茶树大概有300～500个果，完成整棵树的采摘大概需300～500 s，本文采摘装置的采摘效率高于人工采摘。

该装置目前处于试验阶段，对实现油茶果机械化采摘仍有一定差距，花苞损伤率仍然较高，需进一步优化采摘装置结构和作业参数，优化振动夹持方式，采用柔软夹持材料，优化机电液控制系统缩短准备时间，优化采摘装置结构达到一次夹持多个枝条振动等，以提高采摘效率，减小振动采摘过程对树体的损伤，降低采摘油茶果过程的漏采率和花苞损伤率，实现高效率采收。

表3 正交试验结果

4 结 论

1）通过对油茶果振动脱落过程分析，得出油茶果的 成功脱落与作用在枝条上的外力的振幅、振动频率、振动时间以及振动夹持位置有关。

2）油茶果振动脱落试验表明，相同振幅下，随着振动频率的增加，油茶果的平均脱落时间缩短；相同频率下，随着振幅的增加，油茶果的平均脱落时间缩短；油茶果平均脱落时间约为4～12 s；较为合适的采摘作业参数为：作用在枝条上的外力振动频率约为6～10 Hz，振幅约为20～40 mm，振动夹持位置距离树冠表层0～260 mm。

3）正交试验结果表明，揺枝式油茶果采摘装置振动的振动夹持位置对漏采率影响最大，其次是振动频率和振动幅度，振动时间影响最小。振动夹持位置距树冠表层0～260 mm、振动频率10 Hz、振幅20 mm、振动时间8 s的作业参数组合下，油茶果的漏采率最低，为10.87%，此时花苞损伤率为31.80%。

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Analysis and experiment of the operation process of branch-shaking type camellia oleifera fruit picking device

Wu Delin, Li Chao, Cao Chengmao, Fan Erbo, Wang Qi

(,230036,)

A dynamic model and Lagrange equation of forced vibration of camellia oleifera were established for the fruit picking machine with a shaking branch mode according to the theory of forced vibration separation. The equation of inertia force for camellia oleifera fruit was also obtained by solving the governing equation. In dynamic analysis of the equation, main factors affecting the vibration of camellia oleifera can be obtained, including the vibration amplitude, frequency, action time and clamping position of the excitation force. A high speed camera was used to record the vibration shedding process of camellia oleifera fruit. The results showed that the average shedding time of fruit decreases with the increase of vibration frequency under the same amplitude. At the same frequency, the average time of fruit shedding decreased with the increase of amplitude. The picking efficiency was better when the frequency was about 6-10 Hz and the amplitude was about 20-40 mm. The average shedding time of fruit was about 4-12 s. An integrated electromechanical and hydraulic picking device of camellia oleifera fruit was designed with the frequency between 0 and 10 Hz, and the amplitude adjustable from 20 to 40 mm. A three-level orthogonal experiment for fruit picking was designed based on four factors: dynamic amplitude, frequency, action time and vibration position. According to the fact that most camellia oleifera fruits are concentrated at a distance of about 260 mm from the tree top, the height of 0-260 mm was selected as a factor level of clamping position, with an increase of 100 mm, and 260-360 and 360-460 mm were set as the other two test levels. According to the falling time of camellia oleifera fruits under different amplitudes and frequencies, the vibration frequency was selected as 6, 8 and 10 Hz, and the vibration amplitude was selected as 20, 30 and 40 mm. Since the average shedding time of camellia oleifera was between 4-12 s, the vibration time 4, 8 and 12 s were selected. The mature period of camellia oleifera fruit is generally in late October and early November. From October 30 to November 2, 2018, during the mature and suitable period of camellia oleifera fruit, 9 camellia oleifera trees of Xianglin No. 56 in the camellia oleifera forest of Qidong County, Hunan Province were selected, and 3 canopy branches with the same physical state and similar fruits amount and flower buds were selected as the picking objects, to mark and count the total fruits and flower buds on the branches. At the end of the experiment, the remaining number of camellia oleifera fruits and damaged buds were counted and recorded. The results showed that the holding lamping position of the end-effector had the greatest influence on the picking effect, while the vibration time has the least influence. The optimal picking parameters was that the clamping position was 0-260 mm from the treetop, the vibration frequency was 10 Hz, the amplitude was 20 mm, the vibration time was 8 s, under this condition, the leakage rate of fruits was the lowest (10.87%), the bud damage rate was 31.80%. Since the damage rate of flower bud was relatively large, the machine should be further improved.

agricultural machinery; harvesting; test; camellia oleifera fruit; picking device; high speed camera; kinematic analysis

伍德林，李超，曹成茂，等. 摇枝式油茶果采摘装置作业过程分析与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：56-62.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.007 http://www.tcsae.org

Wu Delin, Li Chao, Cao Chengmao, et al. Analysis and experiment of the operation process of branch-shaking type camellia oleifera fruit picking device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 56-62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.007 http://www.tcsae.org

2019-12-23

2020-04-09

国家重点研发计划油茶籽机械化收获关键技术与装备研究（2016YFD0702105）

伍德林，副教授，研究方向为现代农业装备与技术。Email：wudelin@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.007

S225.93

A

1002-6819(2020)-10-0056-07