便携式高效水果采摘装置设计与仿真

林潘忠，郎文昌，孙蓓蓓

（1.温州职业技术学院机械工程系，浙江 温州 325035；2.东南大学机械工程学院，江苏 南京 211189）

1 引言

水果采摘是水果生产过程中劳动量最大的一个环节[1]，除了挂于低处的水果可直接采摘外，对于高处的水果必须借助梯子或者特定的采摘工具采摘，然而攀爬、搭梯不但采摘效率低，作业安全也难以保障。

一些水果如红枣可采用振动式的采摘方式采摘，然而对绝大部分水果如采用振动式采摘方式易使果实果柄损伤，果品质量差[2]，所以设计一种操作方便、采摘效率高的高空摘果工具是非常具有现实意义的。

目前国内外学者对水果采摘进行了大量的研究，各种水果采摘装置[3-5]相继问世，而研究方向主要可以分为电动式和机械式两大类。

文献[5]基于欠驱动原理设计了一种带肌腱驱动的末端执行器，实现水果机械采摘的形状适应性和平稳抓取；文献[6]设计了一种便携电动式水果采摘机，该设备可以利用控制手柄调整切割刀的位置，并联动开启切割电动机切断果柄完成采摘。

文献[7]根据荔枝的生长特性，研制了一种荔枝串果采摘器具，利用导向机构将枝叶拨开，定刀片钩住果梗，再扳动手柄，使得动刀片旋转将果梗切断，可快速采摘且柔性接果，不损伤果实。

然而由于水果生长时形态各异，生长方向不同，有些竖直生长，有些是横放着搭在其他枝条上，有些是斜向生长的，而目前常见的几种采摘机械仍存在通用性不强、操作复杂、易损伤果实等缺点，另外果农常用的便携式单果采摘器由于果柄定位困难而大幅降低采摘效率，大部分人更愿意徒手采摘，导致水果采摘机械化难以实现。这里结合果农的采摘方式和果实的生长特点，设计了一种定位简单、操作方便、通用性极强且效率高的纯机械式高效水果采摘装置。

2 总体结构设计

装置主要由伸缩机构、多方位环形剪切机构和果实收集结构三大部分所组成，其环形剪切机构总体结构，如图1所示。

图1 环形剪切机构总体结构Fig.1 Overall Structure of Annular Cutting Mechanism

水果采摘装置总体设计思路，如图2所示。通过“一套”、“二剪”两步可轻松实现采果。使用时把采摘头深向果实，利导向凹口设计，果柄顺利滑入剪切口，由于环形口上布置有7 把剪刀，因此无论果实生长方向如何，定位十分方便。当桔子果柄落入剪切口时，按下把手，经过反向摆杆滑块机构传力，带动旋转刀片剪切果柄。

图2 总体设计思路Fig.2 Overall Design Idea

果实顺着采摘头下方连接的果袋经中间缓冲后直接落入果篮，完成单果采摘。

2.1 多方位环形剪切机构

剪切机构是水果采摘装置最主要的部分，是实现采果动作的关键所在。目前常见的剪切形式主要包括电动式、切割式、夹持式等类型[9]。本次设计采用机械切割式的方法，通过反向摆杆滑块机构带动环形剪切机构切断果柄，使用者可以在远程控制摘果。

2.1.1 反向摆杆滑块机构

反向摆杆滑块机构，如图1所示。主要由滑动杆件、连杆、摆杆、组合机架组成。当使用者按下把手时，力通过滑动杆件进行传递，使得滑动杆件拉动连杆进行运动，连杆从而带动拉圈（摆杆）进行转动。

2.1.2 剪切结构设计

剪切结构主要由内圈、拉圈、旋转刀片、铰接座、铰接螺钉等组成，在内圈上均匀布置7把剪刀，摆杆滑块机构带动铰接螺钉轴绕内圈中心转动，从而带动拉圈在一定角度的旋转，实现多把旋转刀片联动剪切和复位，无论果柄落入哪一个剪切口均可实现采摘。

2.1.3 刀片限位与导向弧口

刀片在运动过程中，刀片下部的圆形施力把柄始终在拉圈凹槽内摆动，当固定座与拉圈处在右极限接触时，刀片完全隐藏避免划伤果实，如图4（a）所示；当固定座与拉圈处于左极限接触时，刀片实现剪断果柄的功能，如图4（b）所示。

图4 刀片限位Fig.4 Limit of the Blade

为方便果实定位，将剪切口外边设计导向弧口，使果实能顺利滑入剪切口；同时还设计有防脱离口，果柄进入弧口后可防止果实滑出，如图5所示。

图5 导向弧口结构Fig.5 Arc Guiding Structure

2.2 伸缩机构和果实收集装置

伸缩机构主要由内空心杆、外空心杆件、滑块拉动及锁点定位杆件、节点锁扣件等组成，如图6所示。

图6 伸缩机构Fig.6 Telescopic Mechanism

使用者拉长伸缩杆到合适位置，通过弹簧自动锁扣扣在合适长度的节点上完成伸缩。

一般果树的高度基本在（2～5）m之间[10]，当需要改变长度时，按下节点锁扣件上的按钮，拉动内空心杆就能再次改变长度。

收集装置，如图7所示。主要由半凹口式特制果袋与果篮连接组成。半凹口式果袋采用交替缩口设计使得果实在下落过程中进行缓冲，损耗大部分机械能，避免损伤果实。

图7 半凹口式果篮Fig.7 Half-Notched Type Fruit Basket

3 力学分析与摆杆滑块行程计算

3.1 伸缩杆弯曲变形分析

由于伸缩杆直径小、长度大，且需要承受环形剪切机构的自重和果实重量，因此容易发生弯曲变形，有必要对其变形量进行分析计算。伸缩杆采用6061铝合金材料，在工作的时候可简化为悬臂梁，简图，如图8所示。

图8伸缩杆工作变形Fig.8 Working Strain of Telescopic Rod

则任意横截面上的弯矩为：

计算得到的θB＜0，表示此时截面B的转角为逆时针转向；ωB＜0，表示B点的挠度向下。根据设计计算，剪切机构自重和果实重量之和F约为19.2N，杆总长l=3000mm得：θB=-9×10-12rad，ωB=-1×10-10mm，伸缩杆变形量在许用范围内，符合采摘时的力学设计要求。

3.2 环形剪切机构摆杆初始角与滑块行程分析

为计算反向摆杆滑块各构件参数及对相关参数进行最优化设计，初定摆杆长a=78.25mm（已知参数），滑块初始位置c1=107.06mm（由采摘头转动座等尺寸确定，为已知参数），其机构运动简图，如图9所示。

图9 反向摆杆滑块机构运动简图Fig.9 Kinematic Sketch of Reverse Crank Slider

由上式得滑块行程为c2-c1，效率为η=cosαcosβ。

根据已知条件，a=78.25mm，c1=107.06mm，由Matlab求解得θ（摆杆初始角）与力臂比以及θ与滑块行程关系的最佳值，最后确定拉圈铰接座（见图3）的位置及连杆长度。

图3 剪切结构Fig.3 Shearing Device

由Matlab 软件求得角度与滑块形成及效率关系，如图10所示。

图10 θ与力臂比以及滑块行程关系Fig.10 The Relationship Between Arm Ratio and Stroke of Gliding Block with θ

根据仿真结果，求得θ的最佳值为53°，此时剪切力臂比为0.75，滑块行程14.3mm，连杆长度为93.8mm。

3.3 剪切机构的力学分析与强度校核

为了保证实际需求时，剪切机构的强度能完全满足要求，采用ANSYS软件对剪切机构整个装配体进行了静力学分析。这里利用SolidWorks软件对采摘装置的剪切机构进行几何建模，然后导入HyperMesh中划分网格，建立有限元模型，最后在ANSYS中进行分析计算，剪刀材料为W18Cr4V。

在计算过程中，为提高计算效率，我们对模型进行一定的简化处理，忽略了过渡圆角、倒角等对应力影响较小的细小特征，力学分析简化后的模型，如图11所示。

图11 简化后的力学分析模型Fig.11 Mechanical Analysis Model After Simplification

为减少计算时间，我们对极限位置两把剪刀（距离施力点最近的1号和最远的5号两把剪刀）进行了分析。

（1）1号刀位（距离施力点最近）

为了使分析结果更加接近实际，在剪切口加上木制的圆柱体代替剪切时的水果枝条。

1号刀位在剪切时的等效应力云图，如图12所示。

图12 1号刀位剪切力学分析Fig.12 Mechanical Analysis of No.1 Cutting Blade

从图中可以看出，接触应力最大值出现在刀口的根部，这主要是由于应力集中造成的，是与实际相符合的，剪切口处最大应力远小于材料的最大许用应力。

（2）5号刀位（距离施力点最远）

5号刀位剪切口受力情况，如图13所示。其最大应力也符合材料强度要求。通过对剪切机构关键部位的应力情况进行有限元分析，可以在设计阶段对本装置的结构进行相应优化，确保剪切机构的可靠性与安全性。

图13 5号刀位剪切力学分析Fig.13 Mechanical Analysis of Cutting No.5 Blade

4 实验验证

为了验证装置的可靠性，在理论分析与计算的基础上，设计制作了水果采摘装置实物，并对所制作的实物样机进行现场实验。

为验证该采摘装置的使用效果，使用本装置在橘园中与采摘人员同时采摘，对采摘效果进行比较。

我们选择了两棵高度和果实密度相近的果树，实验组由一人操作实验装置，对照组由果农利用剪刀采摘，并配有梯子。

本次实验采摘单棵果树，以单位时间内采果数量和完成整棵果树采摘所需时间作为参考依据，并且实时记录两组的采摘情况，结果，如表1所示。通过分析相关数据，本采摘装置在2.4分钟左右就采摘完成整棵果树43 个柑橘，平均速度约为18 个/min；而传统人工采摘完成整棵果树共41个柑橘，用时需5分钟左右，平均速度约为8.2个/min。本采摘装置的主要优势在于省力快捷，与人工采摘相比较，采摘装置的性能明显占优，不仅定位方便，而且省去了架梯和果实传递的过程，整个采摘过程轻松不费力。

图14 高效水果采摘装置样机Fig.14 Prototype of High-Efficiency Fruit Picking Device

表1 本装置与人工采摘效率对比Tab.1 Comparison of Picking Efficiency Between Fruit Picking Device with Manual

图15 采果效率对比Fig.15 Contrast of Fruit Picking Efficiency

通过多次试验，单棵果树采摘效率大约是人工采摘的2.2倍。人工采摘伴随着架梯、传果等辅助时间，在高处采果时效率明显较低，而且可以预见随着劳动强度和劳动时间的增加，采摘效率将进一步降低。

5 结语

（1）设计了一种基于反向摆杆滑块传导机构的高效水果采摘装置，以倒摆杆滑块作为力的传导机构，推动多把环形放置的剪刀进行剪切，实现水果快速定位采摘；

（2）对水果采摘装置的伸缩杆进行力学分析，并用ANSYS软件对剪切机构进行了静力学分析和Matlab软件对摆杆滑块行程参数进行最优化设计，确保各项设计可靠合理；

（3）根据理论计算设计制作了水果采摘装置样机，并与采摘人员进行采摘效率比较，结果表明该装置单棵果树采摘效率约是人工采摘的2.2倍。

本次设计的高效水果采摘装置具有结构简单、重量轻、成本低等优点，可实现多种水果的快速采摘，为水果采摘装置的设计与发展提供了一种新的思路和参考价值。