氣吸梳刷式枸杞采摘機結構設計

李樹森 李昱瑩 趙慶同

摘 要：用便捷高效的機械收獲來替代繁重低效的人工采摘非常有必要。首先，確定采摘機合適自由度，依據典型果樹輪廓確定機械臂結構；其次，繪制采摘機械手臂零件圖、裝配圖；最后，建立模擬樣機，并對其樣機進行演示實驗，為大規模生產提供技術支持，起到配合生產線的工作節拍、完成高效率收集果實的目標。

關鍵詞：采摘機；氣吸梳刷式；枸杞；結構設計

中圖分類號：TP241 文獻標志碼：A 文章編號：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

水果生產過程中，采摘是最耗時和最費力的環節之一，需要投入的勞動力約占整個生產過程的40%[1]。目前，美國、法國、韓國和日本等國家已取得了一些研究成果[2]。我國從20世紀70年代開始研究水果蔬菜類的采摘機械，有西紅柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘機器人等[3-5]。目前，各個大學對采摘機器人的研究也有一定成就：如上海交通大學已經開始研制了黃瓜采摘機器人[6]，浙江大學已經對番茄采摘機器人進行了結構分析與優化設計[7]，中國農業大學研究了采摘機器人的視覺識別裝置[8]。枸杞為我國特產藥材，近幾年更是受到外國友人的追捧。隨著需求量的增大，用便捷高效的機械收獲來替代繁重低效的人工采摘非常有必要。市場現有的枸杞收獲機多為振動式，不僅采凈率較低，含雜率較大，且對枸杞第二年的掛果率有較大的影響[9]。

2 氣吸梳刷式枸杞采摘機整體結構設計

2.1 初步構思

本文設計的氣吸梳刷式枸杞采摘機由行走裝置、機械臂、梳刷式采摘末端執行器、控制系統、篩選收集裝置等組成。初步構思簡圖如圖1、圖2所示：通過接收機裝置和機械臂將梳刷式采摘末端執行器調至合適位置，梳刷工作頭和樹枝產生逆向運動，將果柄水平的成熟果實摘下，在引風機的作用下，氣吸收集入袋。

2.2 工作過程

其工作過程為：接通電源，控制機械臂到指定位置，將樹枝夾入兩逆向旋轉的梳刷工作頭之間，電瓶提供的動力經傳動至梳刷式采摘末端執行器并經遙控后在枝條上移動，引風機抽吸風將果柄由下垂狀變為水平狀，當枝條通過兩逆向轉動梳刷工作頭時，工作頭與其產生相對運動，由梳齒將果實摘下，將成熟果實從果柄摘落進入軟管，隨著梳刷采摘器位置不停地移動，果實連續不斷地從枝條梳摘。掉入篩選收集裝置中的果實經過簡單的過濾，將少量的樹葉等雜質分離。

3 結構創新點與設計優化

3.1 設計創新點

不同于其他果蔬采摘情況，枸杞具有一定柔軟性，同一果樹上發育程度不同，枸杞采摘機沒有自主判斷能力，在采摘過程中要避免傷到果樹及枸杞果實有一定難度。并且，枸杞生長環境隨時間和季節變化較大，采摘機作業環境也具有多變性。因此，采摘機的末端執行器選用梳刷式，要求找到適當的梳刷力，保證其既能區分果實成熟度，又不會對成熟果實造成破壞，盡量做到將采摘機小型化、簡便化。

3.2 末端執行器與機械臂的優化設計

對于以上創新點，對初步設想的末端執行器進行了進一步的細化與改進，示意圖見圖3所示：選用梳齒的間距小于枸杞的直徑，采摘梳齒采用柔性材料，防止梳齒損傷成熟果實果皮，輸送袋和果葉分篩器也采用柔性材料，防止枸杞收集過程中與輸送袋相互摩擦損傷表皮。末端工作頭采用的氣吸式梳刷，通過調整風力，保證其滿足既可以使果柄水平、不會二次卷入梳刷中損壞果實、效率提高，又可以起到收集摘落果實的作用。

首先用 SolidWorks軟件對采摘機各個零件進行繪制，然后再對零件進行自下而上的裝配，以及進行裝配圖的繪制，零件及裝配體示意圖如圖4-5所示。經靜力學仿真模擬，考慮到零件強度和工作平穩性，將機械臂中置，調整車輛重心。

4 氣吸梳刷式枸杞采摘機模擬試驗

根據零件圖及裝配圖進行試驗臺搭建。結果表明：氣吸梳刷式枸杞采摘機能夠較為平穩、準確地對枸杞果實進行采摘、清選、收集等任務。證明設計合理，樣機搭建正確。

5 結束語

對梳刷式采摘機的整體結構進行了分析與設計，完成全套零件圖、裝配圖，并對其樣機進行控制和演示實驗，為大規模生產提供技術支持，起到配合生產線的工作節拍，實現高效率收集果實的目標，節省人力物力，提高生產效率。但樣機設計仍有一定不足，若應用到實際生活中，還需一些改進，提高其靈活性和適應性。

參考文獻：

[1]宋健，張鐵中，徐麗明，等.果蔬采摘機器人研究進展與展望[J].農業機械學報，2006，37（5）：158-162.

[2]湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述[J].機器人，2005，27（1）：90-96.

[3]鄒湘軍，金雙，陳燕，等.基于Modelica的采摘機械手運動控制與建模[J].系統仿真學報，2009，21（18）：5882-5885.

[4]馬履中，楊文亮，王成軍，等.蘋果采摘機器人末端執行器的結構設計與試驗[J].農機化研究，2009，31（12）：65-67.

[5]宋健.茄子采摘機器人結構參數的優化設計與仿真[J].機械設計與制造，2008，46（6）：166-168.

[6]曹其新，呂恬生，永田雅輝，等.草莓揀選機器人的開發[J].上海交通大學學報，1999，33（7）：880-884.

[7]梁喜鳳，苗香雯，崔紹榮，等.果實采摘機械手機構設計與工作性能分析[J].農機研究所，2004（2）：133-136.

[8]周天娟，張鐵中.果蔬采摘機器人技術研究進展和分析[J].農業機械學報，2006，11：38-39.

[9]石志剛，枸杞采摘機研究進展[J].農業科技與裝備，2016，5：53-56.