手動背負夾爪式簡易梨采摘器研制

高自成，龐國友，李立君，趙凱杰，王曉晨，吉成才

?

手動背負夾爪式簡易梨采摘器研制

高自成，龐國友，李立君※，趙凱杰，王曉晨，吉成才

（中南林業科技大學機電工程學院，長沙 410004）

針對梨采摘效率低且勞動強度大的問題，該文通過分析梨果實特征，并搭建剪切力測量平臺，對不同品種和成熟度的梨進行果柄剪切試驗，測得剪斷果柄的最大剪切力為5.4 N；設計了一款操作簡單且不傷果實的手動背負式梨采摘器，該手動背負式采摘器由操作執行機構通過拉索拉動采摘頭，使夾爪和刀片先后動作，完成采摘；采摘完后，松開操作手柄，在復位彈簧的作用下，刀具和夾爪順序動作，果實通過收集布袋落入果籃中；基于Recurdyn對采摘器關鍵部件進行仿真，得出剪切力平均為13.5 N，大于剪斷果柄所需的剪切力；基于ANSYS軟件對主要的受力桿件組進行強度分析，驗證了所設計的采摘器強度滿足要求；開展實地試驗驗證設計的合理性。試驗表明：該手持式采摘器操作簡單、舒適，采用采摘器采摘，采摘效率比人工采摘效率提高了57.1%，可以實現不同高度梨的采摘，提高了果農的采摘效率和采摘過程安全性。

水果；采摘；手動式；背負式；梨

0 引 言

梨，通常品種是一種落葉喬木或灌木，極少數品種為常綠，屬于被子植物門雙子葉植物綱薔薇科蘋果亞科。中國梨種植面積大，果園梨樹高度一般在1.5～4 m[1]。目前，梨主要依靠人工采摘，果農在采摘過程中需要爬上樹或者借助梯子登高，采摘過程不僅艱辛、工作強度大，而且具有一定的危險性[2]。所以設計背負式梨采摘器，使得在地面上即可以輕松采摘到梨樹頂附近的梨，避免爬樹或登高帶來的麻煩和不安全因素。具有重要的現實意義。

據查閱資料，為了提高果蔬采摘效率，國外對果蔬采摘機器人進行了大量的研究[3]，但是這些采摘機械多為大中型車載機械，成本高，操作復雜，后續的維修保養程序多。而國內對采摘機械的研究起步晚，目前仍處于起步階段。蔡健榮等對柑橘采摘機器人的自動化采摘進行研究[4-5]。宋健等研究了一款開放式的茄子采摘機器人[6]。李國利等設計了一款多末端蘋果采摘機器人[7]，呂繼東等對蘋果在采摘過程的快速定位方法進行了深入研究[8]，錢少明等分別對黃瓜采摘的執行器和采摘過程的振動特效進行了研究[9-10]，楊小慶等基于單片機設計了一款仿人多指番茄采摘器[11]；王糧局等研制了一款草莓采摘器，并在基于視覺伺服的基礎上研究了草莓的定位方法[12-13]，高自成等針對油茶果的特性設計了油茶果采摘機[14-17]。葉敏等對荔枝采摘也進行一定的研究[18-20]。雖然取得了比較大的進步，但是仍然存在采摘效率不高、果實定位不準、果實損傷率高、制造成本較高等問題，從而導致不能很好地市場化。研究人員為解決這些問題，也研究了一些結構比較簡單，價格較低的果蔬采摘器，有的采摘器已經投入到市場，但是由于仍然存在果實定位不準、采摘方式導致損壞率高等技術瓶頸，應用反應效果不佳。

為了給果農提供一種結構簡單、價格低廉、質量輕、不傷水果且適合梨的采摘器，本文通過分析梨的特性，參考前人對柑橘和荔枝果柄剪切力學特性研究[21-22]成果的基礎上，分析現有的便攜式采摘器[23-28]，設計了一款背負式梨采摘器，并且制作樣機進行試驗驗證。

1 果柄力學性能測量

對梨質量、形狀特征以及剪切果柄切斷力的分析是確定梨采摘方法的試驗基礎。梨的外形呈球形或者橢球形，大部分的梨都是橢球形，小部分的梨外形呈球狀。

為研究梨果柄的剪切力，本文搭建一個測量平臺，如圖1所示，利用杠桿原理測量剪切力，測量時圖中1和2處的力臂長度一致。以市場上常見的3種梨：雪花梨、鴨梨、蘋果梨為研究對象，根據果實直徑大小、對應生長期將果實成熟度劃分為A、B、C三個等級，取每種梨的各個等級成熟度的果實各60顆進行測量，取平均值。

1. 固定刀片 2. 動刀片

利用彈簧測力器測量1，根據圖1有2=1，試驗測量結果如表1所示。

表1 梨的平均直徑、質量和果柄剪切力

注：A、B、C表示果實成熟度的三個等級。

Note: A, B, C represent three maturity levels of fruit.

從表1中可以看出，3個品種梨的果柄剪切力各不同，各品種梨果柄剪切力隨著果實成熟度等級的提高先增大后減小，最大剪切力為5.4 N，是蘋果梨在B級成熟度時所需的剪切力。

2 采摘器設計

2.1 采摘器總體結構及原理

梨采摘器主要采用抱剪采摘方式，由采摘頭部件、伸縮部件、可調式背帶、驅動操作部件等組成。其中采摘頭部件包括夾持機構組件、刀片剪切組件和彈簧組件等；伸縮部件包括上調節桿、下手握桿和伸縮調節螺母，為減輕重量，上調節桿和下手握桿均采用空心鋁管；可調式背帶包括背帶、背帶夾持塊和背帶卡柄；驅動操作部件包括操作手柄、操作手柄連桿和張緊盒子等。成熟梨的直徑范圍在70～100 mm，所以設計采摘器采摘的果實直徑范圍為70～100 mm，按照這個范圍設計夾爪和果柄剪切機構，保證采摘過程不發生誤觸。采摘器基本結構如圖2所示。

1. 夾持機構組件 2. 剪切刀片組件 3. 彈簧組件 4. 上調節桿 5. 伸縮調節螺母 6. 下手握桿 7. 背帶夾持塊 8. 背帶卡柄 9. 背帶 10. 操作手柄 11. 操作手柄連桿 12. 張緊盒子

該梨采摘器的背帶長度和位置均可調，其調節方式為將背帶卡柄拉起，根據個人的使用情況將背帶夾持塊移動到合適位置后將背帶卡柄壓下。驅動操作裝置通過拉索穿過空心鋁管與采摘頭相連，采摘頭部件上的其他組件通過圓柱銷連接。在采摘梨的過程中，操作者先將采摘頭置于梨附近，將梨放入采摘頭的托盤中，然后拉動操作手柄，將果實夾住并切斷果柄，采摘完成后，松開操作手柄，夾爪和刀片在復位彈簧的作用下自動回位，果實通過“Z”型收集布袋滑落至果籃中，完成采摘過程。

2.2 關鍵部件設計

2.2.1 驅動操作部件設計

為了使采摘器具有自動復位功能，設計過程中運用了張緊發條的特性，在松開操作手柄后，在張緊發條作用下繩輪轉動。同時考慮到采摘器伸縮功能，設計拉索繩輪蓋板有多個連接孔，以便在伸縮后找到合適的驅動點。繩輪直徑58 mm，操作手柄連桿長度為95 mm。操作手柄長度為165 mm，連接孔到繩輪中心距離為14 mm。驅動操作部件結構示意圖如圖3所示。

1. 操作手柄 2. 操作手柄連桿 3. 拉索 4. 張緊盒子 5. 拉索繩輪蓋板 6. 張緊發條 7. 繩輪 8. 法蘭

2.2.2 采摘頭部件設計

采摘頭部件是采摘器中最為重要的部分，其機械結構的設計直接影響采摘質量。采摘頭部件結構如圖4所示。根據果樹修剪機械產品，用于剪斷果樹樹枝的常規方式是往復剪切刀片剪切，利用其中的杠桿原理和刀片剪切[27]有利于切斷樹枝的特征，設計本文采摘器切割裝置為抱剪式剪切刀片組，其包括內刀片組件和外刀片組件。為了保證夾持水果過程的穩定性，夾持機構采用三夾爪夾持。刀具拉桿環與刀片組靠尼龍繩連接，設計尼龍繩長度留有余量，開合拉桿與刀具拉桿環用圓柱銷固連，夾爪拉桿連接盤和夾爪通過夾爪拉桿鉸接。當拉動操作手柄，開合拉桿和刀具拉桿環同時動作，夾爪拉桿連接盤在壓縮彈簧的作用下也開始動作，通過夾爪拉桿帶動夾爪做夾持動作；當尼龍繩繃直后刀片組開始做環抱剪切動作，從而實現在采摘過程中，夾爪先動作，刀片組再動作的功能；采摘完后，松開操作手柄，刀片組在刀片復位彈簧的作用下復位，夾爪在夾爪復位彈簧的作用下復位。刀片長度65 mm，采摘頭支架最大圓環直徑為138 mm，內刀片安裝半圓半徑為69 mm，外刀片安裝半圓半徑73.5 mm。

1. 梨模型 2. 夾爪 3. 內刀片組 4. 采摘頭支架 5. 夾爪拉桿 6. 夾爪拉桿連接盤 7. 開合拉桿 8. 刀具拉桿環 9. 刀具拉伸彈簧 10. 尼龍繩 11. 刀具復位彈簧 12. 外刀片組

2.2.3 收集布袋設計

為了提高采摘效率，設計“Z”型布袋收集果實，“Z”型可以有效減緩梨滾落的速度，使得梨可以無損地滾落到果籃；從表1可知，梨的平均直徑最大值為88.4 mm，為使夾爪松開后，梨能夠順利的從布袋口滾落，設計布袋口徑200 mm。“Z”型傾角角度太小，下降太慢，增加手持的附加力，影響效率；角度太大，不能起到緩沖作用,試驗證明采用145°～155°的“Z”型傾角下降能夠兼顧到效率和采摘質量，故設計“Z”型傾角為150°。采用紗布材質，質量輕。布袋用鋼絲固定在上調節桿上端，布袋實物如圖5所示。

圖5 收集布袋

3 采摘頭部件運動仿真

為了驗證所設計采摘頭部件的可行性，對采摘頭部件進行運動學仿真。將在三維制圖軟件Inventor中建立好的采摘頭部件模型導入到仿真軟件Recurdyn中進行仿真[29-30]。采摘頭采摘果實直徑范圍70～100 mm，所以建立梨模型直徑取為中間值85 mm；夾爪與梨之間的接觸力太大容易夾壞果實，因梨有托盤托起，夾爪與梨之間不需要太大的接觸力。將10 g砝碼放在梨表面，其壓力對梨表面無影響，故設置夾爪與梨模型之間的接觸力為0.1 N；添加好各項約束條件后，設置仿真時間為5 s，步長為200步。仿真結果如圖6所示。

圖6 采摘器動力學仿真結果

從圖6a中可以看出，果柄剪切力最大13.5 N，大于剪切果柄所需要的力。從圖6b、6c可以看出，因為觸發刀片組動作的尼龍繩留有余量，所以在尼龍繩繃緊前，刀片組沒有動作；0.5 s后尼龍繩繃緊，刀片組開始動作，達到了夾爪先動作、刀片組再動作的要求，避免刀片組先動作誤觸到夾爪。由圖6c、6e可知，在1 s時刻夾爪、梨之間的接觸力為0.1 N，夾爪夾住果實，夾爪速度變為0，夾爪不動；這個時刻刀片組速度在加載力的作用下迅速達到最大值；切果柄時，由于果柄阻力，刀片組速度變小；剪斷果柄后，松開操作手柄，刀片組在復位彈簧的作用下做復位運動。該時刻，夾爪也在復位彈簧的作用下做復位動作。從圖6b中可以看到，內外刀片組剪切過程在1.4 s左右剪切速度同時達到最大值，在1.9 s左右速度同時降為0；在復位彈簧的作用下，內外刀片組在復位過程中速度在2.3 s左右同時達到最大值，且在2.8 s左右回復到位，內外刀片組的協同性良好，說明所設計剪切機構能達到剪切要求。從圖6c、6d可以看出夾爪和夾爪連接盤之間的速度按照一定的規律變化，說明設計的夾持機構能正常工作，不存在卡死現象。

4 采摘器桿件組強度分析

采摘器長徑比比較大，受力過大容易發生彎曲變形。本文通過ANSYS軟件對采摘器的桿件組進行強度分析。選取桿件組最長時的情景，利用ANSYS Workbench 15.0軟件建立采摘器桿件組的線性靜力學有限元分析模型。

根據線性靜力學有限元建模與分析流程依次進行操作。

1）材料設置：桿件組所用材料為鋁6061，密度2 750 kg/m3，彈性模量68.9 GPa，泊松比0.3，許用應力110 MPa。

2）結構模型建立：進入“Geometry”環境，將由Inventor軟件生成的桿件組三維模型導入到Workbench中。

3）網格劃分：進入“Model”有限元建模環境，進行網格劃分。物理參數選擇結構選項；高級尺寸功能關閉；相關性中心選擇中等選項；網格尺寸為2 mm；光滑度為中等；選擇快速過渡；標準結構為形狀檢查選項。

取極限情況，將桿件組的下手握桿末端固定，在上調節桿前端施加載荷，采摘頭重量為1.2 kg，收集布袋質量為0.4 kg，故施加載荷16 N，求解結果如圖7所示。

圖7 采摘器桿件組應變應力云圖

根據桿件之間配合情況，桿件組允許的最大變形量為0.1 mm。由圖7a可知，采摘器桿件組最大變形位置位于采摘頭安裝處，最大變形量為0.072 571 mm，小于0.1 mm，采摘器的剛度足夠。從圖7b可以看到，其最大應力位置在2個桿件的連接處，桿件組所受最大應力為19.267 MPa，遠小于材料的許用應力110 MPa。因此采摘器強度滿足要求。

5 驗證試驗

為了驗證采摘器的性能，根據設計參數制作樣機并進行采摘試驗，具體樣機及試驗如圖8、圖9所示。樣機制作總成本為736元。裁剪與夾爪內側面大小一樣的海綿塊，用膠水粘在夾爪內側面上，防止夾爪在夾持過程中夾壞梨的表面。

采摘試驗于2017年9月22—27號在湖南邵陽市新寧縣木山梨園進行，梨品種為鴨梨，成熟度為C等級，梨樹高度在3～4.5 m。試驗人員通過操縱操作手柄就可以把果實采摘下來，操作簡單；松開操作手柄，自動復位功能使刀具和夾爪松開，果實通過布袋落入果籃中。采摘過程中，通過調節伸縮部件，可以實現不同高度梨的采摘。采摘試驗中，選擇2棵高度、掛果率基本一致的梨樹，選取2.5、3.3、4.1 m三個高度，分別采用人工采摘和采摘器采摘的方式，記錄采摘20 min后所采得梨的個數。按照式（1）計算果實損壞率，每個高度重復試驗5次，取平均數，結果如表2所示。

式中為同一高度采摘試驗損壞梨的個數，為同一高度采摘試驗所得梨的個數。

1.采摘頭部件 2.桿件組 3.收集布袋 4.背帶 5.驅動操作部件

1.Picking head component 2. Rod set 3. Collecting bag 4. Strap 5. Drive operating part

圖8 手動背負式梨采摘器樣機

Fig.8 Hand-operated piggyback pear picker prototype

圖9 采摘試驗

表2 采摘試驗結果

由表2可知，人工采摘，平均采摘效率4.2個/min；采摘器采摘，平均采摘效率6.6個/min。采用采摘器采摘，采摘效率比人工采摘的效率提高了57.1%。人工采摘的平均損壞率為0.9%，采摘器采摘的平均損壞率為1.0%，損壞率較低。分析采摘器采摘過程損壞果實的原因，主要是因為個別梨直徑大于100 mm，導致刀片誤觸。

6 結 論

1）本文設計了一款手動背負式梨采摘器，將夾持機構、果柄切斷機構和拉索手柄控制機構有效結合，通過拉索手柄控制機構控制夾持機構和果柄剪切機構的開合，在采摘時先后進行果實夾緊和果柄切斷，實現果實與果樹的分離。

2）對關鍵部件采摘頭進行仿真，結果顯示果柄最大剪切力為13.5 N，大于5.4 N，滿足剪切梨果柄所需剪切力；對采摘器桿件組進行強度分析，結果表明：采摘器桿件組最大變形位置位于采摘頭安裝處，最大變形量為0.072 571 mm，小于0.1 mm，在允許的變形范圍內；采摘器桿件組最大應力位置在兩桿件的連接處，所受最大應力為19.267 MPa，遠小于材料的許用應力110 MPa，所設計的采摘器強度滿足要求。

3）樣機成本低，易于推廣。試驗表明：梨采摘器能采摘梨，其伸縮功能增大了采摘器的采摘范圍，達到了預期的設計要求，采用采摘器采摘，采摘效率比人工采摘的效率提高了57.1%，幫助果農提高采摘效率。采摘器采摘果實直徑大于100 mm時，會產生誤觸，損傷果實，后期的優化工作還需解決這一問題。

[1] 趙俊曄，武婕. 2014—2023年中國水果市場形勢展望[J]. 農業展望，2014，10(4)：14－18. Zhao Junye, Wu Jie. Prospects of China's fruit market from 2014 to 2023[J]. Agriculture Outlook, 2014, 10(4): 14－18. (in Chinese with English abstract)

[2] 散鋆龍，牛長河，喬圓圓，等. 林果機械化收獲研究現狀、進展與發展方向[J]. 新疆農業科學，2013，50(3)：499－508. San Yunlong, Niu Changhe, Qiao Yuanyuan, et al. Current situation, progress and development direction of mechanized harvest of forest fruits[J]. Xinjiang Agricultural Science, 2013, 50(3): 499－508. (in Chinese with English abstract)

[3] 張最，肖宏儒，丁文芹，等. 振動式枸杞采摘機理仿真分析與樣機試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(10)：20－28. Zhang Zui, Xiao Hongru, Ding Wenqin, et al. Simulation analysis and prototype test of vibrating picking mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 20－28. (in Chinese with English abstract)

[4] 蔡健榮，王鋒，呂強，等. 基于SBL-PRM算法的柑橘采摘機器人實時路徑規劃[J]. 農業工程學報，2009，25(6)：158－162. Cai Jianrong, Wang Feng, Lü Qiang, et al. Real-time path planning of citrus picking robot basedon SBL-PRM algorithm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(6): 158－162. (in Chinese with English abstract)

[5] 蔡健榮，周小軍，王鋒，等. 柑橘采摘機器人障礙物識別技術[J]. 農業機械學報，2009，40(11)：171－175. Cai Jianrong, Zhou Xiaojun, Wang Feng, et al. Impact recognition technology for citrus picking robots[J]. Transactions ofthe Chinese Societyfor Agricultural Machinery, 2009, 40(11): 171－175. (in Chinese with English abstract)

[6] 宋健，孫學巖，張鐵中，等. 開放式茄子采摘機器人設計與試驗[J]. 農業機械學報，2009，40(1)：143－147. Song Jian, Sun Xueyan, Zhang Tiezhong, et al. Design and experiment of open eggplant picking robot[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultral Machinery, 2009, 40(1): 143－147. (in Chinese with English abstract)

[7] 李國利，姬長英，顧寶興，等. 多末端蘋果采摘機器人機械手運動學分析與試驗[J]. 農業機械學報，2016，47(12)：14－21，29. Li Guoli, Ji Changying, Gu Baoxing, et al. Kinematics analysis and experiment of multi-terminal apple picking robot manipulator[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(12): 14－21, 29. (in Chinese with English abstract)

[8] 呂繼東，趙德安，姬偉，等. 蘋果采摘機器人對振蕩果實的快速定位采摘方法[J]. 農業工程學報，2012，28(13)：48－53. Lü Jidong, Zhao De'an, Ji Wei, et al. A rapid method for picking and oscillating fruit picking by apple picking robot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(13): 48－53. (in Chinese with English abstract)

[9] 錢少明，楊慶華，王志恒，等. 黃瓜抓持特性與末端采摘執行器研究[J]. 農業工程學報，2010，26(7)：107－112. Qian Shaoming, Yang Qinghua, Wang Zhiheng, et al. Study on cucumber grip characteristics and end picking actuator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(7): 107－112. (in Chinese with English abstract)

[10] 姚天曙，丁為民. 機械手采摘黃瓜的振動特性試驗[J]. 農業工程學報，2006，22（9）：250－253. Yao Tianshu, Ding Weimin. Experimental study on vibration characteristics of manipulator picking cucumber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(9): 250－253. (in Chinese with English abstract)

[11] 楊小慶，時磊，王娜，等. 基于單片機的仿人多指番茄采摘機械手設計[J]. 農機化研究，2016，38(7)：80－84. Yang Xiaoqing, Shi Lei, Wang Na, et al. Design of a human-like multi-finger tomato picking robot based on single-chip microcomputer[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(7): 80－84. (in Chinese with English abstract)

[12] 王糧局，張鐵中，褚佳，等. 大容差高效草莓采摘末端執行器設計與試驗[J]. 農業機械學報，2014，45(增刊1)：252－258. Wang Liangju, Zhang Tiezhong, Chu Jia, et al. Design and experiment of high tolerance strawberry harvesting end effector[J]. Transactions of the Chinese Societyfor Agricultural Machinery, 2014, 45(S1): 252－258. (in Chinese with English abstract)

[13] 王糧局，張立博，段運紅，等. 基于視覺伺服的草莓采摘機器人果實定位方法[J]. 農業工程學報，2015，31(22)：25－31. Wang Liangju, Zhang Libo, Duan Yunhong, et al. A fruit positioning method for strawberry picking robot based on visual servo[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 25－31. (in Chinese with English abstract)

[14] 高自成，李立君，李昕，等. 齒梳式油茶果采摘機采摘執行機構的研制與試驗[J]. 農業工程學報，2013，29(10)：19－25. Gao Zicheng, Li Lijun, Li Xin, et al. Development and experiment of picking and executing mechanism of tooth combing camellia picking machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(10): 19－25. (in Chinese with English abstract)

[15] 高自成，李立君，劉銀輝. 油茶果采摘機采摘機械臂的機構設計及運動仿真[J]. 西北林學院學報，2012，27(2)：266－268. Gao Zicheng, Li Lijun, Liu Yinhui. Mechanism design and motion simulation of picking machine arm of camellia fruit picking machine[J]. Journal of Northwest Forestry University, 2012, 27(2): 266－268. (in Chinese with Englishabstract)

[16] 高自成，王朋輝，王勇樺，等. 油茶果采摘機器人機械臂伺服系統選型設計[J]. 農機化研究，2015，37(5)：140－144，150. Gao Zicheng, Wang Penghui, Wang Yonghua, et al. Selection and design of robotic arm servo system for camellia fruit picking robot[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(5): 140－144, 150. (in Chinese with English abstract)

[17] 高自成，李立君，王朋輝，等. 油茶果采摘機器人采摘頭設計與分析[J]. 中南林業科技大學學報，2016，36(2)：114－118. Gao Zicheng, Li Lijun, Wang Penghui, et al. Design and analysis of picking head for camellia fruit picking robot[J]. Journal of Central South University of Forestry and Technology, 2016, 36(2): 114－118. (in Chinese with English abstract)

[18] 葉敏，鄒湘軍，羅陸鋒，等. 荔枝采摘機器人雙目視覺的動態定位誤差分析[J]. 農業工程學報，2016，32(5)：50－56. Ye Min, Zou Xiangjun, Luo Lufeng, et al. Analysis of dynamic positioning error of binocular vision of litchi picking robot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(5): 50－56. (in Chinese with English abstract)

[19] 熊俊濤，葉敏，鄒湘軍，等. 多類型水果采摘機器人系統設計與性能分析[J]. 農業機械學報，2013，44(增刊1)：230－235. Xiong Juntao, Ye Min, Zou Xiangjun, et al. Design and performance analysis of multi-type fruit picking robot system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44 (S1): 230－235. (in Chinese with English abstract)

[20] 陳燕，蔡偉亮，向和平，等. 荔枝采摘器優化設計與仿真[J]. 農機化研究，2013，35(8)：84－87. Chen Yan, Cai Weiliang, Xiang Heping, et al. Optimization design and simulation of litchi picker[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(8): 84－87. (in Chinese with English abstract)

[21] 陳燕，蔣志林，李嘉威，等. 基于機器人采摘的柑橘果柄切割力學特性研究[J]. 河南農業科學，2017，46(4)：147－150. Chen Yan, Jiang Zhilin, Li Jiawei, et al. Study on mechanical properties of citrus fruit handle cutting based on robot picking[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2017, 46(4): 147－150. (in Chinese with English abstract)

[22] 陳燕，蔡偉亮，向和平，等. 面向機器人采摘的荔枝果梗力學特性[J]. 農業工程學報，2012，28(21)：53－58. Chen Yan, Cai Weiliang, Xiang Heping, et al. Mechanical characteristics of litchi fruit stems for robotic picking[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(21): 53－58. (in Chinese with English abstract)

[23] 何家成，汪洋，劉宏博，等. 便攜式果園采摘機設計[J]. 農機化研究，2018，40(5)：83－87. He Jiacheng, Wang Yang, Liu Hongbo, et al. Design of picking machine for portable orchard[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(5): 83－87. (in Chinese with English abstract)

[24] 曹成茂，詹超，孫燕，等. 便攜式山核桃高空拍打采摘機設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(3)：130－137. Cao Chengmao, Zhan Chao, Sun Yan, et al. Design and experiment of portable pecan high-altitude picking machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(3): 130－137. (in Chinese with English abstract)

[25] 莊逸鋒，嚴斌，李曉錕，等. 背負式水果采摘機設計[J]. 林業機械與木工設備，2018，46(5)：41－44，48. Zhuang Yifeng, Yan Bin, Li Xiaokun, et al. Design of a piggyback fruit picking machine[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment, 2018, 46(5): 41－44，48. (in Chinese with English abstract)

[26] 何家成，段文婷，李鳳佳，等. 手持式電動水果采摘機設計[J]. 安徽農業科學，2013，41(25)：10557－10559. He Jiacheng, Duan Wenting, Li Fengjia, et al. Design of handheld electric fruit picking machine[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2013, 41(25): 10557－10559. (in Chinese with English abstract)

[27] 牟順海，李少華. 茶葉采摘機器手采摘剪刀設計及仿真[J]. 西南師范大學學報:自然科學版，2014，39(6)：55－58. Mou Shunhai, Li Shaohua. Design and simulation of hand picking scissors for tea picking machine[J]. Journal of Southwest China Normal University: Natural Science, 2014, 39(6): 55－58. (in Chinese with English abstract)

[28] 杜小強，李黨偉，王丹，等. 小型側翼折展式林果收集裝置的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：11－17. Du Xiaoqiang, Li Dangwei, Wang Dan, et al. Design and experiment of small-wing flank-type forest fruit collection device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 11－17. (in Chinese with English abstract)

[29] B Vijaya Ramnath, K Venkataraman, Selvaraj Venkatram. Powered two-wheeler with integratedsafety using recurdyn multi-body dynamics[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 591: 193－196.

[30] Li Yunwang, Dai Sumei, Zheng Yuwei, et al. Modeling and kinematics simulation of a mecanum wheel platform in RecurDyn[J]. Journal of Robotics, 2018(1): 1－7.

Design of hand-operated piggyback jaw gripper type simplified picker for pear

Gao Zicheng, Pang Guoyou, Li Lijun※, Zhao Kaijie, Wang Xiaochen, Ji Chengcai

(410004,)

In order to solve the problem of low efficiency and high labor intensity of pear picking, a hand-operated piggyback jaw type simplified pear picker was designed in this paper. The characteristics of pears were analyzed by selecting 3 kinds of pears commonly found in the market: 'Xuehua' pear, 'Yali' pear, and 'Apple-pear', the pear maturity was divided into A, B and C grades according to the fruit diameter size and the growth period. Referring to the previous research results on the shear mechanical properties of citrus and litchi fruit handles, the shear force measurement bench was constructed. Shearing tests of the fruit stem were carried out on the 3 kinds of pears with different maturity according to the lever principle. In the test, 60 fruits of each grade of maturity of each pear were taken and the average value of the measurement results was obtained. The result showed that the shearing force of the stems of the 3 varieties was different, with the increase of the fruit maturity level, the shearing force of the pear stems increases first and then decreases, the maximum shearing force of the fruit stem was 5.4 N among the 3 varieties. The picking device was composed of driving operating parts, picking head parts, adjustable straps and carrying "Z" type collecting bag. The length and position of the strap picker could be adjusted by pulling up the handle of the strap and pressing down the handle after moving the clamp block to the appropriate position according to personal use. The driving operating unit was connected to the picking head through the hollow aluminum tube through the dragline.The other components on the picking head were connected by cylindrical pins. The pear picking process was divided into 3 steps: in the first step, the operator placed the picking head near the pear and puted the pear into the tray of the picking head, so that the pear was accurately positioned. In the second step, the operator pulled the operating handle to hold the fruit and cuted off the handle. In the last step, after the picking, the operator released the operating handle, the clamping claw and blade automatically return to the position under the action of the reset spring, and the fruit slides into the fruit basket through the "Z" type collecting sack. The movement simulation of the picking head was conducted based on the software Recurdyn. The simulation result showed that the average shear force was 13.5 N, it was greater than the maximum shear force of 5.4 N which was the required shear force of the pear stem. The main stressed parts were analyzed based on ANSYS Workbench 15.0 software. The results demonstrated that the maximum deformation of the picker was located at the installation place of the picking head, and the maximum deformation was 0.072 571 mm, which was less than the maximum allowable deformation of the picker 0.1 mm. The maximum stress position of the picker was at the joint of the 2 rods. The maximum stress of the group was 19.267 MPa, which was much smaller than the allowable stress of the material 110 MPa, the strength of the picking device met the requirements. In order to verify the rationality of the design, the field experiments were carried out in the summer of 2018 at Mushan pear orchards in Shaoyang, Hunan Province. The test results demonstrated that the hand-held picker was simple and comfortable to operate. The picking efficiency was 57.1% higher than that of manual picking. The average damage rate was 1.0%. The reason of fruit damage during the picking process was maily that the diameter of the pear was more than 100 mm, which leaded to the wrong touch of the blade. The hand-operated piggyback pear picker improved the picking efficiency and the operational safety of picking process.

fruits; picking; hand-operated; piggyback; pear

2018-07-07

2018-12-02

湖南省科技計劃重點研發項目（2016NK2142）；湖南省高校科技創新團隊資助項目（2014207）

高自成，博士，副教授，研究方向為現代林業技術及裝備。 Email：gzc1968@126.com

李立君，博士后，教授，博士生導師，研究方向為現代林業技術及裝備。Email：junlili1122@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.005

S225.93

A

1002-6819(2019)-01-0039-07

高自成，龐國友，李立君，趙凱杰，王曉晨，吉成才. 手動背負夾爪式簡易梨采摘器研制[J]. 農業工程學報，2019，35(1)：39－45. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.005 http://www.tcsae.org

Gao Zicheng, Pang Guoyou, Li Lijun, Zhao Kaijie, Wang Xiaochen, Ji Chengcai. Design of hand-operated piggyback jaw gripper type simplified picker for pear[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 39－45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.005 http://www.tcsae.org