斷梗激勵(lì)下葡萄果粒的振動(dòng)脫落特性與試驗(yàn)

閆 德，汪建曉，羅陸鋒，劉文濤，韋慧玲，王金海，劉寶立，盧清華

斷梗激勵(lì)下葡萄果粒的振動(dòng)脫落特性與試驗(yàn)

閆 德，汪建曉，羅陸鋒※，劉文濤，韋慧玲，王金海，劉寶立，盧清華

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，佛山 528000）

針對(duì)夾剪式鮮食葡萄采摘中的斷梗振動(dòng)激勵(lì)引起的果粒脫落問題，對(duì)斷梗激勵(lì)下鮮食葡萄的振動(dòng)脫落特性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。首先建立葡萄果實(shí)-分梗動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)果實(shí)脫落的理論角速度，分析果實(shí)-果梗擺動(dòng)脫落的臨界分離條件。然后利用ABAQUS軟件分析單顆粒葡萄在斷梗激振下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與擺動(dòng)趨勢，探索在無擠壓狀態(tài)下果實(shí)形變過程，從而預(yù)測串型葡萄在斷梗激勵(lì)下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。最后對(duì)串型葡萄的簡化模型進(jìn)行振動(dòng)有限元分析，獲得葡萄果實(shí)在脫落前瞬間相對(duì)于果梗結(jié)合處的位移、速度、加速度和應(yīng)力應(yīng)變等數(shù)據(jù)，從而確定葡萄的臨界振動(dòng)脫落參數(shù)組合。通過仿真試驗(yàn)和采摘振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：在斷梗激勵(lì)下，葡萄果實(shí)出現(xiàn)不確定的各向異性扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)；對(duì)整串葡萄進(jìn)行0～25 Hz的掃頻分析可知受振果實(shí)的臨界脫落頻率約為4 Hz；受振果實(shí)擺動(dòng)幅度為49.88 mm，速度峰值0.92 mm/s，加速度峰值39.08 mm/s2時(shí)開始脫落；同一激勵(lì)下，雖然各個(gè)果實(shí)位置不同，但它們振動(dòng)特性變化趨勢相同。該研究可為防脫落采摘機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

振動(dòng)；力學(xué)模型；脫落特性；有限元分析；葡萄；動(dòng)態(tài)響應(yīng)

0 引 言

近年來中國葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，自2004年以來鮮食葡萄種植面積已持續(xù)居于世界第一[1]。但是當(dāng)前國內(nèi)鮮食葡萄收獲基本靠人工采摘，勞動(dòng)強(qiáng)度大[2-3]。隨著國內(nèi)人口老齡化日趨嚴(yán)峻、勞動(dòng)成本上升，如何實(shí)現(xiàn)果實(shí)低損高效采摘成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟待解決的難題[4-5]，機(jī)器人采摘葡萄主要通過夾剪果梗來完成，然而，采摘過程中的剪切斷梗振動(dòng)激勵(lì)易導(dǎo)致果粒脫落，因此研究果實(shí)在斷梗激勵(lì)下的振動(dòng)脫落特性有重要意義。

夾剪式收獲方式是目前果梗類植物果實(shí)的主要收獲手段之一[6-9]。國內(nèi)外針對(duì)葡萄采收機(jī)理的相關(guān)研究，主要集中在葡萄的目標(biāo)識(shí)別[10-12]和收獲機(jī)的試制[13-15]，Caprara等[16-17]通過對(duì)機(jī)器內(nèi)部加速度和植物加速度的測量，研究了葡萄收獲機(jī)械傳遞的壓力對(duì)質(zhì)量和損傷的影響。Corné等[18]設(shè)計(jì)了一系列試驗(yàn)來測量葡萄的材料特性，包括張力下的莖剛度和斷裂強(qiáng)度、壓縮下的漿果剛度以及漿果分離力。袁盼盼等[19-20]設(shè)計(jì)一種曲軸式振動(dòng)脫粒收獲裝置，通過建立響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型優(yōu)化，降低脫粒率同時(shí)增加了破損率，獲取了影響作業(yè)效果的主要因素。Bu等[21]通過分析不同果實(shí)的采摘模式，揭示了張力參數(shù)是果梗分離的主導(dǎo)因素。Saowapa等[22]用圖像分析評(píng)估分形維數(shù)差異的方法確定番石榴果實(shí)振動(dòng)損傷脫落程度，為研究水果脫落提供了新的方法。Castro-Garcia等[23]通過調(diào)查了成熟果實(shí)和未成熟果實(shí)的頻率響應(yīng)差異性，發(fā)現(xiàn)選擇機(jī)械收獲的重要因素是水果的頻率響應(yīng)及更高的果實(shí)質(zhì)量。羅陸鋒等[24-25]為葡萄采摘機(jī)器人的防損采摘提供一種葡萄免碰撞包圍體求解與自動(dòng)定位方法，確定了夾持式收獲的夾持點(diǎn)。李成松等[26-28]基于RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)及平面雙搖桿機(jī)構(gòu)分析了葡萄果實(shí)振動(dòng)分離裝置，得出了分離效果的主要影響因素是電機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)位置和振動(dòng)搖桿長度，且構(gòu)建了果-蒂振動(dòng)分離模型，通過搭建曲柄搖桿機(jī)構(gòu)分離率測定裝置，得到了葡萄果-蒂振動(dòng)分離特性，為葡萄果-蒂分離研究提供基礎(chǔ)。但研究多集中于水果響應(yīng)與振動(dòng)分離裝置的研制，并沒有進(jìn)一步研究造成果實(shí)脫落的因素。耿效華等[29]研究了釀酒葡萄果實(shí)振動(dòng)脫粒特性，通過正交試驗(yàn)得出了釀酒葡萄收獲的最佳振動(dòng)頻率為4～4.5 Hz，當(dāng)振動(dòng)頻率大于4 Hz時(shí)，由于果-蒂拉力對(duì)葡萄果粒的做功較小而脫落，為葡萄在采摘過程中的振動(dòng)機(jī)械參數(shù)優(yōu)化提供參考。

為研究斷梗激勵(lì)對(duì)果梗式植物采收影響，本文擬建立葡萄果實(shí)-果梗動(dòng)力學(xué)模型，分析葡萄果實(shí)在此模型下的振動(dòng)脫落特性。利用ABAQUS軟件對(duì)建立的串型葡萄簡化模型進(jìn)行有限元分析，通過葡萄模態(tài)分析與仿真掃頻分析，獲取葡萄諧響應(yīng)振動(dòng)參數(shù)范圍，從而確定斷梗激勵(lì)下果實(shí)顆粒臨界脫落參數(shù)。并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室斷梗采摘試驗(yàn)，以期為夾剪式機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)。

1 葡萄果實(shí)-果梗動(dòng)力學(xué)模型

1.1 葡萄果實(shí)-分梗動(dòng)力學(xué)模型的建立

由于夾剪斷梗一體化采摘方式在斷梗過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)，促使串型葡萄果實(shí)相對(duì)于主分梗連接處相對(duì)移動(dòng)，引起的振動(dòng)可能導(dǎo)致果實(shí)的無規(guī)則脫落。葡萄生長環(huán)境較為復(fù)雜多樣，果實(shí)果梗處連接極軟，多生長于枝繁葉茂的遮擋處，且不同品種葡萄生長狀態(tài)不同，垂直懸掛生長在葡萄藤枝干上的葡萄，在剪斷主梗過程中受振動(dòng)激勵(lì)影響在平面內(nèi)發(fā)生擺動(dòng)，豎直平面內(nèi)的葡萄移動(dòng)可簡化視為平面擺模型。根據(jù)實(shí)際生長情況，本文通過對(duì)果實(shí)-分梗平面擺模型進(jìn)行理論分析，研究葡萄果實(shí)在斷梗激勵(lì)下振動(dòng)脫落特性。

葡萄果實(shí)-果梗平面擺模型中的主分梗連接處（具有一定質(zhì)量1）可以沿著位于葡萄果實(shí)運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)做水平直線運(yùn)動(dòng)。若忽略分梗和空氣阻力對(duì)果實(shí)運(yùn)動(dòng)的影響，可將果實(shí)分梗視為剛性桿，果實(shí)視為球體，質(zhì)心為，以果梗與主枝干連接處為原點(diǎn)，為水平方向，為垂直方向，建立平面擺模型，如圖1所示。

勢能為

勢能為

此時(shí)獨(dú)立質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)能為

勢能為

由上式中質(zhì)點(diǎn)1和質(zhì)點(diǎn)2動(dòng)、勢能可得拉格朗日函數(shù)為

即

這表示系統(tǒng)質(zhì)心在水平方向上靜止，利用式（9）能量可寫成

由此可得擺動(dòng)時(shí)間

由此得頻率

由此知：斷梗激勵(lì)下果實(shí)獲得的振動(dòng)頻率與主梗分梗連接處質(zhì)量、果實(shí)質(zhì)量、分梗長度有關(guān)。

1.2 葡萄果實(shí)-果梗分離條件

由于果實(shí)硬度隨著成熟度的變化呈各向異性，不同生長狀態(tài)下的葡萄果實(shí)與分梗之間的結(jié)合力不同且呈非線性變化，結(jié)合力不僅與果實(shí)成熟度有關(guān)，還與整串葡萄的質(zhì)量分布、光照面積、生物本體、內(nèi)外輪廓有關(guān)。當(dāng)斷梗激勵(lì)能量由斷梗處經(jīng)主梗-分梗-果實(shí)三級(jí)傳遞至各果實(shí)處，果實(shí)自身的慣性力與重力非線性疊加使得果實(shí)擺動(dòng)。

注：為單粒葡萄質(zhì)量，kg；為果實(shí)與分梗連接力，N；為葡萄果實(shí)慣性力，N；為葡萄果實(shí)法向慣性力，N；為葡萄果實(shí)切向慣性力，N；為重力，N；為果梗長度，m；為葡萄粒加速度，m·s-2；為葡萄果實(shí)法向加速度，m·s-2；為葡萄果實(shí)切向加速度，m·s-2。

根據(jù)幾何關(guān)系有

葡萄斷梗式采摘中，顆粒自身產(chǎn)生的慣性力的法向分力促使果實(shí)脫落或有脫落趨勢，葡萄果實(shí)質(zhì)量很小，故忽略重力，簡化為

式中為強(qiáng)迫振幅，mm。

2 葡萄有限元建模及結(jié)果分析

2.1 葡萄振動(dòng)試驗(yàn)材料與方法

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，研究葡萄果實(shí)-分梗平面擺模型系統(tǒng)夾剪式收獲過程中葡萄顆粒脫落特性，采摘作業(yè)時(shí)剪斷果梗的激勵(lì)可能使果實(shí)從植株果梗上脫落，為實(shí)現(xiàn)“減振低脫”的高效采摘就要防止果-蒂分離，因此需研究果梗振動(dòng)激勵(lì)傳遞及果實(shí)顆粒的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

2.1.1 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

葡萄基本參數(shù)測量儀器：樂清市艾德堡儀器有限公司制造的GY-4型果實(shí)硬度計(jì)測量葡萄果實(shí)表面硬度，量程0.2～15 kg/cm2，示值誤差±0.5%，測試行程70 mm；寧波得力集團(tuán)生產(chǎn)的得力DL91200數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量葡萄長度，測試范圍0～20 mm，誤差≤0.03 mm；希瑪AR63A測量葡萄響應(yīng)速度，測試范圍0.1～199.9 mm/s；上海羋坤實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的高精度珠寶秤測量葡萄及果實(shí)質(zhì)量，稱質(zhì)量范圍0.01～1000 g，測量精度0.01 g；

數(shù)據(jù)分析軟件：SolikWorks2020三維建模軟件，ABAQUS6.14-4仿真軟件，MATLAB 2016數(shù)據(jù)分析軟件，

Origin 2021圖像制作軟件。

2.1.2 葡萄果實(shí)物理特性參數(shù)測定

于2021年8月11日成熟期隨機(jī)選擇在廣東廣州太和鎮(zhèn)頭陂村葡萄園剛采摘到的形狀、質(zhì)量、表皮顏色、顆粒飽滿度、成熟度、顆粒硬度相近，且表面無損傷的類圓形夏黑葡萄顆粒。依次測量葡萄主要物理特性參數(shù)，所有數(shù)據(jù)測量后取平均值，葡萄主梗平均長為214.44 mm、直徑為4.989 mm、分梗長為15.3 mm、直徑為2.54 mm、果蒂直徑為5.32 mm；葡萄顆粒平均縱向直徑為28.99 mm、赤道直徑26.45 mm；平均質(zhì)量是20.01 g；選取的成熟葡萄平均硬度是9.44 kg/cm2；果梗質(zhì)量是7.53 g。

2.1.3 試驗(yàn)方法

多顆粒鮮食葡萄擺動(dòng)過程中存在非線性擠壓與非規(guī)則約束性包圍體碰撞，為研究果實(shí)受振后的響應(yīng)狀態(tài)先探索單顆粒果實(shí)再進(jìn)一步研究串型葡萄。首先利用SolikWorks2020三維建模軟件對(duì)已測繪的葡萄進(jìn)行建模，使用ABAQUS6.14-4仿真軟件對(duì)葡萄進(jìn)行有限元分析，分析斷梗激勵(lì)下單顆果實(shí)響應(yīng)狀態(tài)并進(jìn)一步獲取串果模態(tài)分析，最后結(jié)合模態(tài)疊加下的掃頻分析葡萄顆粒的脫落狀態(tài)。

主梗-分梗-果實(shí)三級(jí)枝在實(shí)際振動(dòng)傳遞中視為三級(jí)傳遞，自斷梗處傳遞而下的能量呈衰減趨勢，即離激振源越遠(yuǎn)振動(dòng)幅度能量越小，而果-梗連接處欲獲得“脫落角速度”需持續(xù)性激振能量。實(shí)際采摘作業(yè)中串型葡萄果實(shí)顆粒均受到不同程度的激振能量，且脫落效果與成熟度、振動(dòng)傳遞距離、果梗連接處本體屬性有密切關(guān)系，因此為貼近實(shí)際采摘作業(yè)需保證在斷梗激勵(lì)峰值下研究此三級(jí)激振傳遞頻率變化。根據(jù)葡萄果梗-果實(shí)理論分析分離條件知斷梗激勵(lì)應(yīng)滿足：

1）為獲得脫落顆粒的“脫落頻率”，所施加的斷梗激勵(lì)需使得果-梗連接處獲得脫落角速度，由于葡萄果梗生物體形態(tài)變化造成重復(fù)試驗(yàn)后直徑的變化，故選取多串葡萄獲取合適的斷梗激勵(lì)。

2）為保證果梗生物體形態(tài)完整性而施加合適的斷梗激勵(lì)，依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪x取多種直徑、多種環(huán)境下葡萄串樣本進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 單顆粒有限元分析

2.2.1 單顆粒建模

葡萄顆粒仿真建模時(shí)，果實(shí)果梗和果實(shí)果實(shí)之間在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下存在諸多非線性無規(guī)則擠壓碰撞且有非線性蠕變，葡萄與葡萄顆粒之間、葡萄與分梗連接處存在多處干涉[30]。由于串型葡萄的分布形態(tài)（單串、重疊、貼靠和遮擋等）復(fù)雜，故將葡萄果實(shí)劃分為多個(gè)相互獨(dú)立且各向同性、均勻的線彈性圓球，圓球形態(tài)如圖 3所示。

通過ABAQUS6.14軟件對(duì)葡萄顆粒進(jìn)行有限元分析，分析葡萄主梗在不附加任何約束下的振動(dòng)激勵(lì)狀態(tài)，果梗果實(shí)形變結(jié)合模態(tài)云圖仿真結(jié)果分析葡萄響應(yīng)的一致性。

2.2.2 結(jié)果與分析

實(shí)際采摘過程中，由于剪斷果梗引起的“斷梗振動(dòng)”經(jīng)斷梗處產(chǎn)生經(jīng)夾持力處傳遞至果實(shí)，使果實(shí)在自由初狀態(tài)下獲得激振能量產(chǎn)生慣性力，從而使得果實(shí)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)果實(shí)慣性力大于果柄作用力時(shí)果實(shí)脫落，因此葡萄的采摘試驗(yàn)主要集中于果梗的斷梗激勵(lì)、模態(tài)頻率以及受迫振動(dòng)以后果實(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)的獲取。獲取葡萄的擺動(dòng)響應(yīng)狀態(tài)就可預(yù)測果實(shí)在此頻段內(nèi)的斷梗激勵(lì)振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。

通過分析葡萄主梗在不附加任何約束下的振動(dòng)激勵(lì)狀態(tài)與果梗果實(shí)形變過程，驗(yàn)證了果梗模型的正確性。研究在斷梗激勵(lì)下葡萄果實(shí)不同振幅狀態(tài)下的諧響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上分析串型葡萄在斷梗激勵(lì)下的脫落規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)剪切夾持參數(shù)、減振低脫、提高果實(shí)質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。

2.3 串果有限元分析

鮮食葡萄具有蠕變特性，不可能準(zhǔn)確的用一組方程來描述非線性的葡萄變化全過程。因此首先建立串型葡萄的三維仿真模型將建模的多顆粒葡萄簡化為14個(gè)顆粒，減少顆粒之間的非線性擠壓從而提高模型精度，然后做有限元分析，進(jìn)而找出葡萄顆粒在斷梗三級(jí)激勵(lì)振蕩下的變化趨勢與響應(yīng)狀態(tài)。

振源處激勵(lì)使得果實(shí)獲得超出本體與果實(shí)之間疊加的固有頻率的響應(yīng)頻率從而發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。考慮到主梗剪切力提取與葡萄顆粒之間關(guān)系不大，所以用質(zhì)量點(diǎn)來代替葡萄的質(zhì)量。將幾何模型導(dǎo)入ABAQUS軟件，建立有限元模型。經(jīng)查閱相關(guān)特性如表1所示。對(duì)果梗、果實(shí)等不同材料分別設(shè)置不同的材料屬性，同時(shí)保證各個(gè)環(huán)節(jié)的網(wǎng)格彼此之間存在關(guān)聯(lián)。

表1 模型各部分材料參數(shù)

材料本構(gòu)賦予：果梗屬于非金屬非完全線彈性，確定最合適的材料屬性。

工況施加：在果梗合適位置施加強(qiáng)制位移，同時(shí)約束最上方果梗以及夾持位置。

經(jīng)試驗(yàn)測定葡萄主梗直徑為5 mm左右。

2.3.1 剪切力及夾持力

圖4a為在剪切斷梗過程中，剪斷果梗的橫截面無數(shù)剪切力的集合力，圖4b為斷梗過程中位移與時(shí)間的曲線。從曲線中可看出隨著時(shí)間增大剪切力呈遞增趨勢，在接近0.015 s時(shí)果梗被切斷，即斷梗剪切力為6.454 N，在此之后剪切力大小衰減至0，而在此過程中由于夾剪機(jī)構(gòu)的工作引起果梗本體擺動(dòng)產(chǎn)生的位移亦呈遞增趨勢，與實(shí)際較為符合。

為獲取夾持參數(shù)，特固定葡萄梗方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮到主梗夾持處為類圓柱形和夾持兩截面分力的采集，實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中為先夾持后剪切，因此施加使左右兩側(cè)分別向軸線方向壓進(jìn)的強(qiáng)制位移1 mm使其夾持住（有預(yù)緊力的效果），在仿真試驗(yàn)中為方便分析使兩截面的力聚集于一處。

圖5為剪切夾持過程中夾持力與時(shí)間的變化曲線，從曲線中可知：垂吊生長于藤蔓上的葡萄初始夾持力（預(yù)緊力效果）3.3 N。在斷梗振動(dòng)一級(jí)傳遞至夾持處過程中產(chǎn)生較大波動(dòng)引起果梗無序擺動(dòng)，從而促使夾持力呈無規(guī)則變化，最大的夾持力約為6.4 N。改變剪切角度或增大夾持力會(huì)影響斷裂。

2.3.2 葡萄果實(shí)模態(tài)分析

為揭示變載荷作用下串型葡萄果實(shí)蠕變擺動(dòng)的振動(dòng)特征，建立了能反映串型葡萄的振動(dòng)響應(yīng)應(yīng)變模型，對(duì)蠕變相對(duì)剪切位移、響應(yīng)速度與響應(yīng)加速度進(jìn)行分析。考慮到固有頻率的提取與葡萄質(zhì)量、連接剛度、振型（特征向量）以及葡萄外形有極大關(guān)系，故將實(shí)體建模的葡萄簡化為統(tǒng)一的球體，如圖6所示。

斷梗激勵(lì)三級(jí)傳遞至各個(gè)受振果實(shí)點(diǎn)，激振力頻率由0開始逐漸增大，達(dá)到各個(gè)果實(shí)固有頻率時(shí)，初始果實(shí)顆粒統(tǒng)一靜止?fàn)顟B(tài)被破壞，呈現(xiàn)出不同于以往穩(wěn)定狀態(tài)（靜止）的差異性，同時(shí)考慮到質(zhì)量、剛度、阻尼等因素，為精確求得斷梗激勵(lì)下葡萄18階模態(tài)頻率與振型。如圖7所示。

葡萄前18階固有頻率的計(jì)算值如表2所示。分析知：在非平穩(wěn)振動(dòng)激勵(lì)下，斷梗振動(dòng)激勵(lì)三級(jí)傳遞過程中出現(xiàn)無規(guī)則隨機(jī)振動(dòng)，其中1～3階，6～18階均表現(xiàn)為葡萄顆粒不同程度的擺振，4～5階表現(xiàn)為下部顆粒與果梗一同擺動(dòng)。而從多階頻率看出10、11階表現(xiàn)為單顆振動(dòng)為主，同時(shí)伴隨著多顆振動(dòng)；14、17階表現(xiàn)為多顆繞著主梗扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；其他階數(shù)表現(xiàn)為葡萄顆粒不同程度的擺振。通過葡萄模態(tài)分析，觀測相應(yīng)果實(shí)的位移狀況及觀測點(diǎn)的位移達(dá)到最大所對(duì)應(yīng)的固有頻率，找出果實(shí)擺動(dòng)響應(yīng)狀態(tài)，就可以預(yù)測果實(shí)在此頻段內(nèi)的斷梗激勵(lì)振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。

結(jié)果表明：在斷梗過程中果梗、葡萄擺動(dòng)具有明顯的非線性形變和位移加速蠕變趨勢，果實(shí)實(shí)際的振動(dòng)形態(tài)并不是一個(gè)規(guī)則的形狀，而是各階振型相疊加的結(jié)果。振動(dòng)幅值變量在發(fā)生共振時(shí)最大，而在不同振動(dòng)互相抵消時(shí)最小，同時(shí)隨著時(shí)間的延續(xù)，振動(dòng)幅度也逐漸增大。

2.3.3 葡萄果實(shí)模態(tài)疊加下的掃頻分析

采摘系統(tǒng)的頻率響應(yīng)顯示葡萄梗植株的某些屬性，以頻率形式輸入的激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)函數(shù)，能夠形象反應(yīng)在剪切力引起的振動(dòng)下的脫落顆粒的頻率變化狀態(tài)與激勵(lì)下非線性響應(yīng)。每個(gè)顆粒在同一激勵(lì)下有不同的振動(dòng)形態(tài)，因而為了生成斷梗激勵(lì)下頻率響應(yīng)曲線，對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)疊加下的掃頻分析；也就是對(duì)不同頻率下多顆粒狀態(tài)進(jìn)行求解，獲取頻率響應(yīng)曲線中與系統(tǒng)固有頻率對(duì)應(yīng)的不同峰值與振動(dòng)形態(tài)。對(duì)簡化模型施加6.454 N剪切力，掃頻得到串果響應(yīng)。第一顆脫落的葡萄顆粒如圖8。

通過對(duì)葡萄振動(dòng)模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，確定了串型葡萄在固定幅值的正弦位移作用下的穩(wěn)定響應(yīng)。根據(jù)夾剪式振動(dòng)收獲振幅特性，由模態(tài)分析仿真結(jié)果設(shè)定掃頻頻率范圍為0～25 Hz，進(jìn)行諧振動(dòng)分析可得到葡萄在此激勵(lì)源下位移、速度、加速度值變化曲線。

通過模態(tài)的諧響應(yīng)分析，葡萄果實(shí)顆粒在頻率為4 Hz時(shí)位移最大開始脫落，即在持續(xù)斷梗激勵(lì)下傳遞至葡萄果實(shí)開始脫落時(shí)的主頻率即脫落頻率為4 Hz。不同果實(shí)的脫落特性大致相同，如圖9所示。

由圖10可看出：顆粒呈無規(guī)則振蕩，在分梗-果實(shí)接觸處的激振頻率約4 Hz時(shí)，發(fā)生速度約為0.92 mm/s、加速度約為39.08 mm/s2的突變，且在此之后逐漸歸于平靜，此時(shí)葡萄果實(shí)加速度產(chǎn)生的離心力近似等于成熟果實(shí)-分梗結(jié)合力，即此突變頻率為該顆粒“脫落頻率”。

0～4 Hz振動(dòng)頻率區(qū)間內(nèi)，一二級(jí)傳遞中出現(xiàn)較大幅度的擺動(dòng)，受振點(diǎn)處具有加速度峰值39.08 mm/s2，速度峰值0.92 mm/s，此時(shí)最大擺動(dòng)幅度為49.88 mm；4～5 Hz振動(dòng)頻率區(qū)間內(nèi)，主—分梗連接處存在較大阻值，此時(shí)諧響應(yīng)呈衰減趨勢，從一二級(jí)峰值衰減至加速度為5.38 mm/s2，速度為0.22 mm/s，此時(shí)擺動(dòng)幅度為5.99 mm；超過5 Hz振動(dòng)頻率值時(shí)，三級(jí)傳遞至果-梗結(jié)合處激振能量逐漸消失系統(tǒng)趨于平穩(wěn)，即采摘振蕩后葡萄慢慢歸為靜止，此時(shí)加速度、速度、位移亦為0。整個(gè)采摘周期過程結(jié)束。

在三級(jí)傳遞中的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下果梗果實(shí)初始狀態(tài)出現(xiàn)改變，對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的分析（圖11）知：

1）某顆粒在頻率約14 Hz時(shí)應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到最大，此時(shí)果實(shí)發(fā)生的形變也最大。

2）應(yīng)力應(yīng)變有多復(fù)合振動(dòng)影響，既有自己本身固有頻率影響，又有振動(dòng)頻率和其他顆粒振動(dòng)頻率的影響。由于果梗受激振頻率影響，發(fā)生外曲線形狀斷裂等各種形變。果梗材料具有彈性變形性，在持續(xù)激勵(lì)下超出固有頻率達(dá)到臨界頻率時(shí)，果梗發(fā)生塑性變形直至破壞，由局部變形積累至斷裂形變。

根據(jù)圖10b與圖12對(duì)比知：當(dāng)振動(dòng)激勵(lì)傳遞至三級(jí)果梗果實(shí)處，均在4 Hz左右達(dá)到速度峰值為0.67 mm/s時(shí)脫落，葡萄顆粒與第三方碰撞呈振蕩趨勢。同一斷梗激勵(lì)下，不同位置果實(shí)的速度都是先隨著激勵(lì)時(shí)間增加而增大，雖然受位置影響速度大小略有不同，但振動(dòng)特性曲線整體變化規(guī)律和趨勢一致，即不同顆粒在斷梗激勵(lì)下脫落頻率均約為4 Hz。

3 振動(dòng)試驗(yàn)分析

3.1 葡萄夾剪式采摘試驗(yàn)

為獲取振動(dòng)臨界脫落參數(shù)，優(yōu)化夾剪機(jī)執(zhí)行器，結(jié)合ABAQUS仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，于2021年8月成熟期隨機(jī)選擇剛采摘的外觀類似的串型葡萄在佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行采摘振動(dòng)試驗(yàn)。利用葡萄夾剪式采摘試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)串型葡萄施加持續(xù)性的斷梗激勵(lì)，研究在激勵(lì)下葡萄不同顆粒的振動(dòng)時(shí)間與響應(yīng)頻率、速度等“振動(dòng)脫落特性”參數(shù)的關(guān)系。選取無雜葉、無遮擋葡萄懸掛于平行于地面的圓柱形懸梁上，將自制夾剪機(jī)夾持器與測振儀安裝于大族機(jī)械臂末端，夾剪機(jī)構(gòu)與地面平行且垂直于主梗，如圖13所示。

1.機(jī)械臂 2.測振儀 3.夾剪機(jī)

結(jié)果如表3知：在持續(xù)斷梗激勵(lì)下，葡萄果實(shí)相對(duì)于各自分梗結(jié)合處的最大擺動(dòng)速度約為0.9 mm/s時(shí)脫落，與掃頻結(jié)果大致相同。葡萄采摘斷梗過程中振動(dòng)是多級(jí)非線性動(dòng)態(tài)傳遞，串型葡萄生長環(huán)境復(fù)雜性及顆粒分布的不均勻性會(huì)造成結(jié)果的差異性，故分析ABAQUS仿真試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合采摘前后葡萄顆粒數(shù)量變化，進(jìn)一步分析脫落頻率對(duì)顆粒的影響。

表3 斷梗激勵(lì)下果實(shí)響應(yīng)結(jié)果對(duì)比

3.2 采摘試驗(yàn)分析

“采摘質(zhì)量”是果實(shí)價(jià)值的重要體現(xiàn)，盡可能減少采摘過程中執(zhí)行器末端與葡萄果實(shí)間的雙側(cè)約束性夾持碰撞，即外側(cè)碰撞損傷。實(shí)現(xiàn)在手抓指面或指尖從接觸果實(shí)到完成可靠夾持過程的夾持力控制，從而避免夾持力過大造成葡萄表面損傷，并且由于壓縮載荷的作用而產(chǎn)生接觸應(yīng)力、受力不均、表皮硬度較小也會(huì)造成果實(shí)不同程度損傷。若啟動(dòng)加速度過大亦會(huì)造成瞬間載荷增大引起機(jī)械振動(dòng)影響試驗(yàn)效果。

試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，采摘過程中的斷梗激勵(lì)大小決定實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否滿足實(shí)際采摘需要，斷梗激勵(lì)過大會(huì)破壞果梗生物結(jié)構(gòu)造成無法剪斷，過小則果-梗連接處無法獲得脫落角速度或葡萄直接掉落。為準(zhǔn)確研究葡萄振動(dòng)脫落特性，需研究斷梗激勵(lì)峰值下的三級(jí)激振傳遞頻率變化。

1）為求主級(jí)梗動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀態(tài)，對(duì)剪切處施加斷梗效果的激勵(lì)，采集出夾持狀態(tài)下主梗加速度響應(yīng)。

2）為驗(yàn)證主-分梗二級(jí)相對(duì)位移變化，在試驗(yàn)過程中觀察主-分梗生物體變化。

3）為求果-梗三級(jí)果實(shí)顆粒脫落特性，特以脫落果實(shí)作為標(biāo)記點(diǎn)，研究在持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)脫落果實(shí)頻率與應(yīng)力應(yīng)變、位移、速度、加速度等響應(yīng)參數(shù)。選取多組樣本分別進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 仿真試驗(yàn)與采摘試驗(yàn)對(duì)比分析

仿真試驗(yàn)結(jié)合采摘實(shí)驗(yàn)分析振動(dòng)的傳遞，此仿真模型以均勻分布的顆粒為振動(dòng)研究對(duì)象，斷梗峰值激勵(lì)由斷梗處向下經(jīng)主梗-分梗-果實(shí)三級(jí)傳遞，根據(jù)傳遞等級(jí)及試驗(yàn)形態(tài)觀察分析葡萄振動(dòng)的各向異性表現(xiàn)：由于夾持力持續(xù)存在且距離斷梗激勵(lì)處距離較近，主梗振動(dòng)幅度較小，而中部至根部果實(shí)分布增多、偏位移增大導(dǎo)致彎矩增加造成振動(dòng)幅度較主梗頂端較大，突出表現(xiàn)為各向異性。“凸透鏡式”分布決定整串質(zhì)量的不均勻性，而且受光照及生物本體影響中下部外輪廓果實(shí)成熟度較大，實(shí)景采摘中的葡萄往往夾雜著壞果、雜葉、藤蔓等，一定程度上影響采摘質(zhì)量與效率。但通過多組多樣本實(shí)驗(yàn)觀察對(duì)比觀察分析知：雖然果園在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下采摘作業(yè)中葡萄的差異性導(dǎo)致振動(dòng)響應(yīng)與仿真試驗(yàn)存在一定誤差，但葡萄果梗、顆粒總體振動(dòng)響應(yīng)趨勢與采摘效果接近仿真試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

1）建立了葡萄果實(shí)-分梗平面擺模型，通過提出拉格朗日函數(shù)進(jìn)一步求得了系統(tǒng)總能量，從動(dòng)力學(xué)角度揭示了擺動(dòng)過程中果實(shí)參數(shù)變化，為研究果實(shí)臨界脫落條件提供理論依據(jù)。

2）為便于研究問題建立多果實(shí)顆粒簡化模型，對(duì)建立的簡化模型進(jìn)行ABAQUS有限元分析。提取了夾剪等輸入信號(hào)，在0.015 s時(shí)提取最大剪切力為6.454 N，最大夾持力為6.4 N。

3）利用模態(tài)分析知斷梗激勵(lì)下葡萄出現(xiàn)無規(guī)則扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)，各個(gè)顆粒表現(xiàn)各不相同。在0～20 Hz內(nèi)，由模態(tài)疊加下的掃頻分析知：葡萄果實(shí)“脫落頻率”約為4 Hz，此時(shí)發(fā)生速率峰值約為0.92 mm/s、加速度峰值約39.08 mm/s2的突變，最大擺動(dòng)幅度為49.88 mm；為保證分析的準(zhǔn)確性，研究了第二脫落顆顆位移，發(fā)現(xiàn)在4 Hz左右達(dá)到最大而后振蕩至平穩(wěn)，三級(jí)傳遞至果-梗結(jié)合處激振能量逐漸消失系統(tǒng)趨于平穩(wěn)，即采摘振蕩后葡萄逐漸歸為靜止，整個(gè)采摘周期過程結(jié)束。與第一顆脫落果實(shí)振動(dòng)特性曲線整體變化規(guī)律和趨勢一致。

[1] 田淑芬，蘇宏，聶松青. 2018年中國鮮食葡萄生產(chǎn)及市場形勢分析[J]. 中外葡萄與葡萄酒，2019，224(2)：95-98.

Tian Shufen, Su Hong, Nie Songqing. Analysis on the production and market situation of Chinese table grape in 2018[J]. Sino-Overseas Grapevine & Wine, 2019, 224(2): 95-98. (in Chinese with English abstract)

[2] Bac C W, Henten E J, Hemming J, et al. Harvesting robots for high-value crops: State-of-the-art review and challenges ahead[J]. Journal of Field Robotics, 2014, 31: 888-911.

[3] 張德學(xué)，張軍強(qiáng)，李青江，等. 我國葡萄全程機(jī)械化應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2019，57(3)：17-22.

Zhang Dexue, Zhang Junqiang, Li Qingjiang. Current situation and development prospect of grape mechanization in China[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering, 2019, 57(3): 17-22. (in Chinese with English abstract)

[4] 趙春江. 智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及戰(zhàn)略目標(biāo)研究[J]. 智慧農(nóng)業(yè)，2019，1(1)：1-7.

Zhao Chunjiang. State-of-the-art and recommended developmental strategic objectivs of smart agriculture[J]. Smart Agriculture, 2019, 1(1): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[5] 孫凝暉，張玉成，石晶林. 構(gòu)建我國第三代農(nóng)機(jī)的創(chuàng)新體系[J]. 中國科學(xué)院院刊，2020，35(2)：154-165.

Sun Ninghui, Zhang Yucheng, Shi Jinglin. Build innovation system of third generation of agricultural machinery in China[J]. Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, 2020, 35(2): 154-165. (in Chinese with English abstract)

[6] Liu J, Yuan Y, Gao Y, et al. Virtual model of grip-and-cut picking for simulation of vibration and falling of grape clusters[J]. Transactions of the ASABE, 2019, 62(3): 603 – 614.

[7] Zhao Jian, Satoru T, Ma T, et al. Modal analysis and experiment of a lycium barbarum L. shrub for efficient vibration harvesting of fruit[J]. Agriculture, 2021, 11(6): 519-519.

[8] 許睿，趙明富，張利偉. 葡萄采摘機(jī)器人研究進(jìn)展與展望[J]. 河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，46(4)：74-78.

Xu Rui, Zhao Mingfu, Zhang Liwei. Research progress and prospects of grape picking robots[J]. Journal of Henan Institute of Science and Technology: Natural Science Edition, 2018, 46(4): 74-78. (in Chinese with English abstract)

[9] Liu M, Wang F, Xing H, et al. The experimental study on apple vibration harvester in tall-spindle orchard[J]. IFAC- Papers on Line, 2018, 51(17): 152-156.

[10] 羅陸鋒，鄒湘軍，王成琳，等. 基于輪廓分析的雙串疊貼葡萄目標(biāo)識(shí)別方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(6)：15-22.

Luo Lufeng, Zou Xiangjun, Wang Chenglin, et al. Recognition method for two overlaping and adjacent grape clusters based on image contour analysis[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(6): 15- 22. (in Chinese with English abstract)

[11] 劉平，朱衍俊，張同勛，等. 自然環(huán)境下貼疊葡萄串的識(shí)別與圖像分割算法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(6)：161-169.

Liu Ping, Zhu Yanjun, Zhang Tongxun, et al. Algorithm for recognition and image segmentation of overlapping grape cluster in natural environment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(6): 161-169. (in Chinese with English abstract)

[12] 蘇仕芳，喬焰，饒?jiān)? 基于遷移學(xué)習(xí)的葡萄葉片病害識(shí)別及移動(dòng)端應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(10)：127-134.

Su Shifang, Qiao Yan, Rao Yuan. Recognition of grape leaf diseases and mobile application based on transfer learning[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 127- 134. (in Chinese with English abstract)

[13] 尹建軍，陳永河，賀坤，等. 抓持-旋切式欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(11)：12-20.

Yin Jianjun, Chen Yonghe, He Kun, et al. Design and experiment of grape-picking device with grasping and rotary-cut type of underactuated double fingered hand[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(11): 12-20. (in Chinese with English abstract)

[14] 張佳喜，黃濤，王茂博. 單馬達(dá)往復(fù)式葡萄剪枝機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52(8)：106-116.

Zhang Jiaxi, Huang Tao, Wang Maobo. Design and experiment of single motor reciprocating grape pruning machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(8): 106-116. (in Chinese with English abstract)

[15] 李超，邢潔潔，徐麗明，等. 柔性梳脫式釀酒葡萄脫粒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(6)：290-296.

Li Chao, Xing Jiejie, Xu Liming, et al. Design and experiment of wine grape threshing mechanism with flexible combing striping monomer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6): 290-296. (in Chinese with English abstract)

[16] Caprara C, Pezzi F. Measuring the stresses transmitted during mechanical grape harvesting[J]. Biosystems Engineering, 2011, 110(2): 97-105.

[17] Pezzi F, Caprara C. Mechanical grape harvesting: Investigation of the transmission of vibrations[J]. Biosystems Engineering, 2009, 103(3): 281-286.

[18] Corné J C, Stephanus G L. The destemming of grapes: Experiments and discrete element modelling[J]. Biosystems Engineering, 2013, 114(3): 232-248.

[19] 袁盼盼，朱興亮，尤佳，等. 釀酒葡萄曲軸式振動(dòng)脫粒收獲裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(9)：67-74.

Yuan Panpan, Zhu Xingliang, You Jia, et al. Development of crankshaft vibration threshing and harvesting equipment for wine grape[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 67-74. (in Chinese with English abstract)

[20] 張靜，龍新華，韓長杰，等. 機(jī)械驅(qū)動(dòng)式辣椒穴盤苗自動(dòng)取投苗系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：20-30.

Zhang Jing, Long Xinhua, Han Changjie, et al. Design and experiments of mechanically-driven automatic taking and throwing system for chili plug seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 20-30. (in Chinese with English abstract)

[21] Bu L X, Hu G R, Chen C K, et al. Experimental and simulation analysis of optimum picking patterns for robotic apple harvesting[J]. Scientia Horticulturae, 2020, 261: 108937.

[22] Saowapa C, Pattamaporn Y, Sujitra A, et al. Vibration damage in guava during simulated transportation assessed by digital image analysis using response surface methodology[J]. Postharvest Biology and Technology, 2021, 181: 111641.

[23] Castro-Garcia S, Roldán G L B, Ferguson L, et al. Frequency response of late-season 'Valencia' orange to selective harvesting by vibration for juice industry[J]. Biosystems Engineering, 2017, 155: 77-83.

[24] 羅陸鋒，鄒湘軍，熊俊濤，等. 自然環(huán)境下葡萄采摘機(jī)器人采摘點(diǎn)的自動(dòng)定位[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(2)：14-21.

Luo Lufeng, Zou Xiangjun, Xiong Juntao, et al. Automatic positioning for picking point of grape picking robot in natural environment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engneering (Transactions of the CSAE), 2015, 31 (2): 14-21. (in Chinese with English abstract)

[25] 羅陸鋒，鄒湘軍，葉敏，等. 基于雙目立體視覺的葡萄采摘防碰空間包圍體求解與定位[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(8)：41-47.

Luo Lufeng, Zou Xiangjun, Ye Min, et al. Calculation and localization of bounding volume of grape for undamaged fruit picking based on binocular stereo vision[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(8): 41-47. (in Chinese with English abstract)

[26] 李成松，高振江，坎雜，等. 雙支撐釀酒葡萄果實(shí)振動(dòng)分離裝置作業(yè)機(jī)理[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(4)：26-32.

Li Chengsong, Gao Zhenjiang, Kan Za, et al. Operation mechanism of double support vibration separation device for wine grape berry[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 26-32. (in Chinese with English abstract)

[27] 李成松，高振江，坎雜，等. 釀酒葡萄果-蒂振動(dòng)分離試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(9)：39-44.

Li Chengsong, Gao Zhenjiang, Kan Za, et al. Experiment of fruit-pedicle vibration separation of wine grape[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(9): 39-44. (in Chinese with English abstract)

[28] 李成松，坎雜，譚洪洋，等. 4FZ-30型自走式番茄收獲機(jī)的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(10)：20-26.

Li Chengsong, Kan Za, Tan Hongyang, et al. Development of 4FZ-30 self – propelled tomato harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(10): 20-26. (in Chinese with English abstract)

[29] 耿效華，徐麗明，李超，等. 釀酒葡萄果實(shí)振動(dòng)脫粒特性研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40(5)：147-152.

Geng Xiaohua, Xu Liming, Li Chao, et al. Study on the vibration threshing characteristics of wine grapes[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(5): 147-152. (in Chinese with English abstract)

[30] 王榮，焦群英，魏德強(qiáng)，等. 葡萄的力學(xué)特性及有限元模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(2)：7-10.

Wang Rong, Jiao Qunying, Wei Deqiang, et al. Mechanical characteristics and the finite element analysis of grapes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(2): 7-10. (in Chinese with English abstract)

Vibration shedding characteristics of the grapes under the excitation of broken stems and experimental research

Yan De, Wang jianxiao, Luo Lufeng※, Liu Wentao, Wei Huiling, Wang Jinhai, Liu Baoli, Lu Qinghua

,,528000,

Fruit particle shedding can be often caused by the vibration excitation of broken stems in the clip-cut grape picking. In this study, a dynamic model of the fruit-stem-dividing plane pendulum in the vertical plane was first established, according to the actual growth of grapes. The theoretical angular velocity of fruit shedding was then deduced under the excitation force of the broken stem. After that, the critical condition was determined for the separation of the fruit-stalk swing and falling off, where the swing trajectory was actually a part of the circular motion. In research objects, the freshly picked round grapes were collected to survey with a similar appearance, maturity, and no damage on the surface. The main physical characteristics of the grapes were also measured at the ripening stage in turn. Specifically, the average length of the main stalk of grapes was 214.44 mm, the average longitudinal diameter of the grape berries was 28.99 mm and the equatorial diameter was 26.45 mm; the average weight was 20.01 g; the average hardness was 9.44 kg/cm2; the weight of the stalk was 7.53 g. In a simulation, a SolikWorks2020 three-dimensional modeling software was utilized to model the grapes. Then the ABAQUS software was used to analyze the dynamic response and swing trend of a single grape under the excitation of broken stems. As such, the swing and deformation trends of a single grape were determined under the excitation of broken stems without squeezing. Since there was much squeezing between the grape particles, the model was simplified to 14 independent, isotropic, and uniform linear elastic spherical particles. The main shearing stem was also applied for the simplified clamping model, thereby collecting the input information, such as the shear force, and the clamping force under the excitation of the broken stem. The simulation test showed that the shear force was 6.454 N when cutting the main stem, and the clamping force changed from the initial 3.3 N to the maximum 6.4 N. The finite element analysis was then performed on the vibration using the simplified model of cluster grapes. A dataset was thus obtained, including the displacement, velocity, acceleration, as well as the stress and strain of the grape fruit relative to the junction of the fruit stalk at the moment before falling off. An optimal combination of parameters was achieved to determine the critical vibration shedding of the grapes. In the 18-order modal analysis, the vibration excitation was transmitted to the vibrated fruit via the main stem-sub-stem-fruit three levels, where the fruit particles appeared the indefinite anisotropic torsional swing. Specifically, the 0-25 Hz sweep frequency was selected for the whole bunch of grapes under modal superposition. Consequently, the frequency of the vibrated fruit suddenly changed to a peak frequency of 4 Hz, and then rapidly attenuated to 0 under the excitation. The maximum swing amplitude of the vibrated fruit was 49.88 mm, the peak velocity was 0.92 mm/s, and the acceleration peak was 39.08 mm/s2, ranging from the shedding and then gradually decay to 0 in a picking cycle. The vibration frequency of the fruit particles presented a great mutation over their own natural frequency. At this time, the tertiary fruit-stalk junction was broken to cause the particles to fall off. The trend of vibration was the same under the same excitation, although the position of each fruit was different. The finding can provide a theoretical basis for the parameter design of anti-shedding picking.

vibration; mechanics model; shedding characteristics; finite element analysis; grape; dynamic response

閆德，汪建曉，羅陸鋒，等. 斷梗激勵(lì)下葡萄果粒的振動(dòng)脫落特性與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(22)：31-40.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.004 http://www.tcsae.org

Yan De，Wang Jianxiao，Luo Lufeng，et al. Vibration shedding characteristics of the grapes under the excitation of broken stems and experimental research[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 31-40. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.004 http://www.tcsae.org

2021-10-21

2021-11-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.32171909，51705365）；廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2020B1515120050，2020A1515111056）；廣東省普通高校科研項(xiàng)目(2019KTSCX197，2018KZDXM074，2020KCXTD015)，

閆德，研究方向?yàn)椴烧獧C(jī)器人。Email：yd_zcyy@163.com

羅陸鋒，博士，副教授，研究方向?yàn)椴烧獧C(jī)器人、機(jī)器視覺等。Email：luolufeng617@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.004

S225.93

A

1002-6819(2021)-22-0031-10