高效橘子采摘裝置的設計

林吉

（316000浙江省 舟山市 浙江海洋大學 船舶與機電工程學院）

0 引言

橘子是重要的經濟作物之一，我國是橘子的主要原產國之一，橘子的采摘對果農的經濟收入有很大的影響。我國柑橘果園普遍存在機械化程度低的問題，目前橘子的采摘大多是采用剪斷果柄的方法，采摘多為人工采摘，效率較低，成本高[1-4]。為提高采摘效率，國內外學者一直在研制橘子采摘機械設備。橘子采摘機械設備必須考慮到橘子生長朝向具有各異性：其果柄有水平方向生長、豎直方向生長、傾斜方向生長等，如圖1所示。橘子生長朝向各異性導致機械設備在采摘時，定位存在很大的困難。

圖1 橘子生長各異性Fig.1 Anisotropic growth orientation of orange

另外，采摘時，不僅要保證果柄和橘子不會分離，而且還必須要控制剪下來的橘子果柄長度幾乎為零，剪下來的果柄如果過長，容易剪到下一季節(jié)生長橘子的枝條，影響來年產率，更重要的是，收集時較長的果柄會損壞其他橘子。

1 采摘裝置的結構與工作原理

1.1 結構組成

基于空間凸輪的橘子采摘裝置整體結構如圖2所示，其主要由環(huán)形剪切結構（1），環(huán)形聯(lián)動機構（2），伸縮機構（3）組成。

圖2 基于空間凸輪的橘子采摘裝置整體結構圖Fig.2 Overall structure of orange picking device based on spatial cam

1.2 工作原理

使用本裝置采摘橘子需3個步驟，使用者根據采摘習慣，調整環(huán)形剪切機構與中間桿的角度，用蝴蝶螺母鎖緊，使兩者不能發(fā)生相對轉動。然后，在環(huán)形內圈上安排了5把剪刀，它們相互成約52°分布，以適應橘子的不同朝向。使用者將環(huán)形剪切機構套住橘子，在重力作用下，無論橘子哪個朝向，都會自動順著內圈上的導向弧口滑入一個最合適剪切口。操作者按下手柄，手柄轉動時，可使滑塊沿直線方向移動，滑塊移動時，可帶動曲柄轉動，即帶動空間凸輪旋轉,控制5把剪刀片完成剪切動作將橘子剪下。剪下的橘子經過半凹型果袋，經緩沖、翻轉，最后低速滑入到果籃中。

2 關鍵部件設計

2.1 環(huán)形剪切機構的設計

外圈外殼考慮塑料件進行上下拔模加工，壁厚加至3 mm，為保證剪切效果，內外剪刀片材料依然采用蘸火處理過的白鋼條。由于實際采摘時2個刀位幾乎沒有用上，設計為5個剪切位，各剪切位相互成約51.43°。在每個剪切位上設有剪切平面，確保剪刀片與內圈之間相互貼緊，無間隙，便于剪斷橘柄。根據內徑140 mm實際需要，將外圈內徑擴大，考慮減重處理，材料選擇為塑料件，這里選取PA-6，彈性模量2.62×109 N/m2，泊松比0.34，質量密度1 120 kg/m3，環(huán)形剪切機構如圖3所示。為了檢驗是否達到要求，運用有限元軟件進行有限元分析，分析結果如圖4所示，滿足使用要求。

圖3 環(huán)形剪切機構Fig.3 Ring shear mechanism

圖4 外圈有限元分析結果圖Fig.4 Result chart of outer circle finite element analysis

2.2 環(huán)形聯(lián)動機構的確定

環(huán)形聯(lián)動機構主要由空間凸輪機構、反向曲柄滑塊及曲柄滑塊機構組成，只要按下手柄，控制5個剪刀片聯(lián)動，完成各向剪切。

2.2.1 空間凸輪的設計

為了設計符合要求的空間凸輪，首先將復雜的空間凸輪轉化為相對簡單的直線凸輪進行分析。預設初始參數，設計出直線凸輪，如圖5所示。凸輪外圈上的外刀片固定不動，剪刀刀柄嵌在直線凸輪的凹型口中，直線凸輪在剪切平面的左右移動過程中，可以控制剪刀刀柄來回旋轉，完成剪刀的張合動作。

圖5 直線凸輪示意圖Fig.5 Schematic diagram of linear cam

當直線凸輪的右行程超出臨界線右邊線，剪刀刀柄會脫離直線凸輪的凹型口，直線凸輪不能控制剪刀片。同理，當直線凸輪左行程超出臨界邊線，直線凸輪不能控制剪刀片。

為防止剪刀脫離直線凸輪，必須設置一定的限位。為了更節(jié)省材料及采摘果實時采摘頭部與果實接觸的內環(huán)面盡可能接近圓弧面，方便采摘果實，不采用增添材料制造擋階，而是采用外圈內壁上切除部分材料的設置，左右擋階對剪刀轉角進行限位處理。在外圈上設置一定距離的擋階，利用刀背與內圈進行限制剪刀片過大轉角。

設左右擋階與剪刀轉動軸所處的豎直平面距離均為11 mm，直線凸輪右移，將剪刀推到張開位，會被限位擋階阻擋住而不能右移，在三維裝配體上設置限位，內刀背面與擋階面相切時為極限狀態(tài)，此時測得直線凸輪右行程dx=6.90 mm，遠小于極限右行程S1=7.6 mm；直線凸輪左移，將剪刀推到閉合位，會被限位塊阻擋而不能左移；同樣，在三維裝配體上設置限位，此時刀尖與右擋階接觸時為極限狀態(tài)，測得直線凸輪左行程dx=6.44 mm，遠小于極限左行程S2=7.18 mm），檢驗結果符合實際功能需要。

直線凸輪在剪切平面的總行程為6.90+6.44=13.34 mm，相對于外圈中心軸轉動角度約為7°（內圈直徑為140 mm）。為實現5個剪切位聯(lián)動，將控制5把剪刀片的直線凸輪組合成了一個環(huán)形空間凸輪，空間凸輪結構如圖6所示。

圖6 直線凸輪構成空間凸輪Fig.6 Linear cams form spatial cams

2.2.2 曲柄滑塊結構的設計

當成環(huán)形空間凸輪轉動時，可帶動5把剪刀同時運動。為了將把手的運動轉化為空間凸輪的轉動，采用如圖7所示的機構。圖7中，BCD，DEF各構成一個曲柄滑塊機構，手柄AC繞B點轉動時，可使滑塊D沿直線方向移動，滑塊D移動時，可帶動曲柄EF轉動，即帶動空間凸輪旋轉。為了簡化結構，我們將曲柄滑塊機構BCD隱藏于手持桿中。

圖7 傳動機構簡圖Fig.7 Transmission mechanism diagram

為保證最大省力，需要對各個連桿長度（lEF，lDF，lCD）及曲柄初始角度（θ）進行確定：

機構主要由曲柄滑塊BCD，DEF組成，曲柄滑塊BCD裝在伸縮桿中，伸縮桿直徑為18.5 mm，伸縮桿伸出到極限狀態(tài)長度為3.5 m，lAB=150 mm，lBC=27 mm，操作者可以比較舒服地施力，握把手時施加力Fin=10 N，控制把柄(桿AB)轉動角度a1=5°～75°，滑塊行程為20.4 mm。

內圈直徑為140 mm，根據柑橘屬中最大的類別而設計。為保證采摘過程不會產生干涉，lEF≥0.07 m；為保證行程能夠滿足剪切，空間凸輪在外圈切向的行程需大于13.5 mm。

剪切時，人手輸入力Fin，根據轉矩平衡原則

滑塊受到的力

由式（1）、式（2）解得

令lED=x1，lDF=x2，lEF=x3，根據三連桿長度確定θD

由海倫公式

可得

根據上述要求建立數學模型：

式中：x1，x2，x3——設計變量；M（X）——剪切力矩；Ci（x）——連桿長度關系表達式；L（x）——空間凸輪在外圈切向上的最大行程。

基于Isight平臺搭建力矩最大化設計流程，將力矩M（x）設置為目標函數，限定連桿長度變化范圍、連桿長度互相影響范圍、連桿EF轉角范圍，采用NPQLP序列二次規(guī)劃法求解組合模型[5]。目標函數的迭代收斂曲線如圖8所示。

圖8 迭代收斂曲線Fig.8 Iterative convergence curve

最終分析得最佳參數如表1所示。

表1 最優(yōu)參數表Tab.1 Optimal parameters

2.3 自由伸縮機構

為適應不同采摘范圍的橘子，該機構主要由內空心桿、外空心桿件、滑塊拉動及鎖點定位桿件、節(jié)點鎖扣件等組成，二維結構圖如圖9所示。使用者拉長伸縮桿到合適位置，通過彈簧自動鎖扣扣在合適長度的節(jié)點上，完成伸縮；當需要改變長度時，按下節(jié)點鎖扣件，拉動內空心桿就能再次改變長度。由于伸縮桿在當今較為成熟，直接根據行程選型為1.8～2.8 m。一按一拉完成伸縮，操作簡便，符合人性化的設計理念。

圖9 伸縮機構Fig.9 Telescoping mechanism

為了保證在使用過程中能達到所需要求，應用有限元軟件對中間的空心長桿進行了靜應力分析。中間空心管主要參數為：桿件材料選擇鋁合金，壁厚2 mm，空心管外徑為22 mm，全長2 800 mm，負載合力為10 N，只固定手扶持位置。圖10是有限元分析應力圖及位移圖。

圖10 有限元分析結果圖Fig.10 Results of finite element analysis

由分析結果可知，受力情況正常，遠小于屈服應力，符合強度要求。整根伸縮桿上，離固定端越遠，變形位移越大。位移最大之處在于采摘頭部，由圖可知，本模型最大位移約為5.2 cm，符合使用需求。

3 設計效果評價

本設計提高單人采摘效率2倍以上，遠遠高于市面上各類采摘桿，大幅度降低了人工采摘成本，提高了經濟效益。除此之外，本設計結構精簡、成本低廉，能適應各種采摘環(huán)境，且操作方便。文獻[6]中提到，采摘機械發(fā)展方向應為低成本、高效率，能讓農民買得起、用得起，用處多等。而本采摘器不僅可以采摘橘子，還可以采摘其他類似的果實以及農作物，應用范圍基本沒有限制。本作品還可用于觀光農業(yè)的水果采摘活動或橘子采摘郊游活動。綜上所述，本作品具有較大的市場需求。本作品的開發(fā)不但有良好的經濟效益，還有廣闊的市場前景，而且對新型輔助人工高效率采摘機械裝置的開發(fā)和研究具有重大意義。

4 結語

針對國內橘子采摘問題，提出了一種高效橘子采摘機械裝置，并且已經完成實物制造及實地采摘試驗，效率相比人工大幅度提高。該項設計解決了當今橘子采摘中存在的種種問題。