高檔名優綠茶新梢參數測量與采摘指力學性能分析研究

聶宇成，陳 勇

（南京林業大學 機械電子工程學院，南京 210037）

0 引言

茶葉質地較嫩,極易破損,茶葉的品種、葉片完整性等決定了名優綠茶的品質[1]。傳統的茶葉新梢采摘均采用人工采摘,但人工采摘需要長時間勞動,勞動強度大且采摘效率較低[2]。近年來,已有一些學者對名優綠茶的機械化采摘進行了一定的研究。南京農機化研究所[3]設計了一種自走式智能田間采茶機器人,進行茶葉新梢的智能化采摘。中國農業大學[4]對龍門式采茶機進行了改進,設計出一種雙臂式茶葉采摘機器人。南京林業大學[5～8]通過光譜技術、機器視覺技術等,研發了一種可以對茶葉新梢自主選擇的采茶機器人。此外,文獻檢索表明,目前國內外對采茶機器人的研究還停留在對茶葉新梢的識別上,還沒有研制出針對高檔名優綠茶智能化采摘的采摘指。

目前采茶機器人對茶葉新梢的采摘僅采用刀片割斷,并不符合高檔名優綠茶的采摘要求。針對現有采茶機器人對茶葉新梢的選擇性,采摘的茶葉葉片完整性[9]等方面存在的不足,本文設計了一款可以模仿人手“提手采”動作的仿生采摘指結構[10]。仿真采摘指作為采茶機器人的末端執行器,通過對茶葉新梢嫩芽識別進行定位,再驅動仿生采摘指對茶葉新梢進行采摘。茶葉新梢比較脆嫩,為保證茶葉品質,故對名優綠茶新梢的形態特性以及力學特性進行相關參數的測量分析。根據茶葉新梢的形態特性設計出合適的采摘指結構,根據茶葉新梢的力學特性確定夾持力,并分析采摘指的受力情況,判斷采摘指的材料強度剛度是否滿足要求,因此利用ANSYS對采摘指的關鍵零部件進行有限元分析。

1 新梢形態特性研究

考慮到高檔名優綠茶的品質,確保葉片的完整性,因此需要對茶葉新梢的形態特性進行測量,來確定仿生采摘指的結構尺寸。為采摘高品質的名優綠茶,僅采摘茶葉新梢的一芽一葉,且茶葉新梢采用拉斷的方式進行采摘,因此仿生采摘指需要保證采摘的拉斷點在圖1所示的第一節間距L1范圍內。同時,為保證采摘指不夾到茶葉的葉片,采摘指的夾指的閉合路徑必須在第一葉與第二葉之間的葉展角θ范圍內。

圖1 新梢示意圖

1.1 新梢形態特性參數采集

針對以上要求,在茶園中多次隨機選取茶葉樣本進行形態特性的參數測量,樣本具體情況如表1所示,共120個試驗樣本。

表1 試驗樣本的選取

對于茶葉新梢的形態測量主要是為了確定第一節間距L1的長度以及葉展角θ的角度,因此采用刻度尺及量角器在茶園中進行測量試驗。

1.2 形態特性測量結果分析

根據形態特性測量結果,在120個測量樣本中,第一節間距L1、葉展角θ的各項參數,如表2所示。

表2 形態特性參數表

由樣本數據的分析得出,樣本茶葉新梢的第一節間距L1長度大多集中在8mm～12mm,其占比84.17%；葉展角θ大多集中在11°～17°,其占比85.00%。

因此,為保證只采摘茶葉新梢的一芽一葉,并保證葉片的完整性,故仿生采摘指的夾爪的夾持點的間距應在8mm以內,且要求采摘指張開角度不大于17°。

2 新梢力學特性研究

根據茶葉新梢的形態特性可以確定仿生采摘指結構尺寸,為確定仿生采摘指對茶葉新梢的最佳夾持力,因此需要對茶葉新梢的力學特性進行測量研究。茶葉新梢力學特性的測量主要分為新梢拉斷力測量以及新梢夾斷力測量。拉斷力測量是為了測量茶葉新梢與莖稈之間通過提拉作用斷開所需要的力。夾斷力測量是為了測量茶葉新梢由于夾爪的夾緊作用而斷開時所需要的力,防止茶葉新梢被夾爪直接夾斷,因此夾爪產生夾緊力應該小于將茶葉新梢直接夾斷所需的力。

2.1 新梢力學特性參數采集

新梢力學特性參數的測量樣本采集與形態特性測量時樣本采集的地點與方式一致,即一共120個試驗樣本。對新梢力學特性參數的測量采用本課題組研制的測力裝置[11]。

2.2 力學特性測量結果分析

根據力學特性測量結果,在120個樣本中,新梢的拉斷力、夾斷力的各項參數,如表3所示。

表3 力學特性參數表（單位：N）

根據數據統計,樣本茶葉新梢拉斷力大多處于3N～7N范圍內,其占比86.17%；夾斷力大多處于4N～8N范圍內,其占比90.83%。

在仿生采摘指對茶葉新梢進行采摘時,為使夾爪與新梢間不打滑的拉斷力應在3N～7N范圍內,新梢在夾持力4N～8N范圍內可能會直接被夾斷。因此,綜合考慮茶葉新梢的拉斷力以及夾斷力,將仿生采摘指夾爪對茶葉新梢的夾持力設定為4N。

3 仿生采摘指有限元分析

針對高檔名優綠茶,基于“提手采”的動作要求,本文設計了一種仿生采摘指,該采摘指主要由一對上夾爪以及一對下夾爪組成,利用下夾爪夾持住莖稈,上夾爪夾持所需采摘的茶葉新梢,通過氣缸的提拉作用將上夾爪向上移動完成茶葉新梢的采摘,上下夾爪的開合同樣采用氣缸驅動。根據對茶葉新梢形態特性的測量分析,設計了如圖2所示的仿生采摘指的三維模型。

圖2 仿生采摘指三維模型

為保證茶葉新梢葉片的完整性,采摘指的結構不宜過大,因此需要對采摘指進行有限元分析,判斷其強度剛度是否滿足要求。仿生采摘指的上下夾爪及其連接件受力情況相似,故只需對上夾爪及其連接件進行有限元分析,其中主要受力零部件有上夾爪、上夾爪連桿以及連接兩者的銷軸,其材料均為鋁合金,抗拉強度約為265MPa,屈服強度約為110MPa。

3.1 上夾爪有限元分析

根據新梢力學特性參數的測量結果,仿生采摘指的夾爪對茶葉新梢的夾持力設定為4N,為優化夾爪結構,對上夾爪進行應力應變分析。將上夾爪模型導入ANSYS 15.0,進行單元類型以及材料參數的定義,單元類型選擇Solid185,材料為鋁合金,彈性模量設置為70GPa,泊松比0.3,并進行網格劃分,共劃分了18976個單元。根據上夾爪的受力情況對上夾爪添加約束,進行求解,得到上夾爪應力云圖以及應變云圖,如圖3、圖4所示。

圖3 上夾爪應力分布圖

圖4 上夾爪應變分布圖

從上夾爪的應力應變分布圖可以看出,上夾爪的最大應力為83.4MPa,最大應力位于上夾爪與上夾爪支座連接處。最大變形量為0.0176mm,最大變形位于上夾爪的夾持處。由此可見,上夾爪的強度和剛度滿足要求。

3.2 上夾爪連桿有限元分析

上夾爪連桿與上夾爪通過銷軸連接,上夾爪連桿的另一端連接在里層套上,通過提拉氣缸完成茶葉新梢的向上拉斷。將上夾爪連桿模型導入ANSYS15.0,模型的單元類型以及材料屬性與上夾爪相同,進行網格劃分,劃分了4323個單元。根據上夾爪連桿的受力情況,進行有限元分析,得到上夾爪連桿的應力應變云圖,如圖5、圖6所示。

圖5 上夾爪連桿應力分布圖

圖6 上夾爪連桿應變分布圖

根據上夾爪連桿的應力應變分布圖,上夾爪連桿的最大應力為7.32MPa,最大應力位于與銷軸連接處的下表面。最大變形量為0.000842mm,最大變形同樣位于與銷軸連接處的下表面。因此,上夾爪連桿的強度和剛度滿足要求。

3.3 銷軸有限元分析

銷軸用于連接上夾爪以及上夾爪連桿,為保證連接的可靠性,銷軸兩端與上夾爪連桿采用過盈配合,銷軸中間部分與上夾爪采用間隙配合。同樣,將銷軸模型導入ANSYS15.0,進行單元類型及材料屬性的定義,完成模型的網格劃分,共劃分了11322個單元。根據銷軸的受力情況,對銷軸進行有限元分析,得到如圖7、圖8所示的應力應變分布圖。

圖7 銷軸應力分布圖

圖8 銷軸應變分布圖

根據銷軸的應力應變分布圖可以得出,銷軸的最大應力為1.45MPa,最大應力位于銷軸與上夾爪連接處兩側。銷軸的最大變形量為0.0000193mm,最大變形位于銷軸與上夾爪連接處中心。由此可見,銷軸的強度和剛度均滿足要求。

以上對仿生采摘指的關鍵零部件進行了有限元分析,得到零部件的應力應變分布圖。為減輕仿生采摘指重量,上夾爪、上夾爪連桿、銷軸等零部件均采用鋁合金材料,抗拉強度約為265MPa,屈服強度約為110MPa,根據分析結果,這些零部件的應力應變均在材料的承受范圍內,故仿生采摘指各關鍵零部件的強度和剛度滿足要求。

4 結語

通過對名優綠茶新梢的形態特性的測量,采摘指的上下夾爪的夾持點的間距應在8mm以內,且要求采摘指張開角度不大于17°,由此確定了仿生采摘指的結構尺寸。通過對茶葉新梢力學特性的測量,確定了夾爪對茶葉新梢的夾持力為4N,并依此對采摘指的關鍵零部件進行有限元分析。從分析結果可以得出,采摘指的關鍵零部件中,最大應力位于上夾爪的夾持處,最大應力為83.4MPa,最大應變同樣位于該處,最大變形為0.0176mm,均在材料允許范圍內。由此可見,采摘指的剛度和強度均滿足設計要求,驗證了采摘指結構設計的合理性。為后續對仿生采摘指結構的進一步改善,提高采摘成功率,以及進行茶園現場試驗等提供了有效依據。