一種便捷的刺梨采摘機械設計*

黃遠翔 ，羅文祥 ，秦嘉偉 ，江 炬 ，盧 堯

（貴州師范大學機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550000）

0 引言

野生刺梨屬于薔薇科落葉灌木植物，散生灌木，樹高1 m～2.5 m，樹冠寬度在1.5 m左右[1]。刺梨營養價值和藥用價值極高，每100 g果肉中含維生素C約2 054 mg～2 725 mg，比蘋果、梨高500倍，比柑橘高100倍，比獼猴桃高9倍[1-2]，果肉中維生素C的含量居各類水果之冠。

貴州省在種植刺梨方面有著得天獨厚的地理和氣候優勢，刺梨產業是該省實現鄉村振興的重要產業之一[3]。近年來，貴州省大力發展刺梨種植。目前，刺梨種植面積超過200萬畝，種植收益輻射帶動農戶6.5萬戶、21.7萬人，戶均增收7 000元。刺梨產業已成為貴州省脫貧攻堅、鄉村振興、改善生態環境的健康時尚生態產業。隨著刺梨產業的發展，為提高刺梨的產量，貴州省不斷加大科技研發力度，發展刺梨人工種植，實現由“野生”到“家養”的轉變。人工種植的刺梨植株和野生刺梨植株有所不同，其高度比野生植株高出1 m左右。而當前刺梨果實的采摘主要依靠人工，此種方式不僅采摘效率低、勞動強度大[4]，在采摘過程中還存在以下缺陷：1）某些位置比較高或者被枝條遮擋的刺梨不易被采摘。2）使用傳統剪刀剪切時，手指摳在指環內。由于指環與剪刀的活動鉸的間距固定，開合時手指所在的兩個指環間距增大，造成手指在指環中來回摩擦。長時間勞作會損傷手指，造成采摘人員身體的不適，從而影響采摘效率。3）刺梨植株枝干、果實表面的毛刺會刺傷采摘人員，使采摘效率受影響[5]。為解決以上缺陷，課題組設計了一種可拆卸、可調節伸縮長度的電動采摘器，該設計可以通過手動調節伸縮桿的長度，有效解決因刺梨位置較高或較遠而無法采摘的問題。

1 刺梨采摘器的結構設計

課題組設計的采摘器模型如圖1所示。采摘器主要由伸縮裝置、剪切裝置和收集裝置三個部分組成。其中，伸縮裝置由防滑手柄3、伸縮桿4和電線1組成；剪切裝置由滑塊7、刀片8和回復彈簧9組成；收集裝置由收集箱2、收集管5和固定環6組成。

圖1 采摘器總體結構圖

1.1 收集裝置

收集管5通過伸縮桿4上的兩個固定環6固定在伸縮桿4旁，且與采摘器相連。剪切后的刺梨通過采摘頭沿收集管5進入收集箱2中，收集箱2中有三個直徑不同的圓孔，可以按照尺寸對刺梨進行初步篩選。

1.2 伸縮裝置

伸縮桿4由三根直徑不同的空心長管組成，防滑手柄3安裝在底部的長桿上，動作系統主要安裝在上桿內部，內接電線1和電瓶連接用于輸電，且上部桿與采摘頭通過螺釘連接，便于拆卸。

1.3 剪切裝置

該裝置通過動作系統動作帶動滑塊7沿導軌運動，從而使月牙形刀片8向圓心處運動實現剪切，動作系統停止動作，在回復彈簧9的作用下復位。刀片采用月牙形設計，能夠在剪切刺梨莖的同時將刺梨包裹，避免落到其他地方。而在刀片復位時，刺梨落入采摘頭中，沿滑槽進入收集裝置。采摘頭如圖2所示。

圖2 采摘頭示意圖

2 刺梨采摘器動作系統設計

2.1 采摘器采摘動作實現過程

采摘器上部桿和采摘頭內部結構局部剖視圖如圖3所示。其動作實現過程如下：電池供電，在開關作用下驅動電磁鐵；電磁鐵產生電磁作用力，將采摘執行部分帶動三股拉繩，使滑動刀頭沿螺桿滑軸移動，實現對刺梨莖的剪切；切斷后的刺梨落在帶凹槽的采摘頭中，沿收集管進入刺梨收集箱，同時刀片在回復彈簧的作用下復位。

圖3 采摘器動作說明圖

2.2 相關部件說明

1）電磁吸頭一端與電池相連接，另一端的電磁吸頭固定座固定在上部桿中，通過螺栓固定在上部桿中，并通過螺栓安裝在電磁吸頭座上。

2）吸附頭上部有凹孔，能夠將切割拉繩固定在吸附頭上。吸附頭上有彈簧法蘭，用于固定彈簧的下部，彈簧上部分依靠彈簧固定座固定。

3 有限元分析

3.1 有限元分析參數選定

課題組采用UG-NX12.0軟件對采摘裝置三維模型進行有限元分析，該軟件可在建模狀態下直接進入高級仿真模塊。將經UG繪制的采摘裝置三維模型導入高級仿真模塊，通過新建FEM和仿真命令進入創建有限元模型環境[6]。為縮短劃分網格和求解的時間、提高解算速度，通過創建理想化模型命令去除實體模型中不必要的孔和曲面等細小特征，以簡化模型。

指派材料與網格劃分通過指派材料命令定義挖掘裝置材料屬性為Steel[7]，各材料性能參數如表1所示。

表1 Steel材料性能

劃分網格是進行有限元分析的關鍵一步，網格劃分的優劣直接影響求解結果的準確性，即劃分網格單元越小，計算越精確，但運算速度越慢。UG高級分析模塊可直接在模型上劃分網格，通過網格生成器建立挖掘裝置的3D 四面體網格模型。為提高計算精度和速度，設定網格單元大小為 1 mm。

3.2 滑塊的有限元分析

滑塊在采摘裝置中承擔主要拉力，故對采摘裝置的滑塊進行受力應變情況分析，這里選用傾斜角度為45°、30°和22.5°時的情況進行分析。

三種不同角度滑塊受應力的情況分別如圖4、圖5和圖6所示。由圖可知，當傾斜角度為時45°時，最大應力為45.15 MPa；當傾斜角度為30°時，最大應力為45.24 MPa；當傾斜角度為22.5°時，最大應力為44.84 MPa。綜上考慮，當滑塊的傾斜角度為22.5°時，滑塊所受應力最小，能夠減少相應的摩擦，從而延長使用壽命。

圖4 滑塊傾斜角度為45°

圖5 滑塊傾斜角度為30°

圖6 滑塊傾斜角度為22.5°

4 運動仿真

4.1 設置運動參數

直接調用利用自頂向下方式設計的參數化模型在運動界面生成仿真模型，把需要運動的部件添加到對應層面上，在UG/Motion模塊中進行運動分析模塊預處理設置[8]。

4.2 創建運動分析方案

通過對該裝置結構和運動特征的分析可知，該裝置一共創建了7個連桿。連桿1由三根滑軌和采摘頭底座構成，設置其為固定桿件；連桿2、連桿3、連桿4都由滑塊和刀片組成；連桿5、連桿6、連桿7為彈簧。為使機構運動，需要為上述機構添加運動副。連桿2、連桿3、連桿4為滑動副，連桿5、連桿6、連桿7為彈簧連接。

4.3 解算方案及求解

在定義了連桿和運動副后，便可以進行求解運算。步數決定了運動時間的快慢，即數值越大運動越慢。在采摘頭運動仿真模型中，設置時間6 s，步數為500步。

4.4 仿真結果輸出

上述操作完成后便可以輸出動畫分析，以觀察機構的運動情況。運動界面的采摘頭采摘的復位狀態圖如圖7和圖8所示。通過運動仿真可以知道該裝置的具體運動情況，并進行相關改進，利用其參數來搭建實物模型。

圖7 采摘頭仿真前示意圖

圖8 采摘頭仿真后示意圖

5 技術特點與優勢

5.1 技術特點

運用可伸縮裝置來調節桿的長度，可以實現對較遠位置刺梨的采摘，利用收集裝置可以準確地對刺梨進行收集并進行初步篩選，采用電動方式極大減少了工作人員工作量，省時省力。

5.2 優勢

1）相比于傳統的手工采摘方式，本設計采用電動裝置，能夠減輕勞動人員的工作強度；

2）相比于采摘與收集分離的裝置，本設計通過固定環連接到一起，且剪切后無需其他動作就能使刺梨進入收集箱并進行初步篩選，可以減少采摘步驟，提高采摘效率；

3）相比于大部分固定的采摘器，本設計采用螺紋連接及掛鉤連接，可拆卸更換，方便存放和維修。

6 推廣前景

在物產豐富的今天，刺梨產業是貴州脫貧攻堅的制勝法寶，具有極大的研究價值。在貴州刺梨產業論壇上，鐘南山院士便針對刺梨富含維生素C的營養價值，領銜與貴州省呼吸疾病研究所、廣藥集團共同成立“刺梨防治呼吸疾病產學研聯合攻關組”，深入研究和挖掘刺梨的功效[9-10]。貴州省人民醫院、貴州省呼吸疾病研究所和廣藥集團聯合開展貴州刺梨產業科研合作項目。廣藥集團王老吉也推出刺檸吉復合果汁飲料，帶動貴州刺梨產業發展，推動脫貧攻堅。刺梨作為上游產業的原材料，其采摘是整個生產過程中非常重要的環節，該采摘器可以為刺梨的采摘提供便捷的方式。針對較近位置的刺梨，采摘人員可以手工采摘，而對于較遠位置的刺梨，則用輔助工具摘取。“手工+采摘器”的方式能夠有效提高刺梨的采摘效率，為后續刺梨的生產加工做好準備工作。該設備成本不高，具有良好的社會意義和發展前景，值得推廣。

7 結束語

課題組針對人工種植的刺梨植株高于野生刺梨植株的狀況，對原有的采摘方式進行了改造，設計了一種可拆卸、可調節伸縮長度的電動采摘器。并通過UG-NX12.0軟件進行有限元分析，仿真模擬其運動情況來優化結構設計。仿真結果表明，該裝置不僅能采摘較高、較遠位置的刺梨，還能在采摘后對刺梨進行收集并進行初步篩選。相比于傳統的采摘方式，該裝置能夠提高刺梨采摘效率，不僅在刺梨產業生產鏈中發揮重要作用，也符合我國鄉村振興戰略的需求。