基于TRIZ理論的圓柱波浪型刺梨采摘機設計與試驗

摘要：

為解決目前刺梨機械化采摘過程中損傷大、穩定性差、采摘效率受成熟度影響的問題，設計一種適應于山區作業環境的采摘機構。基于TRIZ理論對已設計出的耙型刺梨采摘機構進行功能組件系統分析，定位有害功能和過度功能，圍繞采摘效率、運行穩定性、適應性三個指標，應用TRIZ理論標準解確定發明原理，再通過物場模型尋找問題的解決方案，設計圓柱波浪型采摘結構。應用ADAMS軟件進行模擬仿真，驗證設計的可行性，通過三個單體組合的背負式刺梨采摘機田間試驗，結果表明：刺梨采凈率為96.05%；采凈率受到刺梨果成熟度影響不大；破損率為0.66%；采摘效率為11.22 kg/min，此設計可有效保證刺梨機械化采摘作業的有效性和可靠性，為新型高效低損采收機研究提供重要參考。

關鍵詞：刺梨采摘機；山區作業；TRIZ理論；背負式；圓柱波浪型結構

中圖分類號：S225.92; S23

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0039-07

收稿日期：2023年11月2日" 修回日期：2024年1月31日

基金項目：貴州省高校人文社會科學研究項目（2023GZGXRW067）——貴州農業現代化研究

第一作者：羅兵，男，1990年生，貴州仁懷人，碩士，講師；研究方向為農機設計、產品創新設計。E-mail： 1258132509@qq.com

通訊作者：張建敏，女，1976年生，貴陽人，碩士，副教授；研究方向為工業設計、數字媒體技術。E-mail： zminmindebox@126.com

Design and experiment of cylindrical corrugated pear picker based on TRIZ theory

Luo Bing1， Zhang Jianmin2， Yang Yi1， Zhao Xia1， Chen Ji1

（1. Guizhou Light Industry Technical College， Guiyang， 550025， China；

2. College of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang， 550025， China）

Abstract：

In order to solve the current problems of high damage， poor stability， and picking efficiency affected by maturity during the mechanized picking process of roxburghii， a picking mechanism adapted to the mountainous operating environment was designed. Based on the TRIZ theory， a functional component system analysis of the designed rake-type prickly pear picking mechanism was conducted to locate harmful functions and excessive functions. Focused on the three indicators of picking efficiency， operational stability and adaptability， the TRIZ theory standard solution was used to determine the invention principle. Then the cylindrical wave-shaped picking structure was designed" by using the object field model to find a solution to the problem， ADAMS software was used for simulation to verify the feasibility of the design. Through the field test of the backpack-type pear picker with three monomer combinations， the results showed that the net harvesting rate of rhododendrons was 96.05%; the net harvesting rate was affected by the maturity of the rhododendron fruit. The impact was not significant， the breakage rate was 0.66%; the picking efficiency was 11.22 kg/min. This design effectively ensures the effectiveness and reliability of mechanized pear picking operations， and can provide an important reference for the research of new high-efficiency and low-damage harvesters.

Keywords：

prickly pear picker; mountainous operating; TRIZ theory; backpack type; cylindrical wave structure

0 引言

刺梨產業是近年來迅速發展的貴州農業特色優勢產業之一。截至2022年底，貴州省刺梨種植面積已達14×104 hm2，年產量超過3×105 t，年產值超過150億元［1， 2］。因刺梨生長特性，刺梨采摘勞動強度大、效率低，為了解決這個問題，貴州省山地農機研究所［3］、貴州師范大學［4］等研制了山地刺梨采收機和采摘工具，采收機采用履帶式行走底盤和液壓驅動高頻振動方式，可實現一次性單窩刺梨的采摘和收集，采凈率達94.42%，損傷率小于0.97%。然而，由于刺梨生長在喀斯特山區，重型履帶農機平臺難以進入種植園，震動式采摘機構需要一定重量和空間的震動發生裝置［5， 6］，很難應用在便攜式的背負式平臺。另外，刺梨果加工需要成熟度8-9成，而這種成熟度的果子果柄結合力較強，震動采摘難以完成。因此，適合背負式平臺的刺梨采摘機構的研發迫在眉睫。

TRIZ理論［7］能科學定位和解決問題，已有多位研究人員應用TRIZ理論進行采摘機設計研究，左斌等［8］應用TRIZ理論進行采摘執行器創新設計；桓源等［9］應用TRIZ理論進行蘋果采摘機器人的設計和分析；權龍哲等［10］應用TRIZ理論研究玉米根茬收獲系統設計；蘇建寧等［11］應用TRIZ理論設計出玫瑰花蕾采摘機，國際也有研究學者將TRIZ理論應用與自動化機械開發［12］、農業栽種機械手設計以及分析傳統農業設備創新應用［13］等。ADAMS模擬仿真采摘作業，驗證設計可行性，李瑞等［14］應用了ADAMS對振動式花椒采摘機進行仿真分析；張智明等［15］將采棉機采摘機構在ADMAS中進行虛擬設計與運動仿真，驗證了設計的可行性；李贊松等［16］應用ADAMS仿真分析油茶果采摘裝置關鍵部件的設計。

2021年，相關研究［17］提出耙型結構采摘機的初步方案，通過應用TRIZ理論對耙型采摘結構進行組件功能分析，該設計仍存在易卡枝、穩定性不足的問題。基于此，本文圍繞采摘效率、運行穩定性、適應性3個指標，應用TRIZ理論標準解確定發明原理，通過物場模型分析，設計圓柱波浪型采摘結構，并進行仿真試驗和田間試驗。

1 刺梨采摘機構創新設計

1.1 刺梨采摘機的組件功能分析

圖1為耙型采摘機構，圖2為采摘作業過程，采摘桿件前端向末端的間隙由大到小進行過渡，采摘桿件向前推進，對刺梨枝干進行收攏，將枝干收攏到末端過程中，采摘桿件往復擺動，刺梨果受到拍打脫離枝干，達到采摘目的。限位槽限制采摘桿件上下縱向移動的，采摘桿為固定桿件機構的軸承機構組件。

但在試驗過程中，發現耙型結構采摘機存在適應性差、采摘效率低、容易卡枝，影響穩定性等問題?；诎l現的問題，應用TRIZ理論對耙型采摘機構進行功能組件分析。

對耙型采摘機構建立功能模型分析，圖3展示整個技術系統所有組件相互作用關系和所實現的功能。在耙型采摘機構運行中，開口最大處喂入刺梨掛果枝干，掛果枝干進入采摘桿件之間縫隙，通過往復運動的采摘桿件對掛果枝干拍打，讓刺梨果脫落，達到采摘目的。在此過程中，采摘桿件往復拍打容易對刺梨枝干造成損傷，同時采摘桿件之間的間隙小于刺梨枝干，容易造成對刺梨枝干的過度壓迫，導致二三級枝干卡在或纏繞在采摘機構中，對采摘運行穩定性產生不利影響。

通過組件功能系統分析，定位了有害功能和過度功能：一是采摘桿件容易造成刺梨枝干損傷。二是由于間隙固定，容易造成對刺梨枝干壓力過大，導致刺梨枝干不容易脫落于采摘桿件，造成刺梨枝干纏繞在桿件上，影響運行穩定性。

1.2 運用TRIZ工具解決問題

通過對耙型采摘機構功能模型分析，確定需要提高采摘率和穩定性。耙型采摘機結構大，很難適應小型化平臺，所以還需要提高適應性。根據TRIZ理論的39個工程參數，將提高采摘率轉化為“生產率”參數，提高穩定性轉化為“可靠性”參數，提高適應性轉化為“適應性”參數。

若提高采摘率（生產率），可以通過提高采摘桿件擺動頻率或幅度來達到，這樣則會增加刺梨枝干受傷程度，還會增加卡枝頻率，降低可靠性，所以惡化參數為“易受傷性”和“可靠性”。基于矛盾矩陣表，檢索到與矛盾組對應的發明原理，取發明原理的并集A。改善生產率的發明原理集合如表1所示。

若需提高穩定性（可靠性），可以通過降低擺幅頻率和幅度來達到，這樣則會導致采摘率降低，所以惡化參數為“生產率”，基于矛盾矩陣表，檢索到與矛盾組對應的發明原理，取發明原理的并集B。改善可靠性的發明原理集合如表2所示。

若需讓刺梨采摘機構能在不同平臺和環境下使用，提高適應性，可以簡化采摘機構結構，這樣則會導致采摘率降低，機構可靠性降低，所以惡化參數為“生產率”和“可靠性”?；诿芫仃嚤?，檢索到與矛盾組對應的發明原理，取發明原理的并集C。改善適應性的發明原理集合如表3所示。

此次設計改進的目標是既要提高采摘效率，又要增強采摘運行穩定性，還要提高采摘機構的適應性。因此對上三個表格中的發明原理集合A、B、C取交集后得出后續改進可行的思路。

A＝{10，39，1，18，31，24，3，35，10，14，9}

B＝{35，1，10，28，29，32，33}

C＝{10，39，1，18，31，24，3，35，10，14，9}

A∩B∩C＝{1，10，35}

上述發明原理取交集為：1，10，35，根據TRIZ原理指引，可以從編號為1（分割原理），10（預先作用），35（物理或化學參數改變原理）的發明原理著手去探索。發明原理分析如表4所示。

通過發明原理對應的方向進行可行性分析，為解決問題提供了設計思考方向，并進行衍化設計。

1.3 進行方案衍化設計

通過對3個方案進行整合，根據方案1加入喂入裝置設計，并將喂入裝置于采摘桿件進行結合；根據方案3將喂入裝置和采摘裝置進行彎曲處理，衍化設計見圖4。最終形成了圓柱波浪型采摘機構設計單體。根據方案2，將單體進行組合，根據承載平臺或作業環境進行不同數量和尺寸組合，增加了采摘機構的適應性。

1.4 建立TRIZ物場模型

對圓柱波浪型采摘機構設計進行分析，采摘機構在旋轉過程中，刺梨枝干進行橫向移動，導致末端聚集大量枝干，造成刺梨枝干受到壓力逐漸增大，壓力大于枝干表皮最大耐受力，此時刺梨枝干受到損傷，容易造成枝干卡在采摘桿件內。為更清晰分析此過程，將整個采摘過程進行了橫向和縱向分析。

1） 刺梨采摘機橫向分析。

圖5為橫向受力分析圖及物場分析，采摘機構在旋轉過程中，采摘桿件相對刺梨枝干進行橫向移動，產生橫向的摩擦力，會進一步損傷枝干，造成枝干采摘桿件中，影響采摘穩定運行。

2） 物場模型解決方案。

通過加入滾動軸承圓柱型采摘桿件，將滑動摩擦變動為滾動摩擦，降低刺梨枝干預采摘桿件的摩擦力，如圖6所示。

3） 刺梨采摘機縱向分析。

圖7為縱向受力分析圖及物場分析。采摘機構在旋轉過程中，刺梨枝干從末端向中心聚集，聚集到一定程度，由于采摘桿間隙固定，當間隙容納枝干數量到最大程度，刺梨采摘桿件對刺梨枝干壓力達到最大，造成刺梨枝干卡在采摘桿件中。

4） 物場模型解決方案。

當刺梨枝干進入采摘區域，枝干聚集數量增多，對采摘桿件會產生縱向擠壓，采摘桿件產生位移，桿件移動使得彈簧桿件產生形變對采摘桿件產生反作用的彈力，通過預先裝配一定彈性系數的彈簧，使得刺梨枝干受到的桿件縱向壓力維持在一個合理區間，從而避免采摘機構對刺梨枝干表皮產生破壞。加入彈簧組還可以在采摘桿件中形成一定的可變間隙，間隙可以隨著枝干聚集程度進行調節，避免刺梨枝干卡在枝干間隙中，如圖8所示。

2 采摘部件設計

2.1 圓柱波浪型機構設計分析

經過物場模型分析，形成了最終的波浪型采摘機構設計，圖9為采摘機構拆解圖，采摘機構由多個單體模塊組成，圖10為采摘機構的組合狀態，每個單體由波浪型采摘桿件，軸承圓管、固定裝置組成，波浪型采摘桿件頂部和底部與軸承圓管形成垂直交錯連接，圓管固定在固定裝置上，構成一個單體。裝置中間空心，各個單體通過傳動軸穿過裝置中間空心進行組合，單體之間由彈簧隔開。

動力傳動裝置帶動傳動軸進行轉動，因為各個單體橫向限位固定在傳動軸上，從而帶動整組采摘機構轉動，采摘機構在轉動過程中，波浪形桿件之間間隙從大過渡到小。這個過程經歷了喂入區域和收攏區域，掛果枝干從上下間隙較大的采摘桿件進入采摘滾筒內，隨著轉動，上下間距進行縮小，掛果枝干受到上下兩個桿件的壓力被迫進行收攏，果子在收攏過程中一部分受到擠壓力脫落，掛果枝干繼續隨著轉動進入了兩顆軸承圓管之間，兩顆軸承圓管形成齒狀結構，接著枝干從軸承圓管之間通過，圓管之間距離小于果子直徑，無法從兩顆圓管之間出來，阻擋果子通過，受到拉力后脫落。圓柱形采摘機構繼續轉動，新的掛果枝干再次進入，完成持續采摘。

因為采摘桿件為光滑金屬管，與枝干接觸過程中摩擦力較小，避免了刮傷枝干，為了減小圓管與枝干的摩擦力，圓管內部用了滾動軸承，將滑動摩擦轉化成了滾動摩擦，極大程度減少了刺梨枝干和圓管之間的摩擦力，進一步降低了對枝干造成損傷。

較粗的枝干進入單體采摘桿件之間，兩桿件和枝干之間的壓力增大，增大到一定程度后，通過彈簧組調節，兩單體之間的距離增大，從而讓枝干能夠順利通過間隙，提升了運行穩定性。該機構可根據安裝平臺對尺寸、數量進行模塊化組合，具有較高的適應性。

2.2 采摘機設計受力分析

圖11為采摘過程，圖12為刺梨采摘機構的受力圖，a點為接觸到上采摘桿件的刺梨枝干，枝干受到桿件的支撐力F1、刺梨桿本身的拉力F4、桿件橫向運動產生的切力F2、自身由于形變產生的彈力F5、刺梨枝干對桿件壓力產生的摩擦力f6、重力G1。

刺梨枝干進入相對靜止的刺梨枝干旋轉的桿件最大空隙處，刺梨果和枝干受力如圖12所示。

桿件到合力進入最窄的脫果橫桿處，刺梨枝干受力情況如圖13（a）所示。枝干受到采摘桿件的支撐力F13、刺梨桿本身的拉力F43、桿件橫向運動產生的切力F23、自身由于形變產生的彈力F53、刺梨枝干對桿件壓力產生的摩擦力f63、重力G3。圖13（b）為刺梨果受力圖，刺梨表皮受力點接觸到下采摘桿件的刺梨枝干，枝干受到桿件的支撐力F14、刺梨桿本身的拉力F44、自身由于形變產生的彈力F54、刺梨枝干對桿件壓力產生的摩擦力f64、重力G4。刺梨果進入單體機構的上下橫桿處，受到了上橫桿的支撐力F15、下橫桿支撐力F16、與上脫果橫桿摩擦力f65、與下橫桿摩擦力f66、果柄結合力F7，要使刺梨果脫落，刺梨果受到向左的力需大于果柄結合力。

3 圓柱波浪型采摘機構仿真及試驗分析

3.1 刺梨圓柱波浪型采摘機構仿真分析

根據對刺梨的刺梨果柄結合力數據［12］，在ADAMS中建立掛果刺梨仿真模型，對刺梨果和刺梨枝干進行力學約束，預設刺梨果受到大于刺梨果果柄結合力時，刺梨果脫落，并監測刺梨果在整個采摘過程中的受力數據。在ADAMS中導入圓柱波浪型采摘機構模型，設定采摘機構運行軌跡，通過對前進速度，機構轉速參數進行賦值，驗證不同轉速和前進速度下，仿真刺梨果受力分析，得到最優參數，見圖14。

經過ADAMS仿真，多次調節采摘機構旋轉速度和前進速度，確定了前進速度為1 m/min，旋轉速度為26 r/min，此時采摘過程中，刺梨果受力在40 N到50 N之間，此時受力大于刺梨果果柄脫離力的最大的30 N數值。能較好完成采摘過程。

3.2 圓柱波浪型刺梨采摘機田間試驗

此次采摘機為背負式電動平臺，采摘頭由3組單體組成，見圖15。2023年9月28日，在貴州省龍里縣十里刺梨溝景區刺梨種植園區進行田間試驗。采摘刺梨品種為貴龍五號，果樹年齡4～6年，對成熟度70%～80%、80%～90%、90%～100%三種不同成熟度刺梨果進行采摘。各指標計算如式（1）～式（3）所示。

PH=QFQT×100%

（1）

式中：

PH——采凈率，%；

QF——采摘掉落數，個；

QT——單植株掛果數，個。

PD=QDQT×100%

（2）

式中：

PD——破損率，%；

QD——刺梨果損傷數，個；

QT——單植株掛果數，個。

SH=QFT

（3）

式中：

SH——采摘效率，kg/min；

QF——采摘掉落數，kg；

T——采摘作業時間，min。

在田間作業過程中，為了保證結果的可靠性，結果取平均值［18］，試驗結果見表5。

試驗表明，采凈率與創新設計前的耙型結構采摘機的80.61%相比，提升了19.15%；破損率與耙型結構采摘機的8.91%相比，降低了92.59%；采摘效率與耙型結構采摘機的8.23 kg/min相比，提升了36.33%。說明圓柱波浪型刺梨采摘機的設計可保證刺梨機械化采摘作業的有效性和可靠性。

4 結論

1） 基于TRIZ理論設計一種圓柱波浪型采摘機構，單個模塊由波浪形采摘桿件、軸承圓管、彈簧限位裝置、固定裝置及傳動軸5部分組成。可根據安裝平臺、采摘環境對模塊的尺寸、數量進行調整后組合，具有較高的適應性。

2） 田間試驗表明：圓柱波浪型刺梨采摘機采凈率受刺梨果成熟度影響不大，采摘率為96.05%；破損率為0.66%；采摘效率為11.22 kg/min，此數據為3組單體組合作業結果，若增加單體尺寸和和數量，應用中大型采摘平臺，數據將進一步提升。

參 考 文 獻

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