藍莓挑振復合采摘技術裝置設計與試驗

摘要：為解決藍莓機械化高質量采摘難題，提出一種兼顧回轉運動的曲柄滑塊機構復合運動挑振方法。通過構建挑振復合運動模型，獲取挑振最佳作業參數，結合挑振關鍵部件膠棒的長度與撓度設計分析，運用MATLAB軟件仿真出端點運動過程中滿足脫果加速度變化曲線。利用跨行平臺集成關鍵部件，以兔眼藍莓為采收對象，開展驗證試驗。試驗表明，當膠棒長325 mm、膠棒橫截面直徑10 mm、自轉電機額定轉速為40 r/min、往復振動電機額定轉速為380 r/min時，成熟藍莓的采凈率可達87.11%，損傷率在6.54%以內，滿足相關采收機械的采摘指標，對研究藍莓高效低耗采收具有一定的指導意義。

關鍵詞：藍莓；機械化采摘；挑振復合運動；MATLAB仿真；收獲機械

中圖分類號：S225

文獻標識碼：A

Design and test of blueberry pick-up compound picking technology

Abstract：

In order to solve the difficulty of mechanized high quality picking of blueberry， this paper presents a method of crank-slider mechanism combined motion picking with rotary motion. Through the construction of the vibration complex motion model， the optimal operation parameters of the vibration were obtained. Combined with the design and analysis of the length and deflection of the rubber rod， the key component of the vibration， the change curve of the acceleration of the end point was simulated by MATLAB software. A cross-bank platform was used to integrate key components and a validation test was carried out with rabbit-eye blueberry as the harvest object. The experiment showed that when the stick length was 325 mm， the cross section diameter of the stick was 10 mm， the rated speed of the rotation motor was 40 r/min， and the rated speed of the reciprocating vibration motor was 380 r/min， the picking demand could be met， and the picking rate of ripe blueberries could reach 87.11%， and the damage rate was less than 6.54%， which met the picking indexes of relevant harvesting machinery. It has certain guiding significance for the study of high efficiency and low consumption harvesting of blueberry.

Keywords：

blueberries; mechanized picking; combined lifting movement; MATLAB simulation; harvesting machinery

0 引言

藍莓具有豐富的營養成分，含有多種維生素和礦物質，具有強心抗癌、抗衰老以及提高免疫力等獨特的功效，曾被聯合國糧農組織列為人類五大健康食品之一［12］，深受水果市場的喜愛。我國是世界藍莓種植大國，也是世界藍莓消費大國。截至2022年，我國藍莓種植面積約為66.4 khm2，藍莓產量超377.2 kt［3］。由于我國各地藍莓種植模式以及種植品種有所不同，且國內果品采收機械相對于工業化發展迅速的發達國家還有所差距，為了解決這一困境，藍莓采收的機械化、智能化已然成為我國藍莓產業的迫切要求與必然趨勢。

目前已栽培的藍莓品種包括北高叢藍莓、高叢藍莓、半高叢藍莓、兔眼藍莓、矮叢藍莓五大類共62個品種［4］，2009年，郭艷玲等［5］研究了適合野生藍莓收獲的手推式矮叢藍莓采摘機和適合矮叢藍莓的手推式矮叢藍莓振動收獲機，這兩款采摘機都屬小型機械，操作方便，維護便宜，但在實際使用中仍有很多缺點。2021年，李建航等［6］研發了適用于高叢的藍莓采摘樣機，該款藍莓采摘機較低叢藍莓采摘機結構復雜，具有分選與分離樹葉的功能，但不太適用于國內某些農藝種植方式與地形分布，且由于其對枝條造成的傷害，會不同程度地影響來年的采摘收成，故沒有大范圍的推廣。

國內外振動式采摘機普遍是利用往復式運動機構或者偏心回轉機構產生的慣性力作用在果樹的樹干、樹枝或樹冠上［7］，但是存在采摘效率低等問題，如把往復式運動和回轉運動復合到一起（即為復合式運動），效率是否會提高，這是目前工作的目標之一。另外，由于國內從大方向上藍莓品種繁多，種植農藝不規范，小塊區域特色種植模式制約了國內機械推廣應用［8］，從技術層面看，國內對不同品種藍莓的植株生物性狀缺乏統計歸納，高質量振動采摘關鍵部件設計依據不足，振動脫果機理不明，高質量作業的參數配置決策依據空白［9］，導致無法研發技術可靠、作業效果佳的藍莓采收技術裝備［10］。

針對國內市場典型品種藍莓的機械化采收［11］，需要進行系統性深入研究，本文提出一種兼顧回轉運動的利用曲柄滑塊機構的復合運動挑振方法，根據其復合運動特性，建立挑振膠棒端點運動軌跡和加速度的數學模型。通過MATLAB對數學模型進行仿真分析，確定最佳速度，同時根據ABAQUS對膠棒的長度進行合理性靜力學分析，確定最佳膠棒長度，根據確定的設計參數設計挑振復合采摘裝置，以兔眼藍莓為采收對象，通過試驗來驗證機構優越性。

1 挑振數學模型建立

本文采用曲柄滑塊機構來完成挑振單元的上下往復運動，通過三維坐標模擬添加挑振單元的自轉運動，二者相互疊加配合，共同實現挑振的目的。

1.1 曲柄滑塊機構設計

曲柄滑塊機構作為挑振單元的自振裝置，結合振動桿NK的結構如圖1所示。

圖1中，EF和ED由曲拐以及過渡板組成，DN為定向軸，NK為膠棒（振動桿），F1D1以及F2D2是曲拐所能達到的兩個極限位置，假設EF與z軸所夾角為θ1，FD與z軸所夾角為θ2，θ1′、θ1″分別為兩個極限位置EF與z軸所夾角，θ2′、θ2″分別為兩個極限位置FD與z軸所夾角，設計偏心距為e，利用曲柄滑塊機構解析法可求得方程式（1）。

結合圖1可得

根據式（1），設EF為a，FD為b，OD為d，以EF的長度a為基準，可得

整理得

cosθ1=k0sinθ1+k1（4）

1.2 曲柄滑塊與自轉復合運動分析

由圖2可知，振動裝置在增加z軸自轉之后，可以求得K點在空間坐標系的軌跡方程，其中，V為膠棒在x軸方向前進移動的速度量大小，t為往復運動的時間變量，設膠棒NK與x′軸的夾角為θ3，則結合圖1和圖2可得空間軌跡方程，如式（5）所示。

根據式（5），可以求得三個方向上位移導數，即空間速度方程，如式（6）所示。

式中：

Mx′，My′，Mz′——膠棒末端在x，y，z軸的速度投影。

根據式（6），可以求得三個方向上速度導數，即空間加速度方程，如式（7）所示。

式中：

Mx″，My″，Mz″——膠棒末端在x，y，z軸的加速度投影。

2 挑振復合采摘裝置設計與分析

2.1 挑振復合采摘關鍵部件設計

已知挑振單元如圖3所示，該單元位于機架上的挑振總成，各挑振總成包括兩個挑振單元，一個振動單元位于另一個挑振單元的下方，兩個挑振單元在行走方向錯位設置，將挑振單元按照一上一下、一前一后設置，位置布置與栽培農藝對應，在采收時，僅需要將果樹的主干進行固定，其余枝條垂掛，無需對枝條進一步處理。挑振單元通過上下往復振動和周向轉動，將行進間不同位置的枝條挑起，并在作業中挑枝不纏枝，使枝條按順序排出，從而實現機械化低損連續采收。

2.2 挑振復合采摘部件關鍵參數確定

2.2.1 膠棒長度確定

膠棒長度的確定，要充分考慮分離的可靠性，以及整個裝置的結構緊湊性，通過查找相關資料［12］結合平均藍莓枝條間隙，比較合理的膠棒長度設計依次為325 mm，355 mm，385 mm，415 mm，445 mm，在此基礎上，運用ABAQUS軟件進行靜力學分析。

查閱相關資料可知，當膠棒長度增加時，膠棒端點的振幅在增加，但是膠棒長度過長使膠棒易折斷，為了更準確地獲取適宜的膠棒長度，結合ABAQUS軟件，設定兩膠棒間距為150 mm，其中膠棒的材質為橡膠，彈性模量為1 GPa，泊松比為0.49；基座的材質為合金鋼，彈性模量為210 000 MPa，泊松比為0.3。施加均勻載荷2×103 Pa，網格劃分和靜力學分析如圖4所示。

從圖4（b）可以看出，隨著膠棒的長度增大，對應的膠棒端點位移形變量也會變大，如圖4（c）所示，隨著膠棒長度的增加，膠棒與基座相連的根部受力會逐漸增大，由此可得結論：膠棒長度越長，可靠性越低，變形量越大。綜上所述，在合理的膠棒長度范圍內，應盡量選擇長度短的膠棒，故325 mm的膠棒長度是首選。

2.2.2 膠棒最大撓度確定

挑振單元的膠棒固定方式是一端固定在基座上，形如懸臂梁結構，外部集中載荷由枝條拉伸試驗獲得，如圖5所示。

圖5中，膠棒長L為325 mm，橫截面為直徑10 mm的圓形，且為等截面的各向同性桿，其邊界條件為一端固定在基座上，另一端為自由端，受橫向集中載荷F作用，F為30 N。查閱相關資料可得，膠棒的彈性模量E為1 GPa，彎曲強度［σ］為90 MPa。

梁的抗彎截面模量

彎矩

截面慣性矩

由此可得最大彎曲應力

因此

由材料力學［13］可得撓曲線方程為

由上可得膠棒的端截面轉角

最大撓度

綜上可得，膠棒最大可承受力為55.38 N，最大撓度為-0.214 6 m，滿足藍莓采摘裝置采摘需求。

2.3 挑振復合采摘部件關鍵參數確定

在作業速度0.1 m/s的條件下，通過MATLAB對式（5）進行仿真，空間位移軌跡如圖6所示，通過作業速度可以求得挑振機構自轉速度為40 r/min。結合式（7）及2.1節、2.2節的參數設計，可解得膠棒端點的空間軌跡的加速度曲線。

根據藍莓脫離力學特性［14］，仿真篩選曲柄往復機構驅動轉速為380 r/min。為了研究撞擊能量與藍莓脫落關系，對K點這個振動位置進行如下分析，在自轉電機額定轉速40 r/min，往復振動電機額定轉速380 r/min條件下，通過MATLAB仿真分析可以得到圖7所示的仿真圖，其中圖7（a）為y-z平面K點加速度投影、圖7（b）為K點的空間加速度。

綜上所述，由圖7（a）可知，K點沿y-z平面先反向增加，y軸方向加速度首先達到極值aym1約361 m/s2，此時z軸方向加速度也達到極值azm1約91 m/s2，隨后沿z軸反方向加速度達到極值azm2約33 m/s2，此時ay1約47 m/s2，隨后y軸反方向增加至極值aym2約361 m/s2，此時az2約14 m/s2，后沿z軸反方向減小至極值azm3約29 m/s2，此時ay2約38 m/s2。可知兩段分別達到x，y極值的區間存在最佳作業速度與加速度，顯然最佳速度與加速度和位置均不同。由圖7（b）可知，整體加速度在空間上是先從0增加至最佳作業加速度ae1后減小至0，在增加至最佳作業加速度ae2后減小至0。

3 試驗與分析

本文利用該試驗部件集成動力平臺開展藍莓采收試驗，將上述挑振關鍵部件安裝于小型液壓挖掘機，替換挖頭，進行機構和控制系統融合，于2021年7月份在溧水白龍有機藍莓種植基地開展采收試驗，重點研究采凈率、損傷率等采收關鍵技術指標的變化規律。

3.1 試驗方案

3.1.1 試驗藍莓植株基本參數

首先對溧水藍莓種植基地3～4.5年樹齡的兔眼藍莓植株的基本特性參數進行測量，測得植株的行距約為2.7 m，株距約為2.5 m，冠型直徑范圍65～110 cm，掛果枝條高度為60～140 cm，成熟果實重量為0.6～2.5 g，藍莓果柄結合力為0.18～4.36 N。由此可知藍莓的行距、株距較為合理，基本滿足機械化作業裝備的通過性要求，但由于采摘園農藝標準不規范的等因素，對于實際采摘作業有著較大的影響，使得采凈率存在一定的誤差，后期可以通過農藝標準規范化等方法加以改善。

3.1.2 果柄結合力試驗方案

由于藍莓掛果枝條受力時會發生彎曲變形，可能會對果枝分離力產生影響，所以具體的測量方法為：將需要測量的果實用繩子固定住，拉力計固定在繩子的另一端，然后沿著果柄方向緩慢拉動拉力計，直至藍莓果實脫落。測量時采用的原則是隨機取樣的方式，為了增加樣本的數量及試驗結果的準確性，分別測量10次藍莓果實結合力，并取這10組平均值為一個試驗小組，共做10組，一共100次果柄結合力測試試驗。

3.1.3 采凈率與損傷率試驗方案

根據挑振膠棒末端復合運動軌跡以及最優水平組合：膠棒長325 mm、膠棒偏置角度15°、采摘作業時作用速率選取0.1 m/s，對應自轉速度40 r/min，往復振動電機額定轉速380 r/min條件下，進行田間試驗。

采凈率：先統計采摘前果枝上成熟的藍莓果實個數，然后在采摘裝置完成作業后，再統計采摘后果枝上成熟的藍莓果實個數，采凈率的計算如式（17）所示。

式中：

α——采凈率；

n1——采摘前果枝上成熟的藍莓果實個數，顆；

n2——采摘后果枝上成熟的藍莓果實個數，顆。

損傷率試驗方法：先測量采集到的藍莓果實質量m1，然后在測量采集到的有損傷的藍莓果實質量m2，損傷率即為m1/m2。

由于試驗條件的限制，試驗時只針對一壟藍莓灌木進行15次采摘試驗，所以只對上述最優參數進行試驗。

3.2 試驗結果

果柄結合力測試結果如表1所示。采凈率與損傷率試驗結果如表2所示。

綜上所述，結合表1測得的實際采摘加速度346.58 m/s2及上文計算得出的理論采摘加速度361 m/s2可以得到理論加速度值滿足實際采摘加速度需求，在此，成熟藍莓的采凈率可達87.11%，損傷率在6.54%以內，滿足藍莓機械化采摘的硬性指標。

4 結論

1） 本文提出一種兼顧回轉運動的曲柄滑塊機構復合運動挑振方法，借助理論計算與基地種植農藝相結合，設計一款雙動力回轉振動式采收裝置，通過構建挑振復合運動數學模型，為藍莓果實高效無損采摘提供理論依據。

2） 通過對膠棒長度以及膠棒最大撓度進行分析，確定最佳作業參數，利用MATLAB軟件仿真計算出端點運動過程中滿足脫果加速度變化曲線，求解出理論加速度最佳作業區間。

3） 在挑振機構運行的條件下，自轉電機額定轉速40 r/min，往復振動電機額定轉速380 r/min，理論加速度值滿足實際采摘加速度需求，成熟藍莓的采凈率可達87.11%，損傷率在6.54%以內，滿足相關采收機械的采摘指標，該設計模型也為小漿果采收提供理論依據和一定的指導意義。

4） 在現有研究基礎上對藍莓采摘裝置有如下展望，可以大力加強采摘裝置與農藝技術相結合，使藍莓種植更加產業化、標準化；可以向多功能方向發展，爭取實現一機多用，減少種植戶成本投入；可以加強智能化發展，增加路徑、圖像識別，擁有藍莓各成熟度的權重指標，選擇性采摘，可以向人性化方向發展，增強人機交互性，讓操作方法更加簡單，維護成本更加低廉，適用性更加強大。

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