氣吸梳刷式枸杞采摘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李樹(shù)森 李昱瑩 趙慶同

摘 要：用便捷高效的機(jī)械收獲來(lái)替代繁重低效的人工采摘非常有必要。首先，確定采摘機(jī)合適自由度，依據(jù)典型果樹(shù)輪廓確定機(jī)械臂結(jié)構(gòu)；其次，繪制采摘機(jī)械手臂零件圖、裝配圖；最后，建立模擬樣機(jī)，并對(duì)其樣機(jī)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，為大規(guī)模生產(chǎn)提供技術(shù)支持，起到配合生產(chǎn)線(xiàn)的工作節(jié)拍、完成高效率收集果實(shí)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)；氣吸梳刷式；枸杞；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0028-02

Abstract： The artificial collection of lycium barbarum is more difficult， and the efficiency is low， the cost is relatively high. Therefore， it is necessary to replace heavy and inefficient manual harvesting with convenient and efficient mechanical harvest. First， determine the appropriate degree of freedom of the picking machine， according to the outline of typical fruit trees to determine the structure of the manipulator； secondly， draw the parts of the picking arm， assembly drawings； finally， establish a simulated prototype， and the prototype of the demonstration experiment， provide technical support for mass production， and work with the production line to achieve the goal of efficient fruit collection.

Keywords： picking machine； suction brush type； lycium barbarum； structure design

1 概述

水果生產(chǎn)過(guò)程中，采摘是最耗時(shí)和最費(fèi)力的環(huán)節(jié)之一，需要投入的勞動(dòng)力約占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的40%[1]。目前，美國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)和日本等國(guó)家已取得了一些研究成果[2]。我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究水果蔬菜類(lèi)的采摘機(jī)械，有西紅柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘機(jī)器人等[3-5]。目前，各個(gè)大學(xué)對(duì)采摘機(jī)器人的研究也有一定成就：如上海交通大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始研制了黃瓜采摘機(jī)器人[6]，浙江大學(xué)已經(jīng)對(duì)番茄采摘機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究了采摘機(jī)器人的視覺(jué)識(shí)別裝置[8]。枸杞為我國(guó)特產(chǎn)藥材，近幾年更是受到外國(guó)友人的追捧。隨著需求量的增大，用便捷高效的機(jī)械收獲來(lái)替代繁重低效的人工采摘非常有必要。市場(chǎng)現(xiàn)有的枸杞收獲機(jī)多為振動(dòng)式，不僅采凈率較低，含雜率較大，且對(duì)枸杞第二年的掛果率有較大的影響[9]。

2 氣吸梳刷式枸杞采摘機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 初步構(gòu)思

本文設(shè)計(jì)的氣吸梳刷式枸杞采摘機(jī)由行走裝置、機(jī)械臂、梳刷式采摘末端執(zhí)行器、控制系統(tǒng)、篩選收集裝置等組成。初步構(gòu)思簡(jiǎn)圖如圖1、圖2所示：通過(guò)接收機(jī)裝置和機(jī)械臂將梳刷式采摘末端執(zhí)行器調(diào)至合適位置，梳刷工作頭和樹(shù)枝產(chǎn)生逆向運(yùn)動(dòng)，將果柄水平的成熟果實(shí)摘下，在引風(fēng)機(jī)的作用下，氣吸收集入袋。

2.2 工作過(guò)程

其工作過(guò)程為：接通電源，控制機(jī)械臂到指定位置，將樹(shù)枝夾入兩逆向旋轉(zhuǎn)的梳刷工作頭之間，電瓶提供的動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)至梳刷式采摘末端執(zhí)行器并經(jīng)遙控后在枝條上移動(dòng)，引風(fēng)機(jī)抽吸風(fēng)將果柄由下垂?fàn)钭優(yōu)樗綘?，?dāng)枝條通過(guò)兩逆向轉(zhuǎn)動(dòng)梳刷工作頭時(shí)，工作頭與其產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由梳齒將果實(shí)摘下，將成熟果實(shí)從果柄摘落進(jìn)入軟管，隨著梳刷采摘器位置不停地移動(dòng)，果實(shí)連續(xù)不斷地從枝條梳摘。掉入篩選收集裝置中的果實(shí)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾，將少量的樹(shù)葉等雜質(zhì)分離。

3 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新點(diǎn)與設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

不同于其他果蔬采摘情況，枸杞具有一定柔軟性，同一果樹(shù)上發(fā)育程度不同，枸杞采摘機(jī)沒(méi)有自主判斷能力，在采摘過(guò)程中要避免傷到果樹(shù)及枸杞果實(shí)有一定難度。并且，枸杞生長(zhǎng)環(huán)境隨時(shí)間和季節(jié)變化較大，采摘機(jī)作業(yè)環(huán)境也具有多變性。因此，采摘機(jī)的末端執(zhí)行器選用梳刷式，要求找到適當(dāng)?shù)氖崴⒘ΓＷC其既能區(qū)分果實(shí)成熟度，又不會(huì)對(duì)成熟果實(shí)造成破壞，盡量做到將采摘機(jī)小型化、簡(jiǎn)便化。

3.2 末端執(zhí)行器與機(jī)械臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于以上創(chuàng)新點(diǎn)，對(duì)初步設(shè)想的末端執(zhí)行器進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)化與改進(jìn)，示意圖見(jiàn)圖3所示：選用梳齒的間距小于枸杞的直徑，采摘梳齒采用柔性材料，防止梳齒損傷成熟果實(shí)果皮，輸送袋和果葉分篩器也采用柔性材料，防止枸杞收集過(guò)程中與輸送袋相互摩擦損傷表皮。末端工作頭采用的氣吸式梳刷，通過(guò)調(diào)整風(fēng)力，保證其滿(mǎn)足既可以使果柄水平、不會(huì)二次卷入梳刷中損壞果實(shí)、效率提高，又可以起到收集摘落果實(shí)的作用。

首先用 SolidWorks軟件對(duì)采摘機(jī)各個(gè)零件進(jìn)行繪制，然后再對(duì)零件進(jìn)行自下而上的裝配，以及進(jìn)行裝配圖的繪制，零件及裝配體示意圖如圖4-5所示。經(jīng)靜力學(xué)仿真模擬，考慮到零件強(qiáng)度和工作平穩(wěn)性，將機(jī)械臂中置，調(diào)整車(chē)輛重心。

4 氣吸梳刷式枸杞采摘機(jī)模擬試驗(yàn)

根據(jù)零件圖及裝配圖進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)搭建。結(jié)果表明：氣吸梳刷式枸杞采摘機(jī)能夠較為平穩(wěn)、準(zhǔn)確地對(duì)枸杞果實(shí)進(jìn)行采摘、清選、收集等任務(wù)。證明設(shè)計(jì)合理，樣機(jī)搭建正確。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)梳刷式采摘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，完成全套零件圖、裝配圖，并對(duì)其樣機(jī)進(jìn)行控制和演示實(shí)驗(yàn)，為大規(guī)模生產(chǎn)提供技術(shù)支持，起到配合生產(chǎn)線(xiàn)的工作節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)高效率收集果實(shí)的目標(biāo)，節(jié)省人力物力，提高生產(chǎn)效率。但樣機(jī)設(shè)計(jì)仍有一定不足，若應(yīng)用到實(shí)際生活中，還需一些改進(jìn)，提高其靈活性和適應(yīng)性。

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