基于负压吸力的便携式苹果采摘装置的设计与试验

马少春，谢瑞培，黄 奇，刘 铭

(中国农业大学 工学院, 北京 100083)

0 引言

2014年，全国苹果栽培面积2 272.20khm2，苹果产量4 292.32万t，占全国水果栽培总面积和总产量的18.37%和15.65%[2]。随着水果种植业的迅速发展，果园机械的市场需求不断提升。果园作业中，采摘作业所用劳动力占整个生产过程的33%～50%[3]。随着人口老龄化的加剧，人工采摘成本不断提高[4]。因此，发展鲜食苹果的机械化收获技术，研究开发苹果采摘机械，对改善人工采摘现状具有重要的意义。

目前，在试验室研究阶段，苹果采摘机械被越来越多地应用于果实收获过程，常用的机械模式为抓取式[5]。其优点在于模拟人工采摘过程，直接接触目标物,确保采摘稳定性；但由于末端执行器的夹持力过大，往往会压伤果实。如何有效避免末端执行器对果实的损伤,实现柔顺抓取,是末端执行器控制的研究重点[6]。针对此问题，本文设计了一种基于负压吸力的便携式苹果采摘装置。该装置通过负压系统实现对果实的稳定夹持，且能作业于柔软易损伤、形状复杂、生长发育程度不一及相互差异很大的果实，具有很强的生产实用性和广泛的应用前景[7]。

1 便携式苹果采摘装置的设计

1.1 总体结构设计

便携式苹果采摘装置如图1所示。工作时，开启离心风机，沿大口径空气管，在壳体前方开口产生负压；调节伸缩杆，靠近目标果实，吸引苹果进入壳体；操纵控制开关，给微型直流电机通电，小齿轮转动带动环形转盘旋转，弧形刀片组的开口随环形转盘的转动不断缩小，完全闭合后切断果柄；苹果通过壳体下方开口落入苹果收集布袋，完成对苹果的采摘和收集。

图1 装置结构示意图

便携式苹果采摘装置的总体结构主要包括负压机构、执行机构和收集机构，其主要部件如表1所示。

表1 机构设计与主要部件

1.2 执行机构设计

执行机构包括圆环刀盘、弧形刀片组、环形转盘、微型直流电机和小齿轮，如图2所示。小齿轮固接在微型直流电机输出轴上，与环形转盘外缘轮齿啮合；弧形刀片组设置在圆环刀盘和环形转盘间，由3片弧形刀片分层排布组成。

1.圆环刀盘 2.弧形刀片组 3.环形转盘

圆环刀盘沿其圆周上设有3个孔，相邻孔之间夹角为120°。环形转盘的内侧沿径向设有3个径向槽，相邻径向槽之间夹角为120°。弧形刀片一端销轴与圆环刀盘上的孔转动连接，另一端销轴于环形转盘径向槽内进行往复直线运动，弧形刀片刀刃相对形成一个大小随其运动变化的开口。为避免弧形刀片两端间隙过大，转动时发生上下蹿动的问题，根据弧形刀片的布置位置，在刀片两端设置不同高度的凸台，如图3所示。

(a) 设有凸台的弧形刀片组

(b) 未设置凸台的弧形刀片组

微型直流电机正转带动小齿轮、环形转盘转动，弧形刀片组开口逐渐缩小，完全闭合后切断果柄；随后，微型直流电机反转，弧形刀片组复位至开口最大，如图4所示。

1.3 收集机构设计

收集机构包括壳体、防护片、苹果收集布袋、伸缩杆和控制开关，如图5所示。壳体前端开口与执行机构连接，壳体后端开口与负压机构连接，壳体下方开口与苹果收集布袋连接。苹果收集布袋根据长度分为短布袋(40cm)、长布袋(60cm)两种，一次可容纳苹果10个/20个。防护片布置在壳体后端开口上，控制开关布置在伸缩杆上，伸缩杆与壳体固连。

(a) 开口闭合正视图 (b) 开口闭合后视图

(c) 开口最大正视图 (d) 开口最大后视图

1.壳体 2.防护片 3.苹果收集布袋 4.伸缩杆 5.控制开关

防护片开有均匀分布的小孔，在保证空气流通顺畅情况下，防止树叶受吸力进入负压机构，保证离心风机的正常工作。苹果收集布袋柔软有张力，在苹果下落时产生阻力，降低下落速度，减小损伤。伸缩杆主要起支撑采摘装置及自由伸缩扩大采摘范围作用。控制开关上设有“闭合”“张开”和“停止”3个按键，“闭合”“张开”键用于控制微型直流电机的正转、反转，带动弧形刀片组开口的缩小、扩大，实现对果柄的切割和弧形刀片组的复位功能;“停止”键用于紧急情况下对微型直流电机的制动。

1.4 负压机构设计

负压机构包括大口径空气管和离心风机，如图6所示。离心风机通过大口径空气管与壳体后端连接，用于将壳体内的空气抽离，使壳体与外界环境形成气压差，对苹果产生吸力。

1.大口径空气管 2.离心风机

2 便携式苹果采摘装置性能试验

2.1 负压吸力试验

试验采用UT363迷你风速仪(优利德科技有限公司，天津，中国)，配合使用离心风机(北京京凯利机电设备有限公司，北京，中国)、大口径空气管及卷尺，测量不同长度大口径空气管开口处空气流速。

根据风压公式得

Wp=P大气压-0.5rv2/g

其中，Wp为风压(kN/m2)；r为空气重度(kN/m3)；v为空气流速(m/s)；g为重力加速度(m/s2)。

试验结果如图7所示。大口径空气管长度为120cm时，测得空气流速最大，即负压值最大。为使采摘过程中， 样机对苹果的负压吸力最大， 对苹果的定

位效果最佳，故在果园采摘试验中选取120cm大口径空气管进行试验，此时开口处负压约为63kPa。

图7 管道长度与风速、负压的关系图

2.2 苹果采摘试验

试验于2016年10月在北京昌平区金果树果业科技中心进行，试验材料为金果树中心培育的富士苹果。

选取生长环境相似(同种果树、相同土壤、给水量、光照等)的成熟期苹果，并编号。启动离心风机至压力达到稳定，在将刀盘贴近目标苹果时开始计时，果实落入苹果收集布袋表明一个切割采摘周期完成，由秒表测定并记录采摘时间，如表2所示。试验根据苹果接收布袋长度及离心风机工作情况分为短袋常压、短袋负压和长袋负压3组，每组重复采摘试验40次。

表2 平均采摘时间

对短袋负压组和短袋常压组采摘时间进行ANOVA方差分析得F=9.03；对短袋负压组和长袋负压组采摘时间进行ANOVA方差分析得F=11.47。查方差表，F0.01(2,80)=7.08。得到结论：短袋负压组试验结果显著优于其他两组，且组间差异显著。

将短袋负压组和长袋负压组采摘下的苹果室温放置24h，对碰撞损伤进行测量，按美国农业部鲜食苹果市场标准，进行评定，如表3所示。

使用短收集布袋收集苹果，果实的损伤少，采摘效果好。苹果损伤统计如表4所示。

表3 苹果损伤标准评定表

表4 苹果损伤统计

3 装置的缺陷及改进

样机采用不锈钢制作，整体质量过重，长时间采摘容易疲劳。考虑除弧形刀片、环形转盘及小齿轮等必要部件外，其他部件采用轻质材料加工，以减小整机质量，降低工作强度。

试验过程中，树叶易随苹果进入壳体，附于防护片上，影响离心风机工作和采摘试验的进行。考虑优化防护片布置位置，对离心风机进行档位控制(采摘时高档位工作，怠机时低档位运转以降低负压值)，促使树叶落入苹果收集布袋中。

苹果收集布袋可容纳苹果数较少。当延长苹果收集布袋长度时，又由于苹果下落时间长，速度快，损伤加剧。考虑优选在苹果下落时能对苹果产生更大阻力，以减少损伤的材料制作苹果收集布袋，在保障苹果采摘质量的前提下，适当增大单次采摘作业量。

4 结论

采用短苹果接收布袋配合离心风机工作进行苹果采摘，平均采摘时间3.19s，与人工采摘耗时相近[1]，明显优于短苹果接收布袋单独进行采摘和采用长苹果接收布袋配合离心风机工作进行采摘的情况。为避免个别数据误差较大，对整体试验结果造成干扰，对短袋负压组和短袋常压组、短袋负压组和长袋负压组试验数据进行ANOVA方差分析，分析结果P<0.01，即3组试验的结果差异显著。可以得出结论：短袋负压情况下，使用样机进行采摘试验，采摘效率满足工作需求，且试验结果具有显著性。

对收获苹果的碰撞损伤情况进行评定，发现使用短苹果接收布袋接收苹果，苹果损伤率较低，达到1级特等品的占85%；使用长苹果接收布袋接受苹果，虽然达到特等品的占100%，但有27.5%处于3级、4级特等品范畴。可以得出结论：在负压情况下，使用短苹果收集布袋接收苹果，能更有效地保障苹果质量。

虽然，目前样机在采摘效率上较人工采摘没有太大优势，但相信随着装置结构和工艺的不断改进，采摘效率将逐步提高，损伤情况将逐步降低。下一步的研究可从装置材料优化着手，保证必要部件强度，降低整体质量，优选材料制作苹果收集布袋，使这一设计真正达到结构简单、使用方便、达到适用于辅助人工采摘、降低劳动强度和成本及保障苹果质量的目的。