搖枝式油茶果采摘裝置作業過程分析與試驗

伍德林，李 超，曹成茂，范二波，汪 奇

搖枝式油茶果采摘裝置作業過程分析與試驗

伍德林，李 超，曹成茂，范二波，汪 奇

（安徽農業大學工學院，合肥 230036）

為了解決油茶果機械化采摘漏采率高、損傷率大和耗能過大的問題，針對搖枝式油茶果采摘裝置，該文通過對油茶果振動脫落過程的分析，建立油茶果振動脫落模型并求解，得出影響油茶果脫落的主要因素為作用在枝條上的外力的振幅、頻率、作用時間以和夾持位置，并通過預試驗和正交試驗得到搖枝式油茶果采摘裝置的作業參數范圍及漏采率最低情況下的作業參數組合。利用高速攝像對油茶果振動脫落過程進行記錄，然后回放錄像并分析，以油茶果脫落時間作為評價指標，得出采摘效率較高的振動頻率、振幅范圍為6～10 Hz和20～40 mm，根據平均落果時間范圍確定采摘裝置的振動作用時間約為4～12 s。根據油茶果在樹上的主要分布范圍（距離樹冠表層260 mm左右），設計四因素三水平正交油茶果采摘試驗，得出漏采率最低的作業參數組合為振動夾持位置在距離樹梢末端260 mm以內、振動頻率10 Hz、振幅20 mm、振動時間8 s，此時油茶果的漏采率為10.87%，花苞損傷率為31.80%。機械夾持方式和鐵質的夾持材料對花苞損傷較大，需進一步優化采摘裝置作業參數，優化夾持方式和采用柔軟的夾持材料，實現油茶果的機械采摘。

農業機械；收獲；試驗；油茶果；采摘裝置；高速攝像；運動分析

0 引 言

油茶屬于山茶科植物，生長于干旱、貧瘠丘陵地域，是我國特有的木本油料樹種，被世界糧農組織優選的健康食用油原料[1]；具有不占用耕地、一次種植多年收益等優點；對中國乃至世界的食用植物油有著不可替代的貢獻[2]。油茶樹主干不明顯、樹枝密集、樹高和冠形各異、花蕾果實交織、果形果色不一，目前收獲方式以人工采收為主[3]。目前機械采摘存在漏采率高，損傷率大，耗能高的問題[4]，為了解決上述問題，考慮一種搖枝式油茶果采摘裝置。

目前果實機械化采收主要有2種方式[5]：接觸式和振動式。西紅柿、葡萄等要求高的鮮果類主要采用接觸式采收；白果、核桃、板栗等堅果類主要采用振動式采收。Blanco等[6]采用振動機械對油橄欖進行了采收研究，發現以不同振動頻率進行分批采收的策略可以明顯提高采收率；Fu等[7]基于高速攝像技術對藍莓的采收進行了拍攝，經過計算、分析，確定了最優的振動速度和時間；Zhou等[8]用高速相機拍攝了櫻桃脫落過程的位移軌跡，分析了振動頻率對果實脫落速度和損傷的影響。蔡菲等[9]基于高速攝像機對果實振動落果進行了試驗，發現果實脫落需要的最小作用力即是脫落的慣性力，由此可為振動式機械提供激振力理論參數。王長勤等[10]發現合適的振動頻率可實現高效的采收率。本文通過對油茶果振動模型的建立與求解，得出油茶果脫落主要影響因素，將主要影響因素轉化為搖枝式油茶果采摘裝置作業參數，通過預試驗得到搖枝式油茶果采摘裝置作業參數大致范圍，通過正交試驗得到漏采率最低的作業參數組合，為實現揺枝式油茶果采摘提供參考，以減小振動采摘過程對樹體的損傷，降低采摘油茶果過程的漏采率，實現高效率采收，為油茶機械化采摘裝置的研制提供思路。

1 油茶果受迫振動脫落主要影響因素研究

1.1 油茶果受迫振動分離原理

油茶樹枝在周期外力的持續作用下產生受迫振動，振動由樹枝傳遞到油茶果，油茶果在振動下產生相對于樹枝的運動加速度，運動加速度在油茶果上產生慣性力，隨著運動加速度的增大，慣性力也隨之增大，當作用在油茶果上的慣性力大于油茶果-枝條結合力時，油茶果便和枝條脫離[11]。

1.2 油茶果受迫振動動力模型

在研究動力學時，為了簡化，通常會把果實分為有柄果實（例如櫻桃、梨、蘋果等）和無柄果實（例如柑橘、核桃、桃子等）[12]。有柄果實的動力學分析需要考慮果柄長度，無柄果的果柄長度一般忽略不計。油茶果的果柄長度為3～5 mm，油茶果直徑為30～50 mm，因此可以將其看作無柄果實，忽略果柄和果實連接點的黏性阻尼、果柄質量以及果柄長度[13]。建立油茶果運動模型如圖1所示。

注：A為油茶果與枝條連接點；θ為油茶果-枝條連接點與油茶果質心連線與垂直方向夾角，(°)；αt為油茶果相對于枝條的切向加速度，m·s-2；αn為油茶果相對于枝條的法向加速度，m·s-2；Ft為油茶果的切向力，N；Fn為油茶果的法向力，N；R為油茶果半徑，m；X、Y為坐標軸。

根據油茶果運動模型和動能定理可知，油茶果相對于枝條的動能T為

根據油茶果運動模型和勢能定理可知，油茶果的勢能V為

式（1）～（2）中為油茶果-果柄連接點的等效彈性系數；為油茶果質量，g；I為油茶果轉動慣量，kg·m2；為重力加速度，m/s2；為時間，s。

根據朗格朗日函數[14]可得拉格朗日量為

以拉格朗日方程表示為

將式（3）代入式（4）得到油茶果的振動微分方程：

振動時，油茶果在與枝條連接點處受到的法向力F和切向力和F為

油茶果在與枝條連接點處受到的合力F為

1.3 果樹振動系統分析

周期性外力持續作用在油茶樹枝條上，其振動模型可簡化為圖2。

周期性外力可表示為

式中為外力的振幅，N；為外力的施加頻率，Hz。

注：為周期性外力；為枝條的阻尼系數，N·s·m-1；為枝條的彈性系數，N·m-1。

Note:is the periodic external force;is the damping coefficient of the branches;is the elastic coefficient of the branches, N·m-1.

圖2 周期性外力對枝條的振動作用模型

Fig.2 Model of vibration action of periodic external force on branches

以外力的作用方向為軸，其垂直方向作為軸建立坐標系，則枝條振動產生的慣性力1為

枝條產生的彈力f為

f=（12）

枝條受到的阻尼力f為

式（11）～（13）中1為枝條的等效質量，kg；為枝條在軸方向的位移，m。

根據振動時慣性力、阻尼力、彈力和外力的瞬間合力為0可得：

將式（14）寫成枝條的振動微分方程一般形式：

則枝條偏離中心的最大位移為

枝條在方向的振動位移為

=sint（17）

由于方向的位移幅度很小，為了簡化運動模型，本文僅考慮方向的運動。

枝條受到周期性外力作用受迫振動后，將振動傳遞給油茶果，在不考慮果實相對樹枝的運動時，油茶果的振運動規律與枝條一致[16]，即油茶果的振動位移y為

y=sint（18）

一根枝條上往往有多個油茶果，為了簡化方程，將每個油茶果的運動規律看成相等，枝條上油茶果總重量為∑，考慮油茶果相對枝條的運動，根據動能定理可得：

式中E為外力輸出能量，J；E為彈性力消耗的能量，J；E為阻尼力消耗的能量，J。

將式（16）~式（18）帶入式（19），解得：

對式（21）求導得：

1.4 油茶果振動脫落的主要影響因素

油茶果能否成功脫落主要由受迫運動過程中所受的合力大小決定[15]。油茶果受到的合力越大，越容易脫落，根據式（9）、式（20）和式（21）可知，油茶果受迫運動過程中所受到的合力F為

根據上式可知，外力的振幅和頻率越大，油茶果所受合力F越大，油茶果越容易脫落；外力作用位置離油茶果越近，能量傳遞過程中損失越小，越大，油茶果所受合力F越大，油茶果越容易脫落；作用時間越長，外力輸出能量E越大，F越大，油茶果越容易脫落。但掛有油茶果的枝條一般在樹枝末梢，枝條較細，振幅、頻率過大、作用時間過長、作用位置離油茶果過近會導致枝條折斷[17]，在實際采收過程中，外力過大，還會對樹體、花、葉損傷過大，因此要選擇合適的外力振幅、頻率、作用時間和作用位置，以提高工作效率、采凈率和減小花苞損傷率。

2 油茶果振動脫落試驗

油茶果振動脫落時間是衡量采摘效率的重要因素，振動脫落時間越短，采摘效率越高。通過油茶果的振動脫落時間來衡量不同振幅、頻率下外力作用的采摘效率，驗證揺枝式采摘的可行性為揺枝式油茶果采摘裝置設計提供參考和進一步作業參數優化提供依據。

2.1 試驗方法

根據預試驗，當激振器頻率小于5 Hz時，若枝條振幅小于15 mm，油茶果很難脫落。當激振器頻率大于12 Hz、枝條振幅大于50 mm時，枝條損傷過大。因此選擇激振器頻率為6、8和10 Hz，枝條振幅為20、30和40 mm進行試驗。選擇9棵長勢良好、成熟適中的5 a樹齡以上的湘林56號油茶樹為試驗對象。為避免干擾，每棵樹上選取3根相距較遠的枝條，每棵樹上的3根枝條編號連續，第1棵樹為1、2、3，第2棵樹為4、5、6，以此類推，試驗時，同一棵樹上3根枝條的外力頻率和振幅中有一項是一致的，以保證試驗的準確性。除去油茶樹周圍雜草，修剪妨礙拍攝的枝條，將高速攝像放置平坦地點，調整相機高度、角度至合適的位置固定（如圖3），根據現場情況調整調焦距、光圈，在手持控制端設置相機參數[18-19]，采用高幀率拍攝模式進行油茶果的脫落運動過程拍攝，選擇合適的像素，保證手持控制端圖像清晰以及全部油茶果的脫落運動過程都能被捕捉到。

圖3 高速攝像機拍攝位置

使用激振裝置提供不同幅度、頻率的外力作用在試驗樹枝上，使用高速攝像記錄油茶果脫落過程。使用i-SPEED Control Pro軟件對記錄的圖像進行回放、分析，得出不同振幅、頻率的外力作用下油茶果振動脫落時間，試驗前統計枝條上油茶果個數，試驗結束后統計采摘的油茶果平均質量。

2.2 激振裝置結構

裝置依靠激振機構產生外力從而使油茶果脫落。激振裝置由固定架（長400 mm，寬200 mm）、電機（額定功率0.37 kW）、偏心圓盤（直徑100 mm，偏心距20、30和40mm處各有一圓孔）、連桿（長200 mm）、動齒（長210 mm，寬130 mm，厚25 mm）、定齒（長180 mm，寬165 mm，高180 mm）、液壓缸（缸徑32 mm，桿徑16 mm，行程50 mm）等組成，其總體結構如圖4所示。激振機構以曲柄滑塊機構為依托，動齒和定齒組成夾持機構，偏心圓盤由電機驅動，帶動連桿運動，連桿帶動夾持機構在固定板的滑槽中往復運動，通過變頻器控制電機轉速制偏心圓盤轉速改變激振機構的振動頻率。

1.定齒 2.固定架 3.連桿 4.偏心圓盤 5.電機 6.液壓缸 7.動齒

2.3 試驗結果與分析

對油茶果的脫落過程回放，觀察并記錄油茶果脫落時間，統計結果如表1所示。

表1 不同振幅和頻率下油茶果的平均脫落時間

由表1可知，相同振幅下，隨著振動頻率的增加，油茶果的平均脫落時間縮短，采摘效率增大；相同頻率下，隨著振幅的增加，油茶果的平均脫落時間縮短，采摘效率增大。若不考慮對枝、葉、花的損傷以及振動夾持位置，采摘裝置應盡可能提供高頻高振幅的外力。設計采摘裝置時，既要保證油茶果的脫落效率，又要考慮對枝、葉、花的損傷，因此油茶果采摘裝置設計時應該滿足振動頻率在6～10 Hz間可調，振幅在20～40 mm間可調。由表1可知，此時油茶果的平均脫落時間約為4～12 s，因此確立采摘時的振動作用時間為4～12 s。根據油茶果主要分布在距樹冠表層260 mm左右，振動夾持位置應在距離樹梢末端260 mm以內。

3 油茶果采摘裝置作業參數優化

將圖4中的激振裝置作為末端執行器，結合機械臂和行走裝置，試制頻率0~10 Hz、振幅20～50 mm的搖枝式油茶采摘裝置。油茶樹成熟期一般在10月下旬和11月上旬[20]，于2018年10月30日－11月2日油茶果成熟適采期，選取湖南祁東縣奇林油茶合作社的油茶林中9棵成熟期的湘林56號油茶果樹，從每棵樹中選取3根物理狀態相當、掛果量和花苞數相近的冠層樹枝作為采摘對象，做好標記，統計枝條上的總掛果量1和花苞數2。每種工況下采摘試驗3次，試驗結束后，統計枝條上剩余的油茶果數3和花苞數4，做好記錄。

3.1 工作原理

揺枝式油茶果機械采摘裝置通過機電液控制采摘臂運動，使其末端的執行器移動到合適的位置，以便夾持冠層樹枝；然后由動齒和定齒組成夾持機構將結有油茶果的冠層枝條夾緊；最后電機和偏向圓盤組成的激振機構產主激振經由夾持機構傳遞至枝條，枝條受迫振動，果樹上的油茶果則跟隨枝條做往復運動。根據牛頓第二定律，油茶果運動時的加速度使油茶果受到合力，當合力大于結合力的時候，油茶果掉落，實現采摘。

3.2 正交試驗因素及水平確定

綜合前文分析可知，對油茶果采摘效果影響最大的因素為振動夾持位置、振動頻率、振動幅度和振動時間，因此以油茶果漏采率和花苞損傷率作為試驗指標進行四因素三水平的正交油茶果采摘試驗，以獲得最佳的參數組合，從而實現最大采摘率和不影響來年座果率的花苞損傷率。因大部分油茶果集中在樹冠表層260 mm左右，因此選擇振動夾持位置在距離樹梢末端0～260 mm為一個水平，以100 mm遞增，260～360 mm作為一個水平，360～460 mm作為一個水平。根據不同振幅、頻率下油茶果平均脫落時間試驗結果，確定振動頻率水平為6、8和10 Hz，振動幅度水平為20、30和40 mm，振動作用時間水平為4、8和12 s。試驗因素和水平表如表2所示。

3.3 正交試驗結果與分析

漏采率是評價機械采摘效果的重要指標之一[21]。因此該文以油茶果漏采率為本次主要的性能衡量指標，花苞損傷率作為次要指標。各指標計算如下：

漏采率1為

1=3/1×100%（23）

花苞損傷率2為

2=(24)/2×100%（24）

正交試驗結果如表3所示。

表2 油茶果采摘正交試驗因素水平表

通過對表3正交試驗結果中極差的大小可知，振動夾持位置的極差最大，對采摘油茶果漏采率影響最大，其次是振動頻率和振動幅度，振動時間影響最小。試驗7的漏采率最低，即振動夾持位置0～260 mm、振動頻率10 Hz，振幅20 mm、振動時間8 s，此時油茶果漏采率為10.87%，花苞的損傷率為31.80%。根據前期調研，人工采摘的花苞損傷率在30%左右。機械采摘對花苞的損傷一般高于人工采摘，所以初步認為本文裝置31.80%的花苞損傷率略高于人工采摘，設計方案基本可行。振動效率是機械化采摘的重要評價指標之一[22]。本文采摘裝置采摘一根枝條作業時間為8 s，完成整根樹枝的采摘時間大概需要30 s，油茶樹主枝一般為5～10根，完成整棵樹采摘需要夾持振動作業5～10次，耗時大概150～300 s。人工采摘一個油茶果平均耗時1 s，一棵油茶樹大概有300～500個果，完成整棵樹的采摘大概需300～500 s，本文采摘裝置的采摘效率高于人工采摘。

該裝置目前處于試驗階段，對實現油茶果機械化采摘仍有一定差距，花苞損傷率仍然較高，需進一步優化采摘裝置結構和作業參數，優化振動夾持方式，采用柔軟夾持材料，優化機電液控制系統縮短準備時間，優化采摘裝置結構達到一次夾持多個枝條振動等，以提高采摘效率，減小振動采摘過程對樹體的損傷，降低采摘油茶果過程的漏采率和花苞損傷率，實現高效率采收。

表3 正交試驗結果

4 結 論

1）通過對油茶果振動脫落過程分析，得出油茶果的 成功脫落與作用在枝條上的外力的振幅、振動頻率、振動時間以及振動夾持位置有關。

2）油茶果振動脫落試驗表明，相同振幅下，隨著振動頻率的增加，油茶果的平均脫落時間縮短；相同頻率下，隨著振幅的增加，油茶果的平均脫落時間縮短；油茶果平均脫落時間約為4～12 s；較為合適的采摘作業參數為：作用在枝條上的外力振動頻率約為6～10 Hz，振幅約為20～40 mm，振動夾持位置距離樹冠表層0～260 mm。

3）正交試驗結果表明，揺枝式油茶果采摘裝置振動的振動夾持位置對漏采率影響最大，其次是振動頻率和振動幅度，振動時間影響最小。振動夾持位置距樹冠表層0～260 mm、振動頻率10 Hz、振幅20 mm、振動時間8 s的作業參數組合下，油茶果的漏采率最低，為10.87%，此時花苞損傷率為31.80%。

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Analysis and experiment of the operation process of branch-shaking type camellia oleifera fruit picking device

Wu Delin, Li Chao, Cao Chengmao, Fan Erbo, Wang Qi

(,230036,)

A dynamic model and Lagrange equation of forced vibration of camellia oleifera were established for the fruit picking machine with a shaking branch mode according to the theory of forced vibration separation. The equation of inertia force for camellia oleifera fruit was also obtained by solving the governing equation. In dynamic analysis of the equation, main factors affecting the vibration of camellia oleifera can be obtained, including the vibration amplitude, frequency, action time and clamping position of the excitation force. A high speed camera was used to record the vibration shedding process of camellia oleifera fruit. The results showed that the average shedding time of fruit decreases with the increase of vibration frequency under the same amplitude. At the same frequency, the average time of fruit shedding decreased with the increase of amplitude. The picking efficiency was better when the frequency was about 6-10 Hz and the amplitude was about 20-40 mm. The average shedding time of fruit was about 4-12 s. An integrated electromechanical and hydraulic picking device of camellia oleifera fruit was designed with the frequency between 0 and 10 Hz, and the amplitude adjustable from 20 to 40 mm. A three-level orthogonal experiment for fruit picking was designed based on four factors: dynamic amplitude, frequency, action time and vibration position. According to the fact that most camellia oleifera fruits are concentrated at a distance of about 260 mm from the tree top, the height of 0-260 mm was selected as a factor level of clamping position, with an increase of 100 mm, and 260-360 and 360-460 mm were set as the other two test levels. According to the falling time of camellia oleifera fruits under different amplitudes and frequencies, the vibration frequency was selected as 6, 8 and 10 Hz, and the vibration amplitude was selected as 20, 30 and 40 mm. Since the average shedding time of camellia oleifera was between 4-12 s, the vibration time 4, 8 and 12 s were selected. The mature period of camellia oleifera fruit is generally in late October and early November. From October 30 to November 2, 2018, during the mature and suitable period of camellia oleifera fruit, 9 camellia oleifera trees of Xianglin No. 56 in the camellia oleifera forest of Qidong County, Hunan Province were selected, and 3 canopy branches with the same physical state and similar fruits amount and flower buds were selected as the picking objects, to mark and count the total fruits and flower buds on the branches. At the end of the experiment, the remaining number of camellia oleifera fruits and damaged buds were counted and recorded. The results showed that the holding lamping position of the end-effector had the greatest influence on the picking effect, while the vibration time has the least influence. The optimal picking parameters was that the clamping position was 0-260 mm from the treetop, the vibration frequency was 10 Hz, the amplitude was 20 mm, the vibration time was 8 s, under this condition, the leakage rate of fruits was the lowest (10.87%), the bud damage rate was 31.80%. Since the damage rate of flower bud was relatively large, the machine should be further improved.

agricultural machinery; harvesting; test; camellia oleifera fruit; picking device; high speed camera; kinematic analysis

伍德林，李超，曹成茂，等. 搖枝式油茶果采摘裝置作業過程分析與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(10)：56-62.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.007 http://www.tcsae.org

Wu Delin, Li Chao, Cao Chengmao, et al. Analysis and experiment of the operation process of branch-shaking type camellia oleifera fruit picking device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 56-62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.007 http://www.tcsae.org

2019-12-23

2020-04-09

國家重點研發計劃油茶籽機械化收獲關鍵技術與裝備研究（2016YFD0702105）

伍德林，副教授，研究方向為現代農業裝備與技術。Email：wudelin@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.007

S225.93

A

1002-6819(2020)-10-0056-07