小型水果多功能采收裝置設計與試驗*

孔德剛，江達，江東博，弋景剛，孫立成，王鵬飛

(1. 河北農業大學機電工程學院,河北保定,071001; 2. 河北農業大學現代科技學院,河北保定,071001)

0 引言

我國是農業大國,發展農業機械對提高農業生產效率、增加農民收入等具有重要意義[1-2]。其中小型水果產量大,形狀一般為類橢球狀,如冬棗、草莓、桂圓、金桔、楊梅、李子、圣女果、杏等,采收工作是整個生產鏈最耗時、費力的環節[3-4]。采收工作存在單體數量多、效率低、登高采收危險系數大、機械化水平低的問題[5-6]。因此,急需設計一種小型水果采收裝置以提高我國農業機具機械化程度[7-9]。

挪威生命科學大學與Noronn公司研發的采摘機器人[10-11],通過包裹切割式末端執行器將果梗剪斷,并吸入收集果實;美國加州柑橘研究委員會和華盛頓蘋果委員會合作研發的水果采摘機器人依靠液壓技術和數字成像,使機械手臂具有近似人手的靈敏度,可檢測果實位置及果實成熟度并完成優質果實采摘。張振亞[12]使用固定帶固定在棗樹上,通過電機帶動棗樹振動,使冬棗掉落;河北農業大學研發的剛柔混聯采摘機械手,利用柔順機構的彈性變形輸出運動和力,增加運動的靈活性,完成果實包絡夾持,驅動裝置驅動機械手動作扭斷果梗,完成采摘。

為解決小型水果采收工作存在效率低、危險系數大、采收分級工作繁瑣、機械化水平低等問題,本文仿人手采摘設計梳齒采摘爪結構進行果實采摘;采用對轉橡膠輥進行枝葉分離;利用同步帶之間不同間距進行果實分級,并對不同梳齒采摘爪間距、枝葉分離對輥轉速、分級皮帶轉速進行單因素試驗和響應面分析,以確定裝置采收最佳工作參數。

1 小型水果多功能采收裝置工作機理

本文設計的小型水果多功能采收裝置由采摘部分、輸送部分、分級部分組成,實現小型水果邊采摘邊收集工作,且在采收同時,實現小型水果枝葉分離、分級工作,采收者只需手持伸縮桿即可完成采收工作,提高工作效率且保證采收工作者人身安全。綜合考慮小型水果多功能采收裝置的工作要求及效率等問題,確定主要技術參數如表1所示。小型水果多功能采收裝置整體結構如圖1所示。

圖1 小型水果采收裝置整體結構圖

表1 主要技術參數表Tab. 1 Main technical parameters

2 關鍵部件設計

2.1 采摘部分

采摘部分主要由梳齒采摘爪、V形枝葉分離對輥、伸縮桿組成。梳齒采摘爪仿人手設計,分為帶孔尼龍棒軸和梳齒爪兩部分。采摘作業時,梳齒爪做旋轉運動,旋轉到帶有小型水果的樹枝后,樹枝通過梳齒采摘爪間隙,果實被卡住,進而將果實采摘下來。V形枝葉分離對輥以尼龍棒材料為軸,軸外包裹橡膠用以保證小型水果不受傷害。上輥與下輥外圓相切布置,當梳齒采摘爪完成采摘工作時,部分小型水果帶有一定枝葉,在V形橡膠對輥的相對轉動下將枝葉帶入兩輥之間,果實留在V形區域內,實現了果實和枝葉分離。伸縮桿布置在采摘部分底部,用于采摘者手持使梳齒采摘爪靠近小型水果果實。采摘部分結構如圖2所示。

圖2 采摘部分結構圖

2.1.1 梳齒采摘爪

通過對小型水果中典型的桂圓、金桔、冬棗、楊梅、李子、圣女果進行尺寸測量,得到小型水果果實直徑為20～30 mm,果實高度為20～40 mm,為保證梳齒采摘爪在采摘過程中不劃傷水果,且采摘過程中能將果實卡住,本文設計的梳齒采摘爪爪長為50 mm。為實現仿人手采摘,設計梳齒爪爪端弧形角度為130°。

考慮到電機工作場景為帶動梳齒采摘爪轉動將小型水果果實采摘下來,不需要梳齒采摘爪產生較大采摘力,裝置整體由電池電源提供動力,額定電壓在3～12 V,因此選用小功率直流減速電機,初選電機轉速為100 r/min。

通過查閱文獻可知[13],小型水果采摘分離力平均大小為9.435 N,采摘過程中果實距梳齒采摘爪軸最大距離為40 mm,梳齒采摘爪完成采摘工作所需轉矩

M=F×r

式中:F——果實采摘分離力;

r——果實距梳齒采摘爪軸最大距離。

代入數據可得采摘所需扭矩M為0.377 4 N·m。

所需電機角速度

式中:n——電機轉速;

T——運動周期。

代入數據可得電機角速度ω為10.467 rad/s。

電機功率計算公式為

P=M×ω

代入數據可得電機功率P為3.95 W。

因此選用ZGB37RG直流電機,額定電壓為12 V,額定轉速為100 r/min,額定功率為10 W。

2.1.2 V形枝葉分離對輥

V形枝葉分離對輥的設計要保證不損傷果實的前提下將枝葉帶入V形區域兩側上下兩輥之間,實現枝葉與果實分離,V形區域兩側上下兩輥外圓為相切,且枝葉分離對輥外層為橡膠材質,避免在枝葉分離時對果實產生損傷,V形枝葉分離對輥布置方式如圖3所示。

圖3 枝葉分離對輥結構圖

小型水果果實枝葉分離力與采摘分離力大小相同,V形枝葉分離對輥直徑為20 mm,由上述公式可得出所需電機轉矩M1為0.188 7 N,因此V形枝葉分離對輥電機可選用與梳齒采摘爪電機同型號的ZGB37RG直流電機。

2.2 輸送部分

輸送部分用于將小型水果輸送到分級部分入口,輸送部分選材為食品級輸送網袋,減少人工對小型水果的收集工作,縮短小型水果采摘作業時間提高工作效率。為避免果實輸送過程中出現堵塞情況,通過對不同種類小型水果周向尺寸和軸向尺寸進行測量,最終確定輸送部分接口內徑為50 mm。

2.3 分級部分

目前小型水果分級工作一般是通過板篩分級,但這種方式對于電機性能要求比較高,且不斷震動的板篩會產生震動和噪聲。本文設計的小型水果分級部分根據皮帶間不同距離對不同大小果實分級,考慮到工作狀況及電源電壓,皮帶轉動動力由與上述同型號ZGB37RG直流電機提供,不同層皮帶由同步帶帶動保證同步傳動。小型水果進入分級部分后,由減速毛刷對小型水果減速,再由不同間距的分級皮帶進行分級。不同大小的小型水果按級別進入相應果實收集箱,實現分級收集工作。分級部分結構如圖4所示。

圖4 分級部分結構圖

2.3.1 小型水果生物學數據分析

以試驗樣本冬棗為例,對各個特征進行統計,通過Excel進行數據統計描述,統計結果如表2所示。

表2 冬棗特征統計Tab. 2 Statistics of various characteristics of winter jujube

對冬棗各個特征值進行相關性分析,通過SPSSAU軟件得到相關性分析如表3所示,可以看出,各個特征值均為正相關且為顯著水平,表明試驗特征值的相關性分析的實際意義,形態特征因素和果實重量的相關性大小排序為:果實直徑>果實高度,從而表明果實直徑對果實質量的影響最大,確定果實直徑為分級工作的重要參數。

表3 各個特征值的相關性Tab. 3 Correlation of each eigenvalue

2.3.2 分級等級的確定

為確定小型水果重量隨果實直徑的變化趨勢,采用SPSS軟件中曲線估計功能對曲線趨勢進行預測,通過初步估計,選用以下模型進行分析。

線性模型為y=b0+b1x+ε

二次曲線模型為y=b0+b1x+b2x2+ε

三次曲線模型為y=b0+b1x+b2x2+b3x3+ε

指數曲線模型為y=b0eb1x+ε

對數曲線模型為y=b0+b1lnx+ε

式中:x——小型水果直徑;

y——果實重量;

bi——回歸系數;

ε——隨機變量。

在SPSS軟件中,以小型水果果實直徑為自變量,以果實重量為因變量,在模型選項中勾選以上五種模型,通過軟件分析建立小型水果果實直徑與果實重量的回歸模型為

y=-38.5+1.362x+ε

由回歸模型可知,果實直徑較大,則果實重量較重,即按果實直徑進行分級合理,回歸模型的建立對進一步研究小型水果分級部分關鍵部件提供理論支撐。

對于小型水果的分級工作標準,通過查閱文獻資料發現目前國內外還沒有制定出一套通用的標準和規定。通過比較其他林果的分級工作,其他林果的分級標準可以是單個果實的直徑、高度、重量或新鮮程度等?？紤]到小型水果的形態特征和尺寸大小,果實直徑對小型水果的重量影響最大,因此選用果實直徑作為分級標準,規定分級標準如表4所示。

表4 小型水果分級標準Tab. 4 Classification standards for small fruits

2.4 電氣控制系統

因需對采收裝置不同工作參數進行試驗確定,所以要求所選電機可進行無級調速,同時為使裝置整體結構緊湊,方便移動,采用直流電機連接電機驅動芯片,再與控制器單片機相連,電機驅動芯片與單片機電頻一致,通過改變PWM脈寬信號,在電源電壓Ud不變的情況下,控制占空比D大小,改變電樞端電壓平均值,達到改變電機轉速的目的,從而使枝葉分離輥轉速、分級皮帶轉速可調,通過編碼器完成電機轉速反饋。

在采收裝置上,枝葉分離輥、分級皮帶輪軸與電機相連,當控制系統上電后,單片機進入準備狀態,通過按下加速或減速按鈕,定時器增加或減小占空比,進而控制電壓大小,改變枝葉分離輥、分級皮帶轉速。

3 試驗與分析

3.1 試驗材料

本文設計的小型水果多功能采收裝置可適用于桂圓、金桔、冬棗、楊梅、李子、圣女果等多種小型水果,以冬棗為例進行裝置試驗。

3.2 試驗方法

試驗時由采摘者持采摘伸縮桿使采摘部分靠近小型水果果實,梳齒采摘爪繞到帶有果實樹枝后,啟動裝置,梳齒采摘爪旋轉將果實從果樹分離落入V形枝葉分離對輥中間,實現枝葉與果實分離,果實隨輸送部分滑入分級部分,經毛刷減速、皮帶分級后落入不同尺寸級別收集箱中。試驗過程中通過設計不同梳齒采摘爪,達到改變梳齒采摘爪爪間距離的目的,通過電氣控制系統調節電機轉速,達到控制V形枝葉分離對輥轉速、分級皮帶轉速的目的,使裝置在不同參數條件下進行試驗,得出采收工作最佳工作參數。

對小型水果進行采收試驗,最終確定小型水果枝葉分離干凈程度、采摘分級精度、果實損傷為試驗主要參照指標。采用感官觀測評價對小型水果采收工作進行評定,確定分級標準對小型水果分級精度評定,確定裝置不同采收工作參數對采收工作的影響。小型水果采收無明顯枝葉殘留,果實無損傷,每一分級等級無大小明顯不一致現象為采收效果合格。

以采摘分級準確度、果實損傷程度、枝葉殘留情況為感官評價指標,邀請20名經過感官評價訓練的工作者對采收果實評價,滿分為100分,采收感官評分如表5所示。

表5 采收感官評分表Tab. 5 Harvesting sensory score table

3.3 單因素試驗

3.3.1 梳齒采摘爪間距對采摘效果的影響

梳齒采摘爪仿人手結構,應盡可能抓住大部分小型水果,爪間距太大,會導致采摘率下降,爪間距太小,會出現采摘爪卡到枝葉現象,影響采摘效率,因此以梳齒采摘爪間距為試驗因素進行試驗,在爪間距為8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm條件下進行試驗,測試不同條件下小型水果采摘率及卡枝率,結果如圖5所示。

圖5 不同爪間距對采摘效果的影響

綜合采摘率與卡枝率考慮,確定本裝置兩爪距離為16 mm,電機帶動梳齒采摘爪做旋轉運動,當爪子旋轉到帶有小型水果的樹枝后,樹枝順利通過梳齒采摘爪,而小型水果被兩爪卡住,將其采摘下來。

3.3.2 V形枝葉分離對輥轉速對采收效果的影響

小型水果采收過程中枝葉分離輥轉速是影響采收效果感官評分的重要因素,轉速過低會導致果實與枝葉不能分離的現象,轉速過高會造成對果實果肉的損傷,因此選取V形枝葉分離對輥電機不同轉速進行試驗。在轉速為20 r/min、40 r/min、60 r/min、80 r/min、100 r/min、120 r/min、140 r/min條件下,通過對比枝葉分離前后果實中混有的枝葉量,得到不同V形枝葉分離對輥轉速對應的枝葉分離率,結果如圖6所示。

圖6 不同枝葉分離輥轉速對枝葉分離效果的影響

枝葉分離率隨枝葉分離對輥轉速增加而升高,但在電機轉速為100 r/min之后分離率增長幅度變化微小,且枝葉分離率為95%可以滿足小型水果采收工作要求。因此確定枝葉分離對輥轉速為100 r/min。

3.3.3 分級皮帶轉速對分級效果的影響

小型水果采摘后在不同間距分級皮帶作用下完成分級,分級皮帶轉速是影響分級效果的重要因素,分級皮帶轉速過低能保證準確分級但會造成果實擁堵,不易于分級;分級皮帶轉速過高會導致分級誤差大的現象,因此以分級皮帶轉速為試驗因素,測定不同分級皮帶轉速對小型水果的分級效果,結果如圖7所示。

圖7 不同分級皮帶轉速對分級效果的影響

通過試驗可知,隨電機轉速增加,小型水果分級準確率和擁堵率都在不斷下降。綜合考慮準確率和擁堵率,確定分級皮帶轉速為100 r/min。

3.3.4 Box-Behnken模型建立與分析

在單因素試驗分析的基礎上進行響應面分析,以感官評分Y為響應值,對采收分級效果影響顯著的三個因素梳齒爪間距、分級皮帶轉速、枝葉分離輥轉速為考察因素。試驗因素與水平如表6所示。

表6 Box-Behnken試驗因素水平表Tab. 6 Box-Behnken test factor level table

小型水果多功能采收裝置Box-Behnken試驗結果與感官得分如表7所示。

表7 Box-Behnken試驗結果與感官得分Tab. 7 Box-Behnken test results and sensory scores

運用Design Expert軟件對表7中試驗與評分結果擬合,得到回歸方程

Y=85.60+1.13X1+0.82X2+1.18X3-

1.24X1X2+0.68X1X3+0.84X2X3-

1.06X12-1.45X22-0.89X32

對回歸方程進行方差分析如表8所示。

表8 響應面試驗結果方差分析Tab. 8 Variance analysis of response surface test results

由表8可知,所建立模型顯著,失擬項P>0.05不顯著,說明此模型具有較高可靠性。經方差分析,三個因素對采收分級效果的影響順序為枝葉分離輥轉速>梳齒爪間距>分級皮帶轉速。

梳齒爪間距、分級皮帶轉速、枝葉分離輥轉速交互作用對采收效果感官評分影響的響應面曲線如圖8所示。

(a) 爪間距與分級皮帶轉速

(b) 爪間距與枝葉分離輥轉速

(c) 分級皮帶轉速與枝葉分離輥轉速

由圖8(a)可知,當固定枝葉分離輥轉速時,隨著梳齒爪間距和分級皮帶轉速的增大,采收分級效果感官評分均呈先增加后下降的趨勢,梳齒爪間距在15～17 mm和分級皮帶轉速在90～110 r/min的范圍內比較合適,響應面呈凸形說明交互作用較強且有最大值。同理,當固定其他兩因素時,變化因素均呈先增加后下降的趨勢,可找到采收分級效果最佳時對應的影響因素變化范圍。

利用Design-Expert軟件對所得回歸方程進行逐步回歸,并考慮實際操作與工作情況,將最佳工藝參數修訂為梳齒爪間距為16 mm、分級皮帶轉速為100 r/min、枝葉分離輥轉速為100 r/min,在此條件下,采收分級效果好,且與模型預測值較一致,驗證模型的可靠性。

3.4 采收分級試驗

本文設計的小型水果多功能采收裝置,根據仿人手設計的梳齒爪采摘小型水果,利用V形分離對輥分離隨果實一起采摘下來的枝葉。通過對每小時采收下來的果實進行質量測量,并進行多次試驗取其數據均值,得到裝置采收效率;利用不同皮帶的不同間距實現小型水果分級收集,通過測量分級后每一級別中小型水果整體數量和此級小型水果中尺寸不在該級別尺寸范圍內的果實數量,進而得到小型水果分級精度。

對本裝置進行采收分級試驗,通過裝置計數部分統計冬棗數量,觀測小型水果多功能采收裝置對冬棗的采收質量與分級精度。通過質量測定,得到裝置采收效率達到120 kg/h。并將裝置采摘與人工采摘進行對比,兩種采摘方式同時采摘1 000個冬棗,對比結果如表9所示,通過感官觀測評價發現,小型水果多功能采收裝置工作效率高,采摘10 min即可完成工作,采摘基本無枝葉殘留,不會造成果實損傷,可達到小型水果采收工作標準。

表9 裝置采摘與人工采摘對比Tab. 9 Comparison of device picking and manual picking

同時再分析小型水果對1 000個冬棗分級工作效果,統計三個分級箱中冬棗大小不在對應分級箱尺寸級別范圍的果實數量,計算每一級別分級精度,并對數據取均值,得到裝置分級精度達到95%。并將裝置分級與人工分級進行對比,結果如表10所示,可以看出裝置分級的精度與水果破損率和人工分級相差不大,可達到分級工作要求,但耗時短,做到邊采摘邊分級,提高工作效率。

表10 裝置分級與人工分級效果對比Tab. 10 Comparison of the effect of device classification and manual classification

4 結論

1) 根據小型水果的生長特點與結構特性,設計本小型水果多功能采收裝置,分為采摘部分、輸送部分、分級部分組成,可完成小型水果采摘、枝葉分離、果實分級工作。梳齒采摘爪爪長為50 mm,梳齒采摘爪爪端弧形角度為130°,輸送部分管口內徑為50 mm。

2) 通過試驗分析確定小型水果多功能采收裝置的最佳工作參數為梳齒采摘爪兩爪間距16 mm,V形枝葉分離對輥轉速為100 r/min,分級皮帶轉速為100 r/min。本裝置的采摘效率可達120 kg/h,分級精度可達到95%,可滿足小型水果采收工作需要。

3) 本裝置設計簡單,集采摘、枝葉分離、分級工作于一體,減少小型水果采收工作步驟,減輕采摘者工作負擔,填補小型水果采摘過程設備空缺,加快農業現代化步伐,在我國農業機械多功能化的發展中具有寬闊的發展前景。