摘要:苹果采摘是苹果生产作业中最耗时费力的环节，实现苹果快速采摘是现代化采摘作业的重要途径。本研究设计的偏心切割式苹果采摘装置主要由偏心式采摘头、可拆卸伸缩杆和缓冲下落通道3部分构成:偏心式采摘头采用刀片偏心旋转实现果柄的切割;伸缩杆采用可拆卸设计，实现不同高度苹果的采摘;缓冲下落通道采用内置缓冲布条的布制通道构成，以防止苹果在跌落过程中的损伤。在西北农林科技大学北校区园艺场随机选择5棵苹果树进行了采摘性能田间采摘试验，共采摘苹果150个。试验结果表明:该装置的采摘成功率为92.00%，苹果采摘受损率平均为4.70%。该苹果采摘装置的设计与试验为其它同类型的水果采摘装置的设计与改进提供了参考，有利于提升辅助人工的水果采摘装备研发水平。
关键词:苹果;采摘;偏心切割;优化;校核
0引言
我国是苹果种植大国，年产量超过8000万t，居世界首位。在水果的生产作业中，采摘是最耗时费力的环节，水果收获期间占用劳力约是整个种植过程的30%～50%，且采摘的方式和质量直接影响到水果的质量、贮藏和加工，从而影响到最终的市场价值和经济效益[1-3]。传统的人工采摘方式虽然保障了苹果的质量，但效率过低，虽然我国农业生产已步入机械化、智能化，但与发达国家相比，在农业作业自动化程度方面仍有一定的差距，且智能化、机械化成本高，不易小户推广，采摘作业依然需要大量的人力资源[4-5]。为此，方便快捷地辅助人工式苹果采摘装置更符合我国国情，具有重要的意义[6]。
现阶段，苹果采摘部分主要有基于带有末端执行器的机械手和采摘杆两种。末端执行器的形态包括关节型的两指、仿人指抓取夹持型及气动弯曲关节型[7-10]。机械手按坐标形式可分为直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标型机械手和多关节型机械手[11-13]。两种采摘器各有利弊，综合分析其采摘效率、灵敏度、成本及实现的难易程度，采摘杆更容易被用户接受。辅助人工式的采摘杆具有可靠性好，适应性强，灵敏度高，易维护等优点。张芳兰[14]等设计了一种手持式水果采摘机构，通过电机带动圆锯片转动切割水果，并落入下方缓冲袋，缓冲袋由内部有横向布条的布袋构成。成理鹏[15]等利用摇杆机构套住苹果，通过液压伸缩杆收缩拉扯完成苹果采收。赵凤芹[16]通过伸缩杆的内嵌弹珠结构控制剪刀剪下果柄，落入果篮。
为实现同一装置对高枝苹果及矮化苹果的普适性采摘，且使采摘更加轻松、便捷、高效，设计了一款辅助人工式苹果采摘装置。该装置采摘部分采用可拆卸设计，可分别完成对高枝果及矮化果的采摘，工作时通过圆形刀片偏心转动完成果柄的切断，通过缓冲通道实现快速无损下落，以满足高效采摘的需求。
1苹果采摘装置结构及工作原理
1.1结构组成及特点
苹果采摘装置主要由偏心式采摘头、可拆卸伸缩杆和缓冲下落通道3部分组成，如图1所示。可拆卸伸缩杆由安装头、手持柄、手持开关、内套杆、外套杆及杆开关等部件组成;偏心式采摘头由V型引柄底板、供电电池、圆盘刀片、电机、大齿轮及小齿轮等部件组成;缓冲下落通道由下落通道及缓冲布条等部件组成。
其结构特点是:V型引柄底板上方固定有电机，电机轴与小齿轮固连，小齿轮与大齿轮安装于V型引柄底板下方，大齿轮轴通过轴与圆形切刀偏心安装。根据苹果果实特点，采用固定式偏心距，其值为10mm，偏心刀片固定于V型引柄底板上，其固定点到圆形刀片的最短距离比该点到V型引柄底板引柄槽的垂直距离小3mm;采摘刀头下方装有下落通道，下落通道内部装有各方向多角度缓冲布条，采摘刀头与安装头固连，安装头通过铰链与手持柄铰接，手持柄手持处置有手持开关，手持柄与内套杆构成可拆卸连接，内套杆内套于外套杆构成伸缩杆外套杆手持处置有杆开关。采摘装置实物图如图2所示。
1.2工作原理
该采摘装置可完成苹果的留柄采摘及快速输送，其工作原理是:采摘刀头采用V型引柄底板设计，当上下任意开关闭合，通过电池供电，使电机通过齿轮传动带动圆形切刀产生偏心式切割，将果柄压入深U型切割位置，进而完成对果柄的切割。采摘杆采用可拆卸式设计，伸缩杆上端通过铰链与采摘头相连，可以自由调节采摘头的采摘倾斜角度，便于采摘;铰链下端即为手持手柄，手柄手持位置安装有刀头启动开关，手柄末端可与伸缩杆进行可拆卸的嵌套连接，并连通电路;伸缩杆末端手持处同样置有按压式开关，两个开关为并联关系，起到采摘杆拆卸前后可独立控制电路通断的效果。缓冲通道内部装有若干条相距若干距离、具有一定相对旋转角度布条，在苹果下落时起到缓冲的作用。该装置技术参数如表1所示。
2关键部件设计
2.1采摘刀头主体部分结构与参数设计
苹果的采摘成功率是衡量采摘装置性能优劣的重要指标，而采摘刀头的合理设计是保证苹果采摘成功的关键。采摘刀头的设计取决于采摘苹果的外形尺寸，采摘50个体态饱满、完整的烟富2号红富士苹果，测得这些苹果中最大横径97.7mm、平均高度89.4mm、果形指数0.87、果柄平均长度28.6mm、果柄最大直径3.3mm、单果平均质量276.3g，如图3所示。
烟富2号红富士苹果较其他种类苹果具有果柄较长、果实较大的特点，因此确定采摘刀头主体结构为前置V型引柄槽，引柄槽后接深U型切柄槽。采摘刀头主体结构过大会导致采摘刀头难以进入茂密的枝杈间采摘苹果，且造成材料的浪费及质量的增加;过小则不易将果柄引入切割位置，降低了采摘效率。因此，根据苹果外形尺寸，并综合考虑枝杈间隙，最终确定采摘刀头主体部分结构的各项参数:底板宽取100mm，底板长取120mm，U型槽深取40mm，U型槽宽取5mm，尖角角度取45°，如图4所示。
2.2采摘刀头执行部件结构与参数设计
现阶段采用旋转式切割刀头多为直线式，这种切割形式极易造成刀头在切割果柄时产生卡顿，本装置设计的采摘刀头采用偏心式切割果柄的方式，采摘刀头结构如图5所示。
刀头几何参数对切割成功率影响较大，为保证所设计的刀头能够较好完成切割果柄的工作，对该刀头切割效果进行理论计算及校核。刀头剪切力的计算公式如式(1)～式(3)所示。
由试验结果可知:切刀旋转速度对各指标影响表现为极显著，随着切刀旋转速度的增加，切割果柄的卡停率逐渐降低，退出率逐渐增大，切柄时长逐渐减少。这是由于切刀旋转速度增加，切刀相应的切割力增大，切割时发生卡顿的概率降低，相应的切割时间也会减少，但飞速旋转的切刀却更容易将果柄推出，造成果柄损伤。由试验结果可知:切刀旋转的速度为18r/s时，切柄的卡停率为3.1%，退出率为3.0%，切柄时长为2.6s，该速度下切割果柄的效果较好。
2.4可拆卸伸缩杆结构与参数设计
可拆卸伸缩杆的手柄部分主要用于采摘矮化的苹果或在采摘作业平台上使用，加上伸缩杆后，主要用于采摘人手难以触及的苹果，两者采用卡扣相连。依据中华人民共和国国家标准中国成年人人体尺寸，选取18～60岁男性、18～55岁女性50百分位的人体模型尺寸测得如表4所示。
选取陕西省杨凌区当地500株生长健康、体态正常的烟富2号红富士苹果果树，测量其苹果生长的高度，得到平均最大高度为3300mm，最低高度为1200mm。由此根据人机工程学相关理论及测得的苹果生长高度确定采摘杆的手柄长为100mm，直径为25mm，采摘杆的内套管长度为1100mm，直径为22mm，外套杆长度为1100mm，直径为25mm。
2.5缓冲下落通道结构设计
缓冲下落通道主要功能是使采摘的苹果既能快速输送至下方，能有效减缓苹果在出口处的速度，防止因速度过大造成在出口处的碰撞损伤。缓冲下落通道采用一条内部装有各方向多角度缓冲布条的布制通构成，布条宽度为10mm，布条间距为180mm，布条之间的布条相对旋转角度为60°。
3试验分析
3.1试验材料及设备
试验材料是陕西省杨凌示范区西北农林大学北校园艺场所产出的烟富2号红富士苹果。该种苹果果实呈圆或长圆形，果型端正，果形指数0.85～0.89;大型果，平均单果质量250～304g，果树高1200～3300mm，果实着色好，色调浓红艳丽，光洁美观;硬度8.6～9.6kg/cm2。成熟期为10月中下旬，贮藏性能同长富2号，外观品质明显优于长富2号，肉质与其相仿，以短果枝结果为主，有腋花芽结果习性，较丰产[17]。
2018年9月2日在西北农林科技大学北校园艺场对该装置进行田地采摘试验，验证本文所设计的苹果采摘装置对苹果的采摘的可行性以及可靠性，如图6所示。
3.2田地试验及分析试验主要研究该机器的苹果采摘部分的性能及优缺点，随机选择摘取5棵长势健康的烟富2号苹果树，为了验证该机器的采摘性能，因此除去本机器高度所达不到的苹果数量，以及已经有较大损伤面积的苹果，将其余不受高度影响的苹果和相对较完好的苹果的数量作为本试验的总体样本，并进行采摘试验。同时，根据单个苹果采摘所需的时间长短，将采摘时间大于6s的采摘称为采摘失败，小于6s的称为采摘成功，定义采摘成功的苹果总数占试验总体的比值为苹果采摘成功率。采摘时，对每棵苹果树不同高度上的苹果进行试验，并记录下伤痕尺寸及苹果直径。
试验结果表明:该机器的采摘苹果受损率在3%～7%之间，受损的主要原因有:①苹果柄过短，采摘时采摘头触碰果实造成的伤害;②果树枝条过于繁茂，采摘时苹果间相撞造成的伤痕;③高处苹果下落高度较高，落入机器时机器与苹果的碰撞造成的伤痕;根据试验结果可以发现:该机器对苹果采摘的受损率相对较低，成功率较高，由于采摘头、下落通道及机器接收苹果处设计的缓冲装置，较大程度地降低了苹果的受损率。试验结果表明:苹果损伤率的高低与苹果的高度有着密切的联系，随着高度的增加，苹果的受损率逐渐增高，而苹果的采摘成功率为92.12%。4结论1)介绍了一种偏心切割式苹果采摘装置结构、工作原理及设计优化，该机器由偏心式采摘头、可拆卸伸缩杆和缓冲下落通道3大部分组成。偏心式采摘头采用刀片偏心旋转实现果柄的切割;伸缩杆采用可拆卸设计，以实现不同高度苹果的采摘;缓冲下落通道采用内置缓冲布条的布制通道构成，以防止苹果在跌落过程中的损伤。2)在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学北校区园艺场进行了偏心切割式苹果采摘装置采摘性能的田地试验，结果表明:该机器的苹果平均采摘成功率较高，为92.00%;苹果采摘受损率变化较大，平均受损率为4.70%。
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