余传佩，Ampazidis Yiannis
(1. 九江职业技术学院机械工程学院，江西九江，332007；
2. 佛罗里大学IFAS，美国佛罗里达，34142)
新鲜樱桃是一种广受全球喜爱的水果，在世界各地广泛种植，比如美国、智利和中国等。新鲜樱桃的收获窗期很短，通常只有1～2周时间，而且果实娇嫩，特别容易碰伤。另外，为了保存和食用方便，要求带果柄一起采摘。目前新鲜樱桃基本上还是依靠手工采摘[1-2]，是一种劳动密集的作业。在美国，随着市场上的熟练工人数量不断减少，劳动力成本不断增加[3-5]，这使得劳动力成本占新鲜樱桃生产费用的50%～60%[3-5]。在我国，随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力成本的增加给新鲜樱桃种植的可持续性带来了很大的压力[3, 6]。因此，研发机械化程度较高的樱桃采收机械，具有巨大的经济效益和广阔的市场前景[3-4, 7]。
从1960年开始，新鲜樱桃的机械化采摘就已经陆续有人在研究。诺顿等开发了后备箱液压振动式收割机，用于采摘传统形式果园的甜樱桃，可实现对果园里80%～90%的樱桃机械化采摘，但是该收割机会导致相当大的水果和树木的损伤[8]。彼得森等开发了一种集成的机械化收割机，通过敲击树枝的方式来收获新鲜樱桃果实。然而机械成本较高，不能实现选择性采摘，且只能采摘特定树型上的樱桃，并会造成一些严重的树皮和果实的损伤[9]。Tanigaki等[10]开发了一种机器人收获系统，采用计算机图像识别樱桃果实，通过机器手夹住果实后拉断果柄的方式来实现机械化自动采摘。试验结果表明，果实识别率低，采摘效率不高，且不能保证带柄采摘，容易碰伤果实。Zhou等[7]开发了一种手持振动式樱桃采摘辅助装置，采取抓住树枝并振动，从而利用惯性力晃断果柄，实现樱桃的采摘。结果表明，对果梗脆落、树冠较小和果实较大的樱桃收获率较高。但是从时间分布研究表明，震动时间不到整个运行时间的30%，而50%以上的时间花在振动系统的移动定位上。另外，不能保证带柄采摘，也不能实现选择性采摘，樱桃碰伤率依然明显[11]。
针对以上问题，本文仿照理发的原理，设计了一款推剪式樱桃辅助采摘器，通过顺着枝条连续不间断推剪樱桃果柄[12]，从而实现樱桃的快速带柄采摘。
本推剪式樱桃采摘器由果柄推剪器、姿态调整机构、收集装置、伸缩杆和控制电路5部分组成，如图1所示。
图1 推剪式采摘器的组成
采摘时，操作者手持采摘器，首先将伸缩杆调节至适合高度，然后启动果柄推剪器，沿着树枝从一端推剪到另一端。果柄推剪器快速连续地剪切果柄，采下樱桃果实，果实落入收集装置中，从而完成樱桃的带柄快速采摘。操作者单手握杆的同时还可以通过大拇指和食指操控旋钮，根据需要调节果柄推剪器的俯仰、侧倾角度，从而方便地采摘各种不同姿态的樱桃果实。
1.1 果柄推剪器
果柄推剪器的结构如图2所示，主要由电机、偏心轴、十字滑块、动刀片、静刀片和刀架等组成。其中静刀片如图3所示，刀刃齿数为14，齿距为3.5 mm，齿高为8 mm。动刀片如图4所示，刀刃齿数为14，齿距为3.0 mm，齿高为6 mm。
图2 果柄推剪器的结构组成
图3 静刀片
图4 动刀片
果柄推剪器采用双滑块机构设计，其工作原理如图5所示，电机带动偏心轴转动，偏心轴带动十字滑块往复移动，从而带动固定在十字滑块上的动刀片进行往复移动，往复移动的动刀片与静刀片一起实现剪切运动，剪切樱桃果柄。
动刀片固定在十字滑块上，根据图5可得
S=R·cosα
(1)
式中：S——动刀片的位移，mm；
R——偏心轴的偏距，1.75 mm；
α——偏心轴的角位移，(°)。
由式(1)可得
H=R·(cos0°-cos180°)
(2)
式中：H——动刀片的行程，mm。
当R=1.75 mm时，由式(2)可得动刀片的行程H=3.5 mm。
电机选用FF180微型直流电机，额定功率3 W，额定电压12～24 V，额定转速5 000～12 000 r/min。
图5 机构的位置示意图
1.2 姿态调整机构
为了采摘树枝上不同生长姿态的樱桃果实，该装置设计了果柄推剪器的空中姿态调整机构。该机构由两套舵机和对应支架组成，分别实现刀具俯仰角度、侧倾角度两个自由度的调节。舵机选择幻尔LD-1501MG数字舵机，转动角度为0°～180°，堵转扭矩为170 N·m。
结合伸缩杆的高度调节，以及操作者在地面上的前后、左右移动和转动3个自由度，本装置可以实现全部6个自由的调节，从而可以实现全方位、全姿态的果实采摘。
1.3 收集装置
为了尽可能地全部收集剪落的果实，本文设计了一套伞状结构果实收集装置。此装置不但可以全方位地进行收集剪落的果实，还能通过底部拉链，实现果实的方便取出。另外，在不用时还可以拆卸下来，折叠存放。
1.4 伸缩杆
作为经济作物的樱桃，由于顶端优势，果农通常限制其生长高度不超过3.5 m，大部分樱桃树高度在2～3 m，故此需要设计长度合适，操作方便的高度调节装置。
本伸缩杆由三节铝合金方管组成，每节方管壁厚为1.2 mm，强度好，质量小。完全收缩状态时长度为65 cm，完全伸长状态时长度为160 cm，如图1所示。采摘者手持采摘器，通过调节伸缩杆的长度，可以方便地采摘3.5 m内任意高度的樱桃。同时，为了实现操作方便，固定锁紧装置采用偏心卡扣设计。
1.5 控制电路
为了实现对推剪器电机和姿态调整机构的控制，主控电路设计如图6所示。其中PWM电路如图7所示。
图6 主控电路
图7 PWM电路
考虑到对控制电路的保护，以及水果采摘方便，本采摘器将电路元器件全部隐藏在伸缩杆内。电源开关、电机开关以及姿态操控旋钮均布置在手柄上。在采摘水果时，操作者可单手握住采摘器的手柄，利用大拇指便可以操控电源开关和电机开关，同时还可以利用大拇指和食指操控舵机调节旋钮。总之，单手即可完成对樱桃推剪器电机、采摘姿态和电源的操控，简单方便。
本文在实际的果柄剪切过程中发现，静刀片齿距、动刀片齿距、电机转速、动刀片行程等参数会影响樱桃果柄的剪切效率和质量。为此，本文从水果市场购买了多批新鲜带柄樱桃，采用控制变量法，进行果柄剪切对比试验。通过对比分析不同参数下的剪切效果和质量，从而探索并优化以上参数的配置。
2.1 静刀片齿距
本文将各种不同品种批次的新鲜樱桃分成了12组，进行了樱桃果柄直径的测试，结果如表1所示。
表1 樱桃果柄直径测量结果Tab. 1 Measurement results of cherry stem diameter
根据表1的测量统计结果，樱桃果柄的直径都在1.3～2.7 mm之间，为此本文将静刀片齿距设定为3.5 mm。
2.2 动刀片齿距
在确定了静刀片齿距后，通过实际的剪切对比试验方法，探索动刀片的齿距。本文设计制作了齿距分别为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm的6种不同齿距的动刀片进行剪切对比试验。在实验室中，本文预先设定动刀片行程为3 mm，电机转速为2 400 r/min。
为了直观体现剪切效果，本文将固定时间内成功剪切樱桃果柄的数量与试验总数量的比例定义为剪切效率。在确定上述参数不变的情况下，分别对各种不同齿距的动刀片进行果柄的剪切试验，记录并绘制动刀片齿距与剪切效率的关系曲线，如图8所示。
图8 动刀片齿距与剪切效率关系
从图8可以看出，动刀片齿距在3.0 mm时，剪切效率最高。同时，本文通过观察不同齿距剪切樱桃果柄的断面，发现当动刀片齿距为1 mm左右时，断面多毛刺，果柄是锯断；
当动刀片齿距为3 mm附近时，果柄多为一次性剪断，而当齿距继续增大，几乎没有锯断的果柄，然而采摘效率降低。故此选定动刀片齿距为3 mm。
2.3 电机转速
在静刀片齿距和动刀片齿距分别确定后，本文通过改变电机转速的方法，来探索不同电机转速(对应剪切频率)对果柄剪切效果的影响，同理采用控制变量的方法，其中动刀片行程预设为3.0 mm。
根据以上参数，按照电机转速分别为2 000、4 000、6 000、8 000、10 000 r/min，进行分组果柄剪切试验，观察并记录下剪切效果，结果如图9所示。
图9 电机转速与剪切效率关系
从图9可以看出，在电机转速为7 000 r/min时，剪切效率最高。同时本文观察分析了不同动刀频率下剪切樱桃果柄的断面，发现当频率越高出现锯断的果柄频率也随之增加，但是当频率不断增加剪切效率会趋于一个平稳的数值，故此，电机转选定为7 000 r/min。
2.4 动刀片行程
根据以上结果，在保持其他参数不变的条件下，本文进行了不同动刀片行程的果柄剪切试验。按照动刀片行程分别为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 mm，进行分组果柄剪切试验，观察并记录下剪切效果，结果如图10所示。
图10 动刀片行程与剪切效率关系图
从图10可以看出，动刀片行程为3.5 mm时果柄的剪切效率最高。另外，在观察了不同运动行程下剪切樱桃果柄的断面，本文还发现当行程越小，出现锯断的果柄频率越大，反之亦然。
2.5 核心参数与剪切方式的总结分析
上述试验表明静刀片齿距、动刀片齿距、电机转速、动刀片运动行程4个参数显著影响樱桃果柄剪切效率。基于以上试验结果，本文得到了最优的设计参数，静刀片齿距为3.5 mm，动刀片齿距为3.0 mm，电机转速为7 000 r/min，动刀片行程为3.5 mm。
同时，上述试验还表明动刀片齿距、电机转速、动刀片行程的改变会影响果柄的剪切方式，行程减小、频率增大，动刀片齿距减小都会使采摘方式倾向于“锯断果柄”，反之则是趋向于“剪断果柄”。根据剪切效果的分析，设计时应当使“剪断”方式作为主要方式，当果柄不能很好地剪切时，仍能通过“锯断”的方式采摘。
3.1 试验条件
2021年5月1—2日，在江西省九江市濂溪区东岭樱桃种植专业合作社的果园，进行了实地采摘试验。该果园位于庐山余脉，海拔约为152 m，果园地形为山地坡地，坡度约为5°～40°，果树不规律分布，间距一般为3～5 m，果树高度大部分为2.5～3.5 m。试验设备及仪器包含米尺、秒表、电子秤和纸笔等。
3.2 试验方法及评价指标
试验时，采摘人员使用本采摘器辅助采摘，分别随机选定不同果树进行5次采摘[13-14]，每次采摘时间为30 min。试验结束后统计采摘的总数，对收获的樱桃总数、带柄合格率、果实损伤率分别进行统计，并记录试验结果。
樱桃采摘必须符合以下两点要求：(1)为了保存和食用方便，新鲜樱桃果实采摘必须带柄采摘，本文规定采摘的果柄长度不少于果柄原长的50%为带柄合格采摘。(2)不能碰伤樱桃果实，同时还要尽量不要伤及果柄旁边的花蕾，以免影响来年的樱桃产量。
1) 带柄合格率[10, 14]
(3)
式中：U0——不符合果柄要求樱桃数，kg；
U1——符合果柄要求樱桃数，kg。
2) 损伤率[10]：根据采摘总数，定义损伤率，即统计每次采摘樱桃总数Q0，采收后损伤的樱桃数数Q1。
损伤率
(4)
3.3 试验结果
试验结果如表2所示，可以看出，使用推剪式樱桃采摘器，平均30 min内采摘樱桃9.715 kg，平均带柄合格率为98.6%，损伤率仅为0.8%。以上数据表明，本采摘器不但能提高采摘效率，降低劳动强度和作业危险性，而且能实现樱桃的带柄采摘要求，同时还几乎不会碰伤樱桃树木和果实。
表2 采摘试验结果Tab. 2 Picking experiment results
1) 本文仿照理发的原理，研制了一种推剪式樱桃采摘器。该装置通过连续快速地推剪樱桃果柄来采摘樱桃，具备高低、俯仰和侧倾调节功能和果实收集功能，能够实现全方位全姿态樱桃果实的采摘。
2) 本文还分析了影响樱桃果柄剪切效果的关键因素，并通过剪切对比试验研究，得到了在静刀片齿距为3.5 mm，动刀片齿距为3 mm，动刀片行程为3.5 mm 以及电机转速为7 000 r/min时，推剪器的剪切效果最佳。
3) 果园试验结果表明，使用该装置辅助人工采摘樱桃，平均半小时内采摘樱桃9.7 kg以上，带柄合格率98%以上，损伤率1%以下。该装置实现了快速高效带柄的采摘樱桃，并且不碰伤樱桃果实及果树，具有较好的参考应用价值。
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